כוח (פיזיקה)

הכוחות הפועלים על מנסרה במישור ובשיפוע

בפיזיקה, כוח הוא אינטראקציה שיכולה לגרום לשינוי בתנועה של גוף. הכוח הוא גודל פיזיקלי וקטורי, מסומן באות הלטינית ${\vec {F}}$, ויחידת המידה שלו במערכת היחידות הבין-לאומית היא ניוטון.

כוח הפועל על גוף יכול לגרום לשינוי במצבו של הגוף, או להתנגד לכוח אחר הפועל על אותו גוף. הדינמיקה היא התורה העוסקת בתנועתו של גוף בהשפעת כוחות, ובבסיסה שלושת חוקי התנועה של ניוטון, המתארים את היחס בין כוח לתנועה:

• החוק הראשון של ניוטון, עקרון ההתמדה, קובע כי קיימת מערכת אינרציאלית, שבה בהיעדר כוח (או כשהכוח השקול הפועל עליו שווה לאפס), גוף לא יואץ, כלומר, יתמיד במנוחתו או במהירות קבועה לאורך קו ישר. חוקי ניוטון תקפים רק במערכת יחוס אינרציאלית. החוק איננו מקרה פרטי של החוק השני.
• החוק השני של ניוטון קובע כי הכוח הוא נגזרת התנע לפי הזמן. בניסוח מתמטי:${\vec {F}}={\frac {d{\vec {p}}}{dt}}$.

בניסוח נוסף, תאוצתו של גוף עומדת ביחס ישר לכוח הפועל עליו וביחס הפוך למסתו. בניסוח מתמטי: ${\vec {F}}=m{\vec {a}}=m{\frac {d^{2}{\vec {r}}}{dt^{2}}}$. נוסחה זו נכונה בתנאי שהמסה אינה משתנה.

• החוק השלישי של ניוטון קובע כי כנגד כל כוח פועל כוח נוסף השווה בגודלו והפוך בכיוונו.
• אם הכוח משמר ניתן לתארו כגרדיאנט של פונקציית אנרגיה פוטנציאלית: $\ {\vec {F}}=-{\vec {\nabla }}U({\vec {r}})$

המכניקה הקלאסית מבוססת על מושג הכוח, אך פילוסופים כדוגמת ג'ורג' ברקלי ודייוויד יום התנגדו למכניקה של ניוטון וטענו שהכוח שהנהיג ניוטון הוא לא יותר מאשר פיקציה מתמטית. הם טענו שלא ניתן למדוד כוחות, ובוודאי שלא באופן ישיר. לדוגמה: מדידת כוח על ידי התארכות קפיץ – בפועל המדידה היא עד כמה התארך הקפיץ, והטענה שההתארכות נבעה מפעולה של כוח עליו היא כבר פרשנות של הצופה. עוד הם טענו שהחוק השני של ניוטון הוא בעצם טאוטולוגיה מאחר שעל ידי תאוצה מוגדרת פעולה של כוח. ניוטון היה מודע לבעייתיות של מושג הכוח ומערכת ייחוס מוחלטת וניסה להצדיק את השימוש במושג זה בתחילת ספרו "עקרונות מתמטיים של פילוסופיית הטבע".

עוד בעייתיות שהייתה אז במושג הכוח היא הבעיה של כוחות מתוקים (עקרון ד'אלמבר) וכוח האינרציה (התמד) שאותו פירש ניוטון ככוח פנימי של הגוף.

אפשר לראות בחוק השלישי של ניוטון הגדרה של המושג מסה, על ידי התייחסות ל"כוח" כמושג ראשוני, בדומה למרחק ולזמן, שגם אותם לא מגדירה הפיזיקה הקלאסית.

הגדרה נוספת למסה במכניקה הקלאסית, מתקבלת מחוק הכבידה של ניוטון, המקשר בין כוח, מסה ומרחק.

שתי ההגדרות הללו אינן "שקולות": במסגרת המכניקה הקלאסית לא ניתן להסיק אחת מהן מתוך השנייה. בעיה זו שהציקה לפיזיקאים מראשיתה, יושבה על ידי קבלתה כאקסיומה המבוטאת בעקרון השקילות של איינשטיין בתורת היחסות הכללית, לפיה מנוחה בשדה כבידה אחיד שקולה לתאוצה שלא בהשפעת שדה כבידה, עד כי צופה היושב בתא סגור לא יוכל להבחין באמצעות ניסוי תחת השפעת מי מהן הוא נתון.

לצד המכניקה הניוטונית, שמתייחסת בעיקר לתנועה, יש למושג הכח בפיזיקה הקלאסית קשר ישיר לגדלים נוספים, כמו לחץ, ולכן על חוק הגזים האידיאליים, ומושגים נוספים כמו חוזק חומרים.

למרות הבעייתיות הפילוסופית, תורת המכניקה של ניוטון הייתה מוצלחת ביותר באופן ניסיוני ופעלה כראוי לכל צורך מעשי, ולכן נתקבלה כנכונה במהירות רבה. רק בסוף המאה ה-19, בעקבות גילויים בתחום האלקטרומגנטיות והפיזיקה האטומית החלה להתערער נכונותה, והמכניקה היחסותית של אלברט איינשטיין מציגה את המכניקה הניוטונית כמקרה פרטי של תנועה במהירויות נמוכות. כוח משמש מושג מרכזי גם בתורת היחסות.

במכניקת הקוונטים מושג הכוח שימושי פחות, ומוחלף במידה מסוימת במושג שדה.

סוגי כוחות

בפיזיקה מוגדרים ארבעה כוחות יסודיים של הטבע, הנקראים כוחות היסוד או אינטראקציות יסודיות. ארבעת כוחות היסוד הם:

1. כוח הכבידה – כל גוף בעל מסה מושך אליו גופים אחרים בעלי מסה.
2. הכוח האלקטרומגנטי – המגדיר דחייה ומשיכה בין חלקיקים נושאי מטען חשמלי בתנועה.
   • הכוח החשמלי – המגדיר דחייה ומשיכה בין חלקיקים נושאי מטען חשמלי אך אינם נעים.
3. הכוח הגרעיני החזק – המלכד יחדיו את החלקיקים המצויים בגרעין האטום ואחראי גם ללכידות הקווארקים.
4. הכוח הגרעיני החלש – האחראי על התפרקויות אלפא, בטא וגמא, שהן סוג של התפרקויות רדיואקטיביות.

בחיי היומיום אנו נתקלים בכוחות מסוגים שונים, כגון כוח אלסטי, כוח נורמלי, חיכוך ואחרים, שהם היבטים שונים של ארבעת הכוחות הבסיסיים.

ראו גם

• כוח שקול

קישורים חיצוניים

• כוח, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• אנרגיה וכח, דף שער בספרייה הלאומית