4.3 Основные виды сил

Приведем сначала определения наиболее фундаментальных сил, лежащих в основе взаимодействия.

Сила тяжести. Это постоянная сила , действующая на любое тело, находящееся вблизи земной поверхности. Модуль силы тяжести равен весу тела.

Опытом установлено, что под действием силы тяжести любое тело при свободном падении на Землю (с небольшой высоты и в безвоздушном пространстве) имеет одно и то же ускорение , называемое ускорением свободного падения, а иногда ускорением силы тяжести:

или . (4.7)

Эти равенства позволяют, зная массу тела, определить его вес (модуль действующей на него силы тяжести) или, зная вес тела, определить его массу. Вес тела или сила тяжести, как и величина , изменяются с изменением широты и высоты над уровнем моря; масса же является для данного тела величиной неизменной.

Сила трения. Так будем кратко называть силу трения скольжения, действующую (при отсутствии жидкой смазки) на тело движущееся по поверхности. Ее модуль определяется равенством:

, (4.8)

где f — коэффициент трения, который будем считать постоянным; — нормальная сила прижимающая трущиеся поверхности. Более подробно, действие сил трения рассмотрены в главе «Статика».

Сила гравитационного притяжения. Это сила, с которой два материальных тела притягиваются друг к другу по закону всемирного тяготения, открытому Ньютоном. Сила тяготения зависит от расстояния и для двух материальных точек с массами m₁ и m₂, находящихся на расстоянии r друг от друга, выражается равенством:

, (4.9)

где — гравитационная постоянная (в СИ γ= 6,673-10^-11 м³/кгс²).

Сила взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме (кулоновская сила) прямо пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

, (4.10)

где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от системы единиц,

(в СИ k – 9,0 10⁹ Н*м²/Кл²)

Сила упругости. Эта сила тоже зависит от расстояния. Ее значение можно определить исходя из закона Гука, согласно которому напряжение (сила, отнесенная к единице площади) пропорционально деформации. В частности, для силы упругости пружины получается значение:

, (4.11)

где  - удлинение (или сжатие) пружины; с — так называемый коэффициент жесткости пружины (в СИ измеряется в Н/м).

Сила вязкого трения. Такая сила, зависящая от скорости, действует на тело при его медленном движении в очень вязкой среде (или при наличии жидкой смазки) и может быть выражена равенством:

, (4.12)

где v — скорость тела; — коэффициент сопротивления.

Зависимость этого вида можно получить, исходя из закона вязкого трения, открытого Ньютоном.

Сила аэродинамического (гидродинамического) сопротивления. Эта сила также зависит от скорости и действует на тело, движущееся в такой, например, среде, как воздух или вода. Обычно ее величину выражают равенством:

R=0,5с_xρSV², (4.13)

где ρ — плотность среды; S — площадь проекции тела на плоскость, перпендикулярную направлению движения (площадь миделя); с_х — безразмерный коэффициент сопротивления, определяемый обычно экспериментально и зависящий от формы тела и от того, как оно ориентировано при движении; V – скорость движения тела.