13. Сила

Взаимодействие тел, приводящее к изменению их скоростей в инерциальной системе отсчёта, измеряют силой, действующей между ними.

Чаще всего тела действуют друг на друга при соприкосновении. Подталкивая руками заглохший автомобиль, мы прикладываем силу, но если толкать придётся в гору, то делать это будет тяжелее, или, другими словами, для этого понадобится бóльшая сила. Чтобы толкать автомобиль, лучше всего прикладывать силу, направленную вдоль дороги. Таким образом, характеризуя силу, мы должны не только указать её величину, но и направление, вдоль которого она действует. Другими словами, сила – это векторная величина.

Действие двух или нескольких сил на тело можно заменить действием одной равнодействующей силы, являющейся суммой векторов всех этих сил.

Взаимодействие соприкасающихся тел может приводить не только к изменению их скоростей (ускорению или замедлению), но и деформации – изменению формы или объёма тел.

Всякое тело всегда сопротивляется деформации, и когда мы пытаемся сжать, растянуть или согнуть его, то со стороны тела на нас действуют силы, препятствующие этому, которые называют упругими силами.

Силу, препятствующую скольжению, называют силой трения.

Иногда взаимодействие тел происходит не только при их соприкосновении, но и на расстоянии. Так, Земля притягивает все тела, и силу, с которой она на них действуют, называют силой тяжести.

Земля притягивает Луну, а Солнце – Землю, и поэтому Луна вращается вокруг Земли, а Земля – вокруг Солнца. Силы притяжения, которые ещё называют гравитационными, действуют между всеми телами вокруг, однако, они становятся заметными, только тогда, когда одно или оба тела имеют размеры планет или звёзд.

К силам, действующим на расстоянии, относят также электромагнитные силы. Намагниченная стрелка компаса поворачивается вдоль линии магнитного поля, хотя никакое тело, касаясь, не заставляет её это делать.

Если на тело действуют две силы, а оно не изменяет своей скорости или остаётся в покое, то эти силы уравновешивают друг друга, и значит, их величины равны, а направления их действия противоположны. Это даёт возможность определить одну из сил, если другая известна.

Часто эталоном силы служит пружина, при растяжении которой возникают упругие силы. Для этого сначала пружину калибруют, т.е. отмечают на шкале удлинение пружины при действии какой-нибудь определённой силы (например, сила тяжести карандаша), а потом увеличивают силу в 2, 3, 4 раза и т.д., делая соответствующие отметки на шкале. Проградуированную таким образом пружину называют динамометром и применяют для измерения силы.

14. Связь между ускорением и силой. Второй закон Ньютона.

Результирующая сил, действующих на тело, равна произведению массы на ускорение этого тела, измеренное в инерциальной системе отсчёта.

Это утверждение называют вторым законом Ньютона, который устанавливает связь между ускорением тела и силой, действующей на него.

Единицей измерения массы в системе СИ служит килограмм (кг). Заметим, что литр воды при комнатной температуре имеет массу около 1 кг.

Уравнение (9.2) является самой популярной формой записи второго закона Ньютона, из которой следует, что для придания телу массой 1 кг ускорения 1 м/с² необходима сила, равная 1 кг.м/с². Величину силы, равную 1 кг.м/с², называют одним Ньютоном (1 Н). Таким образом, сила 1 Н сообщает телу массой 1 кг ускорение 1 м/с². В системе СИ единицей измерения силы выбран Н.

В повседневной жизни мы часто сталкиваемся с проявлениями этого закона. Известно, что чем сильнее толкать тело, тем большее ускорение можно ему сообщить. С другой стороны, применяя одну и ту же силу, легче разогнать пустой автомобиль, чем гружёный.

Из второго закона Ньютона следует, что если результирующая сил, действующих на тело, равна нулю, то его ускорение тоже равно нулю, а значит, это тело может либо быть неподвижным, либо двигаться с постоянной скоростью.