Понятие силы

Слово «сила» не было придумано заново и не было взято из мертвого языка, как это произошло с большинством научных терминов таких как, например, электрон, энтропия, интерференция и т. п. Оно вошло в науку из живого языка и поэтому, далеко не сразу и отнюдь не без труда, очистилось от оттенков, присущих его обыденному употреблению.

В механике Ньютона под силами понимается действия тел друг на друга, в результате чего взаимодействующие тела могут сообщать друг другу ускорения.

Поэтому, если речь идет о силе, то мы всегда можем указать как тело, на которое действует сила, так и тело, со стороны которого эта сила действует. При этом природа силы несущественна. Пользуясь представлениями о силах, мы можем сформулировать основные положения механики Ньютона:

1. всякое ускорение тела вызывается какой-либо силой;

2. всякая сила обусловлена действием на данное тело каких-либо других тел;

3. все силы носят характер взаимодействий.

Понятие силы только тогда станет физической величиной, когда мы определим способ ее измерения. Для этого мы должны, во-первых, выбрать эталон силы и, во-вторых, установить метод сравнения сил с этим эталоном.

Большинство известных способов измерения сил основано на их свойстве вызывать упругую деформацию твердых тел. Для этого проще всего использовать пружинные весы, которые называются динамометрами. При этом мы основываемся на нашем повседневном опыте и в значительной мере на интуиции. Приходя в магазин, мы знаем, что, положив на весы, например, кусок сыра, мы увидим, что стрелка весов отклонится на некоторый угол. Если мы добавим еще один, точно такой же кусок, то мы увидим, что стрелка отклонится на угол, в два раза больший. Итак, два одинаковых тела приводят к увеличению воздействия на весы ровно в два раза. Поэтому эталоном силы можно считать ту силу, с которой определенная пружина, при фиксированном растяжении, действует на прикрепленное к одному из концов тело и, что эта сила направлена вдоль оси пружины.

1.4. Сила — вектор

После задания способа измерения мы получаем возможность экспериментально изучать свойства физической величины. Исторически к формированию понятия силы механика пришла, решая конкретные инженерные задачи уравновешивания тел как элементов сооружений (зданий, мостов и т. д.). Возникли задачи нахождения способов замены нескольких сил, действующих на тело, одной результирующей силой. Опыты показали, что можно сформулировать следующее утверждение: сила является векторной величиной. Обозначим ее символом и образуем результирующую:

, (1.1)

, , .

На рисунке сила изображается в виде ориентированного отрезка в выбранном масштабе. Важной характеристикой является  точка приложения силы — начало вектора. Если тело можно считать материальной точкой, то точка приложения всех сил — это сама МТ (точка О на рис. 1.1). Другой важной характеристикой является линия действия силы — это линия, вдоль которой действует сила. Они изображены на рисунке пунктиром. На рис. 1.1, а результирующая всех сил равна нулю, а на рис. 1.1, б она равна . При сложении сил используют аппарат векторной алгебры.

Рис. 1.1. Сила как векторная величина