2. Силы в механике

Сила – это мера механического воздействия на данное материальное тело со стороны других тел. Сила – это вектор, она имеет точку приложения, направление и численное значение. Действие силы вызывает изменение скорости тела или деформацию тела. Оно может осуществляться как при непосредственном контакте тел, так и посредством силовых полей. В природе существует четыре вида взаимодействия на расстоянии: гравитационное, электромагнитное, ядерное и слабое взаимодействие. Сильные и слабые взаимодействия проявляются в мире элементарных частиц на расстояниях менее 10^-15 м. Поэтому в классической механике действующие силы обусловлены гравитационным притяжением и электромагнитным воздействием.

1. Сила тяжести и вес тела

С ила тяжести − это сила, под действием которой тела падают на Землю. Она равна произведению массы тела на ускорение свободного падения тел в вакууме F = mg и направлена по ускорению или по нити подвеса. Точкой приложения силы является центр тяжести тела.

Сила тяжести на Земле является результирующей двух сил: силы тяготения и центробежной силы инерции. В основном, сила тяжести обусловлена силой всемирного тяготения , которая направлена к центру Земли. Центробежная сила действует на тела вследствие вращения Земли: , где ω– угловая скорость вращения, r – радиус траектории тела, равный расстоянию от тела до оси вращения. Центробежная сила по сравнению с силой тяготения невелика. Она направлена от оси вращения по радиусу наружу и имеет наибольшее значение на экваторе, а на полюсах отсутствует. Из-за действия центробежной силы Земля растянута по экватору и сжата с полюсов.

Сила тяжести обусловливает возникновение веса. Вес тела G, по определению – это сила, с которой тело действует на опору или натягивает подвес. Если тело покоится на опоре, то сумма сил, действующих на тело, равна нулю: (рис. 2.2). Но по третьему закону Ньютона сила действия тела на опору (вес) и силы давления опоры на тело равны по величине и направлены противоположно . В результате вес покоящегося тела равен силе тяжести: . Возможно, по этой причине эти силы отождествляют, хотя они действуют на разные тела и имеют разную природу.

Рассмотрим в качестве примера вагон, скатывающийся с горки. На вагон действует сила тяжести со стороны Земли, со стороны рельсов действуют силы трения и силы нормального давления. По второму закону Ньютона произведение массы тела на ускорение равно векторной сумме действующих на тело сил: . Сила веса – это сила действия вагона на рельсы, которая по третьему закону Ньютона равна и противоположна сумме сил действия рельсов на вагон: . Произведя замену в уравнении движения, получим, что вес вагона или других тел, движущихся ускоренно, можно определить по формуле

. (2.1)

Итак, если тело движется ускоренно, то сила веса уже не равна силе тяжести. Если ускорение движущегося тела сонаправлено с ускорением свободного падения, то сила веса меньше силы тяжести. И наоборот, если ускорение тела противоположно ускорению свободного падения, то сила веса больше силы тяжести. В случае свободного падения тела вес тела равен нулю, то есть наступает состояние невесомости, тело не давит на опору.