Come funzionano la forza, la potenza, la coppia e l'energia

Forza, potenza, coppia ed energia: cosa significano veramente queste parole e sono intercambiabili? © istockphoto.com / AndrewJohnson

Se hai letto molti articoli, hai visto molta terminologia lanciata in giro, parole come massa, vigore, coppia, lavoro, energia e energia. Cosa significano veramente queste parole e sono intercambiabili?

In questo articolo, aiuteremo a riunire tutta questa terminologia, forniremo alcuni esempi di quando ciascuno di essi viene utilizzato e proveremo anche alcuni calcoli lungo il percorso per capirlo.

In questo articolo, faremo riferimento a diversi tipi di unità. Nella maggior parte del mondo, il Sistema internazionale di unità (SI - dal francese Le Système International d'Unités), indicato anche come il sistema metrico, è accettato come set standard di unità. Questo sistema contiene la maggior parte delle unità metriche a cui sei abituato, come metri e chilogrammi, ma include anche unità per molte altre proprietà fisiche e ingegneristiche. Anche gli Stati Uniti hanno adottato ufficialmente il sistema di unità SI, ma Unità ingegneristiche inglesi (come libbre e piedi) sono ancora nell'uso quotidiano. Prima di passare alla spiegazione di questi termini, dobbiamo iniziare con alcune nozioni di base. Inizieremo con la massa e ci faremo strada fino all'energia.

Generalmente, massa è definito come la misura di quanta materia contiene un oggetto o un corpo -- il numero totale di particelle subatomiche (elettroni, protoni e neutroni) nell'oggetto. Se moltiplichi la tua massa per l'attrazione della gravità terrestre, ottieni il tuo peso. Quindi, se il tuo peso corporeo è fluttuante, a causa del mangiare o dell'esercizio fisico, è in realtà il numero di atomi che sta cambiando.

È importante capire che la massa è indipendente dalla tua posizione nello spazio. La massa del tuo corpo sulla luna è la stessa della sua massa sulla Terra, perché il numero di atomi è lo stesso. L'attrazione gravitazionale della Terra, d'altra parte, diminuisce man mano che ci si allontana dalla Terra. Pertanto, puoi perdere peso modificando la tua elevazione, ma la tua massa rimane la stessa. Puoi anche perdere peso vivendo sulla luna, ma ancora una volta, la tua massa è la stessa.

La massa è importante per calcolare la velocità con cui le cose accelerano quando applichiamo una forza su di loro. Cosa determina la velocità con cui un'auto può accelerare? Probabilmente sai che la tua auto accelera più lentamente se ha cinque adulti al suo interno rispetto a se ne ha solo uno. Esploreremo questa relazione tra massa, forza e accelerazione in modo un po 'più dettagliato dopo aver parlato di forza.

Unità comuni di messa

SI:

Grammo (g)

   1 g = 0,001 kg

Chilogrammo (kg)

   1 kg = 2,2 libbre

1 kg = 0,0685 lumaca

Inglese:

Libbra di massa (lbm)

   1 libbra = 0,4536 kg

Lumaca (lumaca)

   1 lumaca = 14,5939 kg

Un tipo di vigore che tutti conoscono è il peso. Questa è la quantità di forza che la Terra esercita su di te. Ci sono due cose interessanti su questa forza:

• Ti tira giù, o, più esattamente, verso il centro della Terra.
• È proporzionale alla tua massa. Se hai più massa, la Terra esercita su di te una forza maggiore.

Quando sali su una bilancia da bagno, eserciti una forza sulla bilancia. La forza che applichi alla bilancia comprime una molla, che muove l'ago. Quando lanci una palla da baseball, applichi una forza alla palla, che la fa accelerare. Il motore di un aeroplano crea una forza che spinge l'aereo nell'aria. I pneumatici di un'auto esercitano una forza sul terreno, che spinge l'auto.

Cause di forza accelerazione. Se applichi una forza a un'auto giocattolo (ad esempio, spingendola con la mano), inizierà a muoversi. Può sembrare semplice, ma è un fatto molto importante. Il movimento dell'auto è regolato da Seconda legge di Isaac Newton, che costituisce la base per la meccanica classica. La seconda legge di Newton afferma che il l'accelerazione (a) di un oggetto è direttamente proporzionale alla forza (F) applicata e inversamente proporzionale alla massa dell'oggetto (m). Cioè, più forza applichi a un oggetto, maggiore è la velocità di accelerazione; e maggiore è la massa dell'oggetto, minore è la velocità di accelerazione. La seconda legge di Newton è solitamente riassunta in forma di equazione:

a = F / m o F = ma

Per onorare il risultato di Newton, l'unità standard di forza nel sistema SI è stata denominata Newton. Un newton (N) di forza è sufficiente per accelerare 1 chilogrammo (kg) di massa a una velocità di 1 metro al secondo quadrato (m / s²). In effetti, questo è davvero il modo in cui vengono definite forza e massa. UN chilogrammo è la quantità di peso alla quale 1 N di forza accelera a una velocità di 1 m / s². Nelle unità inglesi, a lumaca è la quantità di massa che 1 libbra di forza accelererà a 1 ft / s², e a libbra massa è la quantità di massa che 1 libbra di forza accelererà a 32 piedi / s².

La Terra esercita una forza sufficiente per accelerare gli oggetti che vengono fatti cadere a una velocità di 9,8 m / s², o 32 piedi / s². Questa forza gravitazionale viene spesso definita g nelle equazioni. Se fai cadere qualcosa da un dirupo, per ogni secondo che cade accelererà di 9,8 m / s. Quindi, se cade per cinque secondi, raggiungerà una velocità di 49 m / s. Questa è una velocità di accelerazione piuttosto elevata. Se un'auto accelerasse così rapidamente, raggiungerebbe le 60 miglia all'ora (97 km / h) in meno di tre secondi!

Unità comuni di forza

SI:

newton (N)

   1 N = 0,225 libbre

Inglese:

Libbra (lb)

   1 libbra = 4,448 N.

Di solito, quando parliamo di forza, è coinvolta più di una forza e queste forze vengono applicate in direzioni diverse. Diamo un'occhiata al diagramma di un'auto. Quando l'auto è ferma, la gravità esercita una forza verso il basso sull'auto (questa forza agisce ovunque sull'auto, ma per semplicità, possiamo attirare la forza al centro di massa dell'auto). Ma il terreno esercita una forza verso l'alto uguale e opposta sui pneumatici, quindi l'auto non si muove.

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Figura 1. Animazione delle forze su un'auto

Quando l'auto inizia ad accelerare, entrano in gioco alcune nuove forze. Le ruote posteriori esercitano una forza contro il suolo in direzione orizzontale; questo fa iniziare ad accelerare la macchina. Quando l'auto si muove lentamente, quasi tutta la forza va ad accelerare l'auto. L'auto resiste a questa accelerazione con a vigore che è uguale al suo massa moltiplicato per il suo accelerazione. Puoi vedere dentro Figura 1 come la freccia della forza inizia grande perché l'auto accelera rapidamente all'inizio. Quando inizia a muoversi, l'aria esercita una forza contro l'auto, che diventa più grande man mano che l'auto guadagna velocità. Questa forza di resistenza aerodinamica agisce nella direzione opposta alla forza dei pneumatici, che spinge l'auto, quindi si sottrae da quella forza, lasciando meno forza disponibile per l'accelerazione.

Alla fine, l'auto raggiungerà la sua velocità massima, il punto in cui non potrà più accelerare. A questo punto, la forza motrice è uguale alla resistenza aerodinamica e non rimane alcuna forza per accelerare l'auto.

momento torcente è un forza che tende a ruotare o girare le cose. Si genera una coppia ogni volta che si applica una forza utilizzando una chiave. Il serraggio dei dadi ad alette sulle ruote è un buon esempio. Quando usi una chiave, applichi una forza alla maniglia. Questa forza crea una coppia sul dado ad alette, che tende a ruotare il dado ad alette.

Le unità inglesi di coppia sono libbre-pollici o libbre-piedi; l'unità SI è il Newton-metro. Notare che le unità di coppia contengono una distanza e una forza. Per calcolare la coppia, basta moltiplicare la forza per la distanza dal centro. Nel caso dei dadi ad alette, se la chiave è lunga un piede e si esercitano 200 libbre di forza su di essa, si generano 200 libbre-piedi di coppia. Se si utilizza una chiave da 2 piedi, è sufficiente applicare una forza di 100 libbre per generare la stessa coppia.

Il motore di un'auto crea coppia e la utilizza per far girare l'albero motore. Questa coppia viene creata esattamente allo stesso modo: viene applicata una forza a distanza. Diamo un'occhiata da vicino ad alcune delle parti del motore:

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Figura 2. Come viene generata la coppia in un cilindro di un motore a quattro tempi

La combustione del gas nel cilindro crea pressione contro il pistone. Quella pressione crea una forza sul pistone, che lo spinge verso il basso. La forza viene trasmessa dal pistone alla biella e dalla biella all'albero motore. Nel figura 2, notare che il punto in cui la biella si attacca all'albero motore è ad una certa distanza dal centro dell'albero. La distanza orizzontale cambia quando l'albero motore gira, quindi anche la coppia cambia da allora coppia è uguale a vigore moltiplicato per distanza.

Forse ti starai chiedendo perché solo la distanza orizzontale è importante per determinare la coppia in questo motore. Si può vedere nella Figura 2 che quando il pistone è al massimo della sua corsa, la biella punta verso il basso al centro dell'albero motore. Nessuna coppia viene generata in questa posizione, perché solo la forza che agisce sulla leva in direzione perpendicolare alla leva genera una coppia.

Se hai mai provato ad allentare dadi ad alette molto stretti sulla tua auto, sai che un buon modo per fare molta coppia è posizionare la chiave in modo che sia orizzontale, e quindi stare all'estremità della chiave - in questo modo stai applicando tutto il tuo peso a una distanza uguale alla lunghezza della chiave. Se dovessi posizionare la chiave con la maniglia rivolta verso l'alto, e poi stare sulla parte superiore della maniglia (supponendo che tu possa mantenere l'equilibrio), non avresti alcuna possibilità di allentare il dado ad aletta. Potresti anche stare direttamente sul dado.

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Figura 3. Una prova dinamometrica simulata di due diversi motori

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Figura 3 mostra la coppia e la potenza massime generate da due diversi motori. Un motore è un motore diesel per autocarri Caterpillar C-12 turbocompresso. Questo motore pesa circa 2.000 libbre e ha una cilindrata di 732 pollici cubi (12 litri). L'altro motore è un Ford Mustang Cobra altamente modificato, con una cilindrata di 280 pollici cubi (4,6 litri); ha un compressore aggiuntivo e pesa circa 400 libbre. Entrambi producono un massimo di circa 430 cavalli (hp), ma solo uno di questi motori è adatto al traino di un autocarro pesante. Il motivo risiede in parte nella curva potenza / coppia mostrata sopra.

Quando l'animazione si interrompe, è possibile vedere che il motore Caterpillar produce 1.650 Nm di coppia a 1200 giri / min, ovvero 377 CV. A 5.600 giri / min, il motore Mustang produce anche 377 CV, ma produce solo 354 Nm di coppia. Se hai letto l'articolo sui rapporti del cambio, potresti pensare a un modo per aiutare il motore Mustang a produrre la stessa coppia di 1.650 libbre-piede. Se si imposta una riduzione del rapporto di 4,66: 1 sul motore Mustang, la velocità di uscita sarebbe (5.600 / 4,66 rpm) 1.200 rpm e la coppia sarebbe (4.66 * 354 lb-ft) 1.650 lb-ft - esattamente il lo stesso del grande motore Caterpillar.

Ora ti starai chiedendo, perché i grandi camion non usano piccoli motori a gas invece di grandi motori diesel? Nello scenario sopra, il grande motore Caterpillar gira a 1.200 giri / min, piacevole e lento, producendo 377 cavalli. Nel frattempo, il piccolo motore a benzina sta urlando a 5.600 giri / min. Il piccolo motore a gas non durerà molto a lungo a quella velocità e potenza. Il motore del grande camion è progettato per durare anni e per percorrere centinaia di migliaia di miglia ogni anno.

Unità comuni di coppia

SI:

Newton metro (Nm)

   1 Nm = 0,737 lb-piedi

Inglese:

Libbra-pollice (lb-in)

   1 libbra-pollice = 0,113 Nm

Libbra-piede (lb-ft)

   1 lb-ft = 1,356 Nm

Il lavoro stiamo parlando di lavoro nel senso della fisica. Non il lavoro a casa, le faccende domestiche, il lavoro o qualsiasi altro tipo di lavoro. È un buon vecchio lavoro meccanico.

Il lavoro è semplicemente il applicazione di una forza a distanza, con una presa: la distanza conta solo se è nella direzione della forza applicata. Sollevare un peso da terra e metterlo su uno scaffale è un buon esempio di lavoro. La forza è uguale al peso dell'oggetto e la distanza è uguale all'altezza dello scaffale. Se il peso si trovava in un'altra stanza e dovevi prenderlo e attraversare la stanza prima di metterlo sullo scaffale, non avresti fatto altro lavoro che se il peso fosse seduto a terra direttamente sotto lo scaffale. Potrebbe essere sembrato come se avessi lavorato di più, ma mentre camminavi con il peso ti sei spostato orizzontalmente, mentre la forza del peso era verticale.

Anche la tua macchina funziona. Quando è in movimento, deve applicare una forza per contrastare le forze di attrito e resistenza aerodinamica. Se sale su una collina, fa lo stesso tipo di lavoro che fai quando sollevi un peso. Quando torna giù dalla collina, tuttavia, riprende il lavoro che ha fatto. La collina aiuta l'auto a scendere.

Il lavoro è energia che è stata utilizzata. Quando lavori, usi l'energia. Ma a volte l'energia che usi può essere recuperata. Quando l'auto sale su per la collina, il lavoro che fa per arrivare in cima la aiuta a scendere. Lavoro ed energia sono strettamente correlati. Le unità di lavoro sono le stesse delle unità di energia, di cui parleremo più avanti.

La potenza è una misura della velocità con cui si può lavorare. Usando una leva, potresti essere in grado di generare 200 piedi per libbra di coppia. Ma potresti far girare quella leva 3.000 volte al minuto? Questo è esattamente ciò che fa il motore della tua auto.

L'unità SI per il potere è il watt. Un watt si scompone in altre unità di cui abbiamo già parlato. Un watt è uguale a 1 Newton-metro al secondo (Nm / s). È possibile moltiplicare la quantità di coppia in Newton-metri per la velocità di rotazione per trovare la potenza in watt. Un altro modo per vedere la potenza è come unità di velocità (m / s) combinata con un'unità di forza (N). Se stavi spingendo su qualcosa con una forza di 1 N e si muovesse a una velocità di 1 m / s, la tua potenza sarebbe 1 watt.

Un modo interessante per capire quanta potenza puoi emettere è vedere quanto velocemente puoi salire una rampa di scale.

1. Misura l'altezza di una rampa di scale che ti porta su per circa tre piani.
2. Cronometrati mentre corri su per le scale il più velocemente possibile.
3. Dividi l'altezza delle scale per il tempo impiegato per salirle. Questo ti darà la tua velocità.

Ad esempio, se ci sono voluti 15 secondi per correre su 10 metri, la velocità era di 0,66 m / s (è importante solo la velocità in direzione verticale). Ora devi capire quanta forza hai esercitato su quei 10 metri, e poiché l'unica cosa che hai trasportato su per le scale era te stesso, questa forza è uguale al tuo peso. Per ottenere la quantità di potenza che produci, moltiplica il tuo peso per la tua velocità.

Potenza (W) = (altezza delle scale (m) / Tempo per salire (s)) * peso (N)

Potenza (hp) = [(altezza delle scale (ft) / tempo per salire (s)) * peso (lb)] / 550

Unità comuni di potere

SI:

Watt (W)

   1000 W = 1 kW

Kilowatt (kW)

   1 kW = 1,341 CV

Inglese

Potenza (hp)

   1 CV = 0,746 kW

Energia è il capitolo finale della nostra saga terminologica. Avremo bisogno di tutto ciò che abbiamo imparato fino a questo punto per spiegare l'energia.

Se la potenza è come la forza di un sollevatore di pesi, l'energia è come la sua resistenza. L'energia è a misura di quanto tempo possiamo sostenere la produzione di energia, o quanto lavoro possiamo fare. La potenza è la velocità con cui svolgiamo il lavoro. Un'unità comune di energia è il chilowattora (kWh). Nell'ultima sezione hai imparato che un kW è un'unità di potenza. Se utilizziamo un kW di potenza, un kWh di energia durerà un'ora. Se utilizziamo 10 kW di potenza, consumeremo i kWh in soli sei minuti.

Esistono due tipi di energia: potenziale e cinetico.

Energia potenziale

Energia potenziale è in attesa di essere convertito in potere. La benzina in un serbatoio di carburante, il cibo nello stomaco, una molla compressa e un peso appeso a un albero sono tutti esempi di energia potenziale.

Il corpo umano è un tipo di dispositivo di conversione dell'energia. Converte il cibo in energia, che può essere usata per lavorare. Il motore di un'auto converte la benzina in potenza, che può essere utilizzata anche per lavorare. Un orologio a pendolo è un dispositivo che utilizza l'energia immagazzinata in pesi sospesi per svolgere il lavoro.

Quando sollevi un oggetto più in alto, guadagna energia potenziale. Più in alto lo sollevi e più è pesante, più energia guadagna. Ad esempio, se sollevi una palla da bowling di 1 pollice e la lasci cadere sul tetto della tua auto, non farà molti danni (per favore, non provarci). Ma se sollevi la palla di 100 piedi e la lasci cadere sulla tua auto, si creerà un'enorme ammaccatura sul tetto. La stessa palla lanciata da un'altezza maggiore ha molta più energia. Quindi, aumentando l'altezza di un oggetto, aumenti la sua energia potenziale.

Torniamo al nostro esperimento in cui siamo corsi su per le scale e abbiamo scoperto quanta energia abbiamo usato. C'è un altro modo per vedere come abbiamo calcolato la nostra potenza: abbiamo calcolato quanta energia potenziale il nostro corpo ha guadagnato quando lo abbiamo sollevato fino a una certa altezza. Questa quantità di energia era il lavoro che abbiamo fatto correndo su per le scale (forza * distanza, o il nostro peso * l'altezza delle scale). Abbiamo quindi calcolato quanto tempo ci voleva per fare questo lavoro, ed è così che abbiamo scoperto il potere. Ricorda che il potere è il ritmo con cui lavoriamo.

La formula per calcolare l'energia potenziale (PE) che guadagni aumentando la tua altezza è:

PE = Forza * Distanza

In questo caso, la forza è uguale al tuo peso, che è la tua massa (m) * l'accelerazione di gravità (g) e la distanza è uguale alla tua variazione di altezza (h). Quindi la formula può essere scritta:

PE = mgh

Unità comuni di energia

SI:

Newton metro (Nm)

   1 Nm = 1 J

Joule (J)

   1 J = 0,239 cal

Caloria (cal)

   1 cal = 4,184 J

Watt per ora (Wh)

   1 Wh = 3.600 J

Chilowattora (kWh)

   1 kWh = 1.000 Wh

   1 kWh = 3.600.000 J

1 kWh = 3.412 BTU

Inglese:

Piede - libbra (ft lb)

   1 piede lb = 1,356 Nm

British Thermal Unit (BTU)

   1 BTU = 1.055 J

   1 BTU = 0,0002931 kWh

L'energia cinetica lo è energia del movimento. Gli oggetti in movimento, come le montagne russe, hanno energia cinetica (KE). Se un'auto si schianta contro un muro a 5 mph, non dovrebbe fare molti danni all'auto. Ma se colpisce il muro a 40 mph, molto probabilmente l'auto sarà totalizzata.

L'energia cinetica è simile all'energia potenziale. Più l'oggetto pesa e più velocemente si muove, più energia cinetica ha. La formula per KE è:

KE = 1/2 * m * v²

dove m è la massa e v è la velocità.

Una delle cose interessanti dell'energia cinetica è che aumenta con la velocità al quadrato. Ciò significa che se un'auto va due volte più veloce, ha quattro volte l'energia. Potresti aver notato che la tua auto accelera molto più velocemente da 0 mph a 20 mph rispetto a 40 mph a 60 mph. Confrontiamo quanta energia cinetica è richiesta a ciascuna di queste velocità. A prima vista, potresti dire che in ogni caso l'auto sta aumentando la sua velocità di 20 mph, quindi l'energia richiesta per ogni aumento deve essere la stessa. Ma non è così.

Possiamo calcolare l'energia cinetica richiesta per andare da 0 mph a 20 mph calcolando il KE a 20 mph e poi sottraendo il KE a 0 mph da quel numero. In questo caso, sarebbe 1/2 * m * 20² - 1/2 * m * 0². Poiché la seconda parte dell'equazione è 0, KE = 1/2 * m * 20², o 200 m. Per l'auto che va da 40 mph a 60 mph, il KE = 1/2 * m * 60² - 1/2 * m * 40²; quindi KE = 1.800 m - 800 m, o 1000 m. Confrontando i due risultati, possiamo vedere che ci vuole un KE di 1.000 m per passare da 40 mph a 60 mph, mentre ci vogliono solo 200 m per passare da 0 mph a 20 mph.

Ci sono molti altri fattori coinvolti nel determinare l'accelerazione di un'auto, come la resistenza aerodinamica, che aumenta anche con la velocità al quadrato. I rapporti del cambio determinano la quantità di potenza del motore disponibile a una determinata velocità e la trazione a volte è un fattore limitante. Quindi è molto più complicato del semplice calcolo dell'energia cinetica, ma quel calcolo aiuta a spiegare la differenza nei tempi di accelerazione.

Ora che conosciamo l'energia potenziale e l'energia cinetica, possiamo fare alcuni calcoli interessanti. Scopriamo quanto in alto potrebbe saltare un saltatore con l'asta se avesse una tecnica perfetta. Per prima cosa calcoleremo il suo KE, e poi calcoleremo quanto in alto potrebbe saltare se usasse tutto quel KE per aumentare la sua altezza (e quindi il suo PE), senza sprecarne nulla. Se ha convertito tutti i suoi KE in PE, allora possiamo risolvere l'equazione ponendoli uguali tra loro:

1/2 * m * v² = m * g * h

Poiché la massa è su entrambi i lati dell'equazione, possiamo eliminare questo termine. Questo ha senso perché sia ​​KE che PE aumentano con l'aumentare della massa, quindi se il corridore è più pesante, il suo PE e KE aumentano entrambi. Quindi elimineremo il termine di massa e riorganizzeremo un po 'le cose da risolvere per h:

1/2 * v² / g = h

Diciamo che il nostro saltatore con l'asta può correre veloce come chiunque altro al mondo. In questo momento, il record mondiale per la corsa di 100 m è di poco inferiore ai 10 secondi. Ciò fornisce una velocità di 10 m / s. Sappiamo anche che l'accelerazione dovuta alla gravità è di 9,8 m / s². Quindi ora possiamo risolvere l'altezza:

1/2 * 10² / 9,8 = 5,1 metri

Quindi 5,1 metri è l'altezza che un saltatore con l'asta potrebbe sollevare il suo centro di massa se convertisse tutto il suo KE in PE. Ma il suo centro di massa non è a terra; è al centro del suo corpo, a circa 1 metro da terra. Quindi l'altezza migliore che un saltatore con l'asta potrebbe raggiungere è di circa 6,1 metri o 20 piedi. Potrebbe essere in grado di guadagnare un po 'più di altezza usando tecniche speciali, come spingere via dalla cima del palo o fare un bel salto prima del decollo.

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Figura 4. Animazione del salto con l'asta

Nel Figura 4 puoi vedere come cambia l'energia del saltatore con l'asta mentre fa il salto. Quando inizia, sia il suo potenziale che l'energia cinetica sono zero. Quando inizia a correre, aumenta la sua energia cinetica. Quindi, mentre pianta il palo e inizia la sua volta, scambia la sua energia cinetica con energia potenziale. Quando il palo si piega, assorbe molta della sua energia cinetica, proprio come comprimere una molla. Quindi usa l'energia potenziale immagazzinata nel palo per sollevare il suo corpo sopra la barra. Nella parte superiore della sua volta, ha convertito la maggior parte della sua energia cinetica in energia potenziale.

Il nostro calcolo si confronta abbastanza bene con l'attuale record mondiale di 6,15 metri, stabilito da Sergey Bubka nel 1993.

Per ulteriori informazioni su questi concetti di fisica e argomenti correlati, consultare i collegamenti nella pagina successiva.

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