См. также «Физический портал»

Сила как векторная величина характеризуется модулем , направлением и «точкой» приложения силы. Последним параметром понятие о силе, как векторе в физике, отличается от понятия о векторе в векторной алгебре, где равные по модулю и направлению векторы, независимо от точки их приложения, считаются одним и тем же вектором. В физике эти векторы называются свободными векторами.В механике чрезвычайно распространено представление о связанных векторах, начало которых закреплено в определённой точке пространства или же может находиться на линии, продолжающей направление вектора (скользящие векторы). .

Также используется понятие линия действия силы , обозначающее проходящую через точку приложения силы прямую, по которой направлена сила.

Размерность силы - LMT −2 , единицей измерения в Международной системе единиц (СИ) является ньютон (N, Н), в системе СГС - дина .

История понятия

Понятие силы использовали ещё ученые античности в своих работах о статике и движении. Изучением сил в процессе конструирования простых механизмов занимался в III в. до н. э. Архимед . Представления Аристотеля о силе, связанные с фундаментальными несоответствиями, просуществовали в течение нескольких столетий. Эти несоответствия устранил в XVII в. Исаак Ньютон , используя для описания силы математические методы. Механика Ньютона оставалась общепринятой на протяжении почти трехсот лет. К началу XX в. Альберт Эйнштейн в теории относительности показал, что ньютоновская механика верна лишь в при сравнительно небольших скоростях движения и массах тел в системе, уточнив тем самым основные положения кинематики и динамики и описав некоторые новые свойства пространства-времени .

Ньютоновская механика

Исаак Ньютон задался целью описать движение объектов, используя понятия инерции и силы. Сделав это, он попутно установил, что всякое механическое движение подчиняется общим законам сохранения . В г. Ньютон опубликовал свой знаменитый труд « », в котором изложил три основополагающих закона классической механики (знаменитые законы Ньютона).

Первый закон Ньютона

Например, законы механики абсолютно одинаково выполняются в кузове грузовика, когда тот едет по прямому участку дороги с постоянной скоростью и когда стоит на месте. Человек может подбросить мячик вертикально вверх и поймать его через некоторое время на том же самом месте вне зависимости от того движется ли грузовик равномерно и прямолинейно или покоится. Для него мячик летит по прямой. Однако для стороннего наблюдателя, находящегося на земле, траектория движения мячика имеет вид параболы . Это связано с тем, что мячик относительно земли движется во время полета не только вертикально, но и горизонтально по инерции в сторону движения грузовика. Для человека, находящегося в кузове грузовика не имеет значения движется ли последний по дороге, или окружающий мир перемещается с постоянной скоростью в противоположном направлении, а грузовик стоит на месте. Таким образом, состояние покоя и равномерного прямолинейного движения физически неотличимы друг от друга.

Второй закон Ньютона

По определению импульса:

где − масса, − скорость .

Если масса материальной точки остается неизменной, то производная по времени от массы равна нулю, и уравнение принимает вид:

Третий закон Ньютона

Для любых двух тел (назовем их тело 1 и тело 2) третий закон Ньютона утверждает, что сила действия тела 1 на тело 2, сопровождается появлением равной по модулю, но противоположной по направлению силы, действующей на тело 1 со стороны тела 2. Математически закон записывается так:

Этот закон означает, что силы всегда возникают парами «действие-противодействие». Если тело 1 и тело 2 находятся в одной системе, то суммарная сила в системе, обусловленная взаимодействием этих тел равна нулю:

Это означает, что в замкнутой системе не существует несбалансированных внутренних сил. Это приводит к тому, что центр масс замкнутой системы (то есть той, на которую не действуют внешние силы) не может двигаться с ускорением . Отдельные части системы могут ускоряться, но лишь таким образом, что система в целом остается в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Однако в том случае, если внешние силы подействуют на систему, то ее центр масс начнет двигаться с ускорением, пропорциональным внешней результирующей силе и обратно пропорциональным массе системы.

Фундаментальные взаимодействия

Все силы в природе основаны на четырех типах фундаментальных взаимодействий. Максимальная скорость распространения всех видов взаимодействия равна скорости света в вакууме . Электромагнитные силы действуют между электрически заряженными телами, гравитационные − между массивными объектами. Сильное и слабое проявляются только на очень малых расстояниях , они ответственны за возникновение взаимодействия между субатомными частицами , включая нуклоны , из которых состоят атомные ядра .

Интенсивность сильного и слабого взаимодействия измеряется в единицах энергии (электрон-вольтах), а не единицах силы , и потому применение к ним термина «сила» объясняется берущей из античности традицией объяснять любые явления в окружаемом мире действием специфических для каждого явления «сил».

Понятие силы не может быть применено по отношению к явлениям субатомного мира. Это понятие из арсенала классической физики, ассоциирующейся (пусть даже только подсознательно) с ньютоновскими представлениями о силах, действующих на расстоянии. В субатомной физике таких сил уже нет: их заменяют взаимодействия между частицами, происходящими через посредство полей, то есть каких-то других частиц. Поэтому физики высоких энергий избегают употреблять слово сила , заменяя его словом взаимодействие .

Каждый вид взаимодействия обусловлен обменом соответствующих переносчиков взаимодействия: гравитационное − обменом гравитонов (существование не подтверждено экспериментально), электромагнитное − виртуальных фотонов , слабое − векторных бозонов , сильное − глюонов (и на больших расстояниях - мезонов). В настоящее время электромагнитное и слабое взаимодействия объединены в более фундаментальное электрослабое взаимодействие . Делаются попытки объединения всех четырех фундаментальных взаимодействие в одно (так называемая теория великого объединения).

Всё многообразие проявляющих себя в природе сил в принципе может быть сведено к этим четырем фундаментальным взаимодействиям. Например, трение − это проявление электромагнитных сил, действующих между атомами двух соприкасающихся поверхностей, и принципа запрета Паули , который не позволяет атомам проникать в область друг друга. Сила, возникающая при деформации пружины , описываемая законом Гука , также является результатом действия электромагнитных сил между частицами и принципа запрета Паули, заставляющих атомы кристаллической решетки вещества удерживаться около положения равновесия. .

Однако на практике оказывается не только нецелесообразной, но и просто невозможной по условиям задачи подобная детализация рассмотрения вопроса о действии сил.

Гравитация

Гравитация (сила тяготения ) - универсальное взаимодействие между любыми видами материи . В рамках классической механики описывается законом всемирного тяготения , сформулированным Исааком Ньютоном в его труде «Математические начала натуральной философии ». Ньютон получил величину ускорения, с которым Луна движется вокруг Земли , положив при расчете, что сила тяготения убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от тяготеющего тела. Кроме этого, им же было установлено, что ускорение, обусловленное притяжением одного тела другим, пропорционально произведению масс этих тел . На основании этих двух выводов был сформулирован закон тяготения: любые материальные частицы притягиваются по направлению друг к другу с силой , прямо пропорциональной произведению масс ( и ) и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними:

Здесь − гравитационная постоянная , значение которой впервые получил в своих опытах Генри Кавендиш . Используя данный закон, можно получить формулы для расчета силы тяготения тел произвольной формы. Теория тяготения Ньютона хорошо описывает движение планет Солнечной системы и многих других небесных тел. Однако, в ее основе лежит концепция дальнодействия , противоречащая теории относительности . Поэтому классическая теория тяготения неприменима для описания движения тел, перемещающихся со скоростью , близкой к скорости света, гравитационных полей чрезвычайно массивных объектов (например, черных дыр), а также переменных полей тяготения, создаваемых движущимися телами, на больших расстояниях от них .

Электромагнитное взаимодействие

Электростатическое поле (поле неподвижных зарядов)

Развитие физики после Ньютона добавило к трём основным (длина, масса, время) величинам электрический заряд с размерностью C. Однако, исходя из требований практики, основанных на удобствах измерения, вместо заряда нередко стал использоваться электрический ток с размерностью I, причём I = C T − 1 . Единицей измерения величины заряда является кулон, а силы тока ампер.

Поскольку заряд, как таковой, не существует независимо от несущего его тела, то электрическое взаимодействие тел проявляется в виде той же рассматриваемой в механике силы, служащей причиной ускорения. Применительно к электростатическому взаимодействию двух «точечных зарядов» в вакууме используется закон Кулона:

где - расстояние между зарядами, а ε 0 ≈ 8.854187817·10 −12 Ф/м. В однородном (изотропном) веществе в этой системе сила взаимодействия уменьшается в ε раз, где ε - диэлектрическая постоянная среды.

Направление силы совпадает с линией, соединяющей точечные заряды. Графически электростатическое поле принято изображать в виде картины силовых линий, представляющих собой воображаемые траектории, по которым бы перемещалась лишённая массы заряжённая частица. Эти линии начинаются на одном и заканчиваются на другом зарядах.

Электромагнитное поле (поле постоянных токов)

Существование магнитного поля признавалось ещё в средние века китайцами, использовавшим «любящий камень» - магнит, в качестве прообраза магнитного компаса. Графически магнитное поле принято изображать в виде замкнутых силовых линий, густота которых (так же, как и в случае электростатического поля) определяет его интенсивность. Исторически наглядным способом визуализации магнитного поля были железные опилки, насыпаемые, например, на лист бумаги, положенный на магнит.

Производные виды сил

Сила упругости - сила, возникающая при деформации тела и противодействующая этой деформации. В случае упругих деформаций является потенциальной. Сила упругости имеет электромагнитную природу, являясь макроскопическим проявлением межмолекулярного взаимодействия. Сила упругости направлена противоположно смещению, перпендикулярно поверхности. Вектор силы противоположен направлению смещения молекул.

Сила трения - сила, возникающая при относительном движении твёрдых тел и противодействующая этому движению. Относится к диссипативным силам. Сила трения имеет электромагнитную природу, являясь макроскопическим проявлением межмолекулярного взаимодействия. Вектор силы трения направлен противоположно вектору скорости.

Сила сопротивления среды - сила, возникающая при движении твёрдого тела в жидкой или газообразной среде. Относится к диссипативным силам. Сила сопротивления имеет электромагнитную природу, являясь макроскопическим проявлением межмолекулярного взаимодействия. Вектор силы сопротивления направлен противоположно вектору скорости.

Сила нормальной реакции опоры - сила упругости, действующая со стороны опоры на тело. Направлена перпендикулярно к поверхности опоры.

Силы поверхностного натяжения - силы, возникающие на поверхности фазового раздела. Имеет электромагнитную природу, являясь макроскопическим проявлением межмолекулярного взаимодействия. Сила натяжения направлена по касательной к поверхности раздела фаз; возникает вследствие нескомпенсированного притяжения молекул, находящихся на границе раздела фаз, молекулами, находящимися не на границе раздела фаз.

Осмотическое давление

Силы Ван-дер-Ваальса - электромагнитные межмолекулярные силы, возникающие при поляризации молекул и образовании диполей. Ван-дер-Ваальсовы силы быстро убывают с увеличением расстояния.

Сила инерции - фиктивная сила, вводимая в неинерциальных системах отсчёта для того, чтобы в них выполнялся второй закон Ньютона. В частности, в системе отсчёта , связанной с равноускоренно движущимся телом сила инерции направлена противоположно ускорению. Из полной силы инерции могут быть для удобства выделены центробежная сила и сила Кориолиса .

Равнодействующая

При расчёте ускорения тела все действующие на него силы заменяют одной силой, называемой равнодействующей. Это геометрическая сумма всех сил, действующих на тело. При этом действие каждой силы не зависит от действия других, то есть каждая сила сообщает телу такое ускорение, какое она сообщила бы в отсутствие действия других сил. Это утверждение носит название принципа независимости действия сил (принцип суперпозиции).

См. также

Источники

• Григорьев В. И., Мякишев Г. Я. - «Силы в природе»
• Ландау, Л. Д. , Лифшиц, Е. М. Механика - Издание 5-е, стереотипное. - М .: Физматлит , 2004. - 224 с. - («Теоретическая физика» , том I). - .

Примечания

1. Glossary . Earth Observatory . NASA . - «Сила - любой внешний фактор, который вызывает изменение в движении свободного тела или возникновение внутренних напряжений в зафиксированном теле.» (англ.)
2. Бронштейн И. Н. Семендяев К. А. Справочник по математике. М.: Издательство «Наука» Редакция справочной физико-математической литературы.1964.

В природе существует четыре типа сил: гравитационные, электромагнитные, ядерные и слабые.

Гравитационные силы, или силы тяготения, действуют между всеми телами. Но эти силы заметны, если хотя бы одно из тел имеет размеры, соизмеримые с размерами планет. Силы притяжения между обычными телами настолько малы, что ими можно пренебречь. Поэтому гравитационными можно считать силы взаимодействия между планетами, а также между планетами и Солнцем или другими телами, имеющими очень большую массу. Это могут быть звёзды, спутники планет и т.п.

Электромагнитные силы действуют между телами, имеющими электрический заряд.

Ядерные силы (сильные) являются самыми мощными в природе. Они действуют внутри ядер атомов на расстояниях 10 -13 см.

Слабые силы , как и ядерные, действуют на малых расстояниях порядка 10 -15 см. В результате их действия происходят процессы внутри ядра.

Механика рассматривает гравитационные силы, силы упругости и силы трения.

Гравитационные силы

Гравитация описывается законом всемирного тяготения. Этот закон был изложен Ньютоном в середине XVII в. в работе «Математические начала натуральной философии».

Гравитацией называют силу тяготения, с которой любые материальные частицы притягиваются друг у другу.

Сила, с которой материальные частицы притягиваются друг к другу, прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними .

G – гравитационная постоянная, численно равная модулю силы тяготения, с которой тело, имеющее единичную массу, действует на тело, имеющее такую же единичную массу и находящееся на единичном расстоянии от него.

G = 6,67384(80)·10 −11 м 3 ·с −2 ·кг −1 , или Н·м²·кг −2 .

На поверхности Земли сила гравитации (сила тяготения) проявляется в виде силы тяжести .

Мы видим, что любой предмет, брошенный в горизонтальном направлении, всё равно падает вниз. Падает вниз также и любой предмет, подброшенный вверх. Происходит это под действием силы тяжести, которая действует на любое материальное тело, находящееся вблизи поверхности Земли. Сила тяжести действует на тела и на поверхности других астрономических тел. Эта сила всегда направлена вертикально вниз.

Под действием силы тяжести тело движется к поверхности планеты с ускорением, которое называется ускорением свободного падения .

Ускорение свободного падения на поверхности Земли обозначается буквой g .

F t = mg ,

следовательно,

g = F t / m

g = 9, 81 м/с 2 на полюсах Земли, а на экваторе g = 9,78 м/с 2 .

При решении простых физических задач величину g принято считать равной 9,8 м/с 2 .

Классическая теория тяготения применима только для тел, имеющих скорость намного ниже скорости света.

Силы упругости

Силами упругости называются силы, которые возникают в теле в результате деформации, вызывающей изменение его формы или объёма. Эти силы всегда стремятся вернуть тело в его первоначальное положение.

При деформации происходит смещение частиц тела. Сила упругости направлена в сторону, противоположную направлению смещения частиц. Если деформация прекращается, сила упругости исчезает.

Английский физик Роберт Гук, современник Ньютона, открыл закон, устанавливающий связь между силой упругости и деформацией тела.

При деформации тела возникает сила упругости, прямо пропорциональная удлинению тела, и имеющая направление, противоположное перемещению частиц при деформации.

F = k ∆ l ,

где к – жёсткость тела, или коэффициент упругости;

∆ l – величина деформации, показывающая величину удлинения тела под воздействием сил упругости.

Закон Гука действует для упругих деформаций, когда удлинение тела мало, а тело восстанавливает свои первоначальные размеры после того, как исчезают силы, вызвавшие эту деформацию.

Если деформация велика, и тело не возвращается в свою исходную форму, закон Гука не применяется. При очень больших деформациях происходит разрушение тела.

Силы трения

Сила трения возникает, когда одно тело движется по поверхности другого. Она имеет электромагнитную природу. Это следствие взаимодействия между атомами и молекулами соприкасающихся тел. Направление силы трения противоположно направлению движения.

Различают сухое и жидкое трение. Сухим называют трение, если между телами нет жидкой или газообразной прослойки.

Отличительная особенность сухого трения – трение покоя, которое возникает при относительном покое тел.

Величина силы трения покоя всегда равна величине внешней силы и направлена в противоположную сторону. Сила трения покоя препятствует движению тела.

В свою очередь, сухое трение разделяется на трение скольжения и трение качения .

Если величина внешней силы превышает величину силы трения, то в этом случае появится проскальзывание, и одно из контактирующих тел начнёт поступательно перемещаться относительно другого тела. А сила трения будет называться силой трения скольжения . Её направление будет противоположно направлению скольжения.

Сила трения скольжения зависит от силы, с которой тела давят друг на друга, от состояния трущихся поверхностей, от скорости движения, но не зависит от площади соприкосновения.

Сила трения скольжения одного тела по поверхности другого вычисляется по формуле:

F тр. = k · N ,

где k – коэффициент трения скольжения;

N – сила нормальной реакции, действующая на тело со стороны поверхности.

Сила трения качения возникает между телом, которое перекатывается по поверхности, и самой поверхностью. Такие силы появляются, например, при соприкосновении шин автомобиля с дорожным покрытием.

Величина силы трения качения вычисляется по формуле

где F t – сила трения качения;

f – коэффициент трения качения;

R – радиус катящегося тела;

N – прижимающая сила.

Законы Ньютона

I закон Ньютона

Существуют такие системы отсчета, которые называются инерциальными, относительно которых тела сохраняют свою скорость неизменной, если на них не действуют другие тела или действие других сил скомпенсированно.

II закон Ньютона

Ускорение тела прямопропорционально равнодействующей сил, приложенных к телу, и обратно пропорционально его массе:

III закон Ньютона

Силы, с которыми два тела действуют друг на друга, равны по модулю и противоположны по направлению.

Виды сил

Силой упругости называют силу, которая возникает в теле при изменении его формы или размеров. Это происходит, если тело сжимают, растягивают, изгибают или скручивают. Например, сила упругости возникла в пружине в результате её сжатия и действует на кирпич.
Сила упругости всегда направлена противоположно той силе, которая вызвала изменение формы или размеров тела. В нашем примере упавший кирпич сжал пружину, то есть подействовал на неё с силой, направленной вниз. В результате в пружине возникла сила упругости, направленная в противоположную сторону, то есть вверх. Мы можем это утверждать, наблюдая отскок кирпича.

Закон Гука: сила упругости возникающая в деформированном тела прямо пропорциональна вектору деформации и противоположна ему по направлению.
где k - коэффициент упругости, L-величина упругой деформации.

Силой тяготения называют силу, с которой все тела в мире притягиваются друг к другу (см. § 2-а). Разновидностью силы тяготения является сила тяжести – сила, с которой тело, находящееся вблизи какой-либо планеты, притягивается к ней. Например, на ракету, стоящую на Марсе, тоже действует сила тяжести.

Сила тяжести всегда направлена к центру планеты. На рисунке показано, что Земля притягивает мальчика и мяч с силами, направленными вниз, то есть к центру планеты. Как видите, направление «вниз» различно для различных мест на планете. Это будет справедливо и для других планет и космических тел. Более подробно силу тяжести мы изучим в § 3-г.

Силой трения называют силу, препятствующую проскальзыванию одного тела по поверхности другого. Рассмотрим рисунок. Резкое торможение автомобиля всегда сопровождается «визгом тормозов». Этот звук возникает из-за проскальзывания шин по асфальту. При этом шины сильно стираются, так как между колёсами и дорогой действует сила трения, препятствующая проскальзыванию.
Сила трения всегда направлена противоположно направлению (возможного) проскальзывания рассматриваемого тела по поверхности другого. Например, при резком торможении автомобиля его колёса проскальзывают вперёд, значит, действующая на них сила трения о дорогу направлена в противоположную сторону, то есть назад.
Сила трения возникает не только при скольжении одного тела по поверхности другого. Существует также сила трения покоя. Например, отталкиваясь ботинком от дороги, мы не наблюдаем его проскальзывания. При этом возникает сила трения покоя, благодаря которой мы движемся вперёд. В отсутствие этой силы мы бы не смогли сделать и шага, как, например, на льду.

Силой Архимеда (или выталкивающей силой) называют силу, с которой жидкость или газ действуют на погруженное в них тело – выталкивают его. На рисунке показано, что вода действует на пузырьки выдыхаемого рыбой воздуха – выталкивает их на поверхность. Вода также действует на рыбу и камни – она уменьшает их вес (силу, с которой камни давят на дно).

Сила сопротивления. Сила, действующая на тело при его поступательном движении в жидкости или газе, называется силой сопротивления.
Сила сопротивления зависит от скорости тела относительно внешней среды и направлена противоположно вектору скорости тела.
где k - коэффициент пропорциональности, зависящий от скорости тела относительно среды, V - модуль скорости тела относительно среды.

Сила гравитационного притяжения.
Гравитационное взаимодействие между телами осуществляется при посредстве гравитационного поля.
Гравитационные силы направлены вдоль одной прямой, соединяющей взаимодействующие точки, т.е. являются центральными силами.

Закон всемирного тяготения:
Между двумя материальными точками действуют силы взаимного притяжения, пропорциональные произведению масс точек, обратно пропорциональные квадрату расстояния между ними.
где G = 6,67 · 10^-11 (Н м^2) / кг^2 - гравитационная постоянная, m1 , m2 - гравитационные массы материальных точек, R - расстояние между материальными точками.
Закон всемирного тяготения так же справедлив для однородных шарообразных тел. В этом случае R - расстояние между центрами тяжести тел.

Все окружающие нас процессы происходят в результате действия той или иной физической силы. С ее проявлением человек встречается повсюду, начиная с того, что ему приходиться прикладывать силу, чтобы встать утром с постели, и заканчивая движениями массивных космических объектов. Данная статья посвящена вопросам, что такое сила в физике, и какие ее виды существуют.

Понятие о силе

Вопрос, что такое сила в физике, начнем рассматривать с ее определения. Под ней полагают величину, способную изменять количество движения рассматриваемого тела. Математическое выражение для этого определения выглядит так:

Здесь dp¯ - это изменение количества движения (иначе его называют импульсом), dt - промежуток времени, за который оно изменяется. Отсюда видно, что F¯ (сила) является вектором, то есть для ее определения необходимо знать, как модуль (абсолютное значение), так и направление ее приложения.

Как известно, импульс измеряется в кг*м/с. Это означает, что F¯ вычисляется в кг*м/с 2 . Эта единица измерения получила название ньютона (Н) в СИ. Поскольку единица м/с 2 - это мера измерения линейного ускорения в классической механике, то из определения силы автоматически следует 2-й закон Исаака Ньютона:

В такой формуле a¯ = dv¯/dt - ускорение.

Эта формула силы в физике показывает, что в ньютоновской механике величина F¯ характеризуется ускорением, которое она может сообщить телу с массой m.

Классификация видов сил

Тема силы в физике является достаточно широкой, и при детальном рассмотрении она затрагивает фундаментальные понятия о строении материи и о процессах, происходящих во Вселенной. В данной статье мы не будем рассматривать понятие релятивистской силы (процессы, происходящие при околосветовых скоростях) и силы в квантовой механике, а ограничимся лишь ее описанием для макроскопических объектов, движение которых определяется законами классической механики.

Итак, исходя из каждодневного наблюдения за процессами в быту и природе, можно выделить следующие виды силы:

• тяготения (тяжести);
• воздействие опоры;
• трения;
• натяжения;
• упругости;
• отдачи.

Раскрывая вопрос, что такое сила в физике, рассмотрим каждый из названных видов подробнее.

Всемирное тяготение Ньютона

В физике действие силы тяготения проявляется в притяжении двух объектов, обладающих конечной массой. Сила тяжести является достаточно слабой, если ее сравнивать с электрическими или ядерными взаимодействиями. Она проявляется в космических масштабах (движение планет, звезд, галактик).

В XVII веке Исаак Ньютон, изучая движение планет вокруг Солнца, пришел к формулировке закона, который носит название всемирного тяготения. В физике формула силы гравитации записывается так:

Экспериментальное определение значения G было выполнено лишь в конце XVIII века Генри Кавендишем, который использовал в своем опыте крутильные весы. Этот эксперимент позволил определить массу нашей планеты.

В формуле выше, если одним из тел будет наша Земля, тогда сила тяготения для любого предмета, находящегося вблизи земной поверхности, будет равна:

F = G*M *m /R 2 = m*g,

где g = G*M/R 2

Здесь M - масса планеты, R - ее радиус (расстояние между телом и центром Земли приблизительно равно радиусу последней). Последнее выражение является математическим представлением величины, которую принято называть весом тела, то есть:

Выражение показывает, что в физике сила тяжести эквивалентна весу тела. Величину P измеряют, зная силу противодействия опоры, на которой находится данное тело.

Реакция опорной поверхности

Почему человек, дома и другие объекты не проваливается под землю? Почему книга, положенная на стол, не падает? Эти и другие подобные факты объясняются существованием силы реакции опоры, которую часто обозначают буквой N. Уже по названию понятно, что она является характеристикой воздействия на тело поверхности, на которой оно находится.

Исходя из отмеченного факта равновесия, можно записать выражение:

(для горизонтального положения тела)

То есть сила опоры равна по модулю весу тела, если оно находится на горизонтальной поверхности, и противоположна ему по направлению. Если тело расположено на наклонной плоскости, то расчет N осуществляется уже с использованием тригонометрической функции (sin(x) или cos(x)), поскольку P направлен всегда к центру Земли (вниз), а N направлена перпендикулярно плоскости поверхности (вверх).

Понимание причины возникновения силы N выходит за рамки классической механики. В двух словах скажем, что она является прямым следствием так называемого принципа запрета Паули. Согласно нему два электрона не могут находиться в одном состоянии. Этот факт приводит к тому, что если сближать два атома, то, несмотря на их 99% пустоту, электронные оболочки не смогут проникнуть друг в друга, и появляется сильное отталкивание между ними.

Сила трения

В физике этот вид силового воздействия является не менее частым, чем рассмотренные выше. Возникает трение всегда, когда объект начинает двигаться. В общем случае в физике силу трения принято относить к одному из 3-х типов:

• покоя;
• скольжения;
• качения.

Первые два типа описываются следующим выражением:

Здесь μ - коэффициент трения, значение которого зависит, как от типа силы (покоя или трения), так и от материалов трущихся поверхностей.

Трение качения, ярким примером которого является движущееся колесо, рассчитывается по формуле:

Здесь R - радиус колеса, f - коэффициент, который отличается от μ не только значением, но и размерностью (μ безразмерен, f измеряется в единицах длины).

Любой тип силы трения всегда направлен против движения, прямо пропорционален силе N и не зависит от площади соприкосновения поверхностей.

Причиной появления трения между двумя поверхностями является наличие на них микронеоднородностей, приводящих к их "зацеплению" подобно маленьким крючочкам. Это простое объяснение является достаточно хорошей аппроксимацией реально происходящего процесса, который намного более сложен, и для глубокого понимания предполагает рассмотрение взаимодействий в атомных масштабах.

Приведенные формулы относятся к трению твердых тел. В случае же текучих субстанций (жидкости и газы) трение также присутствует, только оно уже оказывается пропорциональным скорости движения объекта (квадрату скорости при быстрых перемещениях).

Сила натяжения

Что такое сила в физике, когда рассматривают перемещения грузов с использованием веревок, канатов и тросов? Она называется силой натяжения. Ее принято обозначать буквой T (см. рис. выше).

Когда рассматривают задачи по физике на силу натяжения, то в них часто возникает такой простой механизм, как блок. Он позволяет перенаправлять действующую силу T. Специальные конструкции из блоков дают выигрыш в прилагаемой для подъема груза силе.

Явление упругости

Если деформации твердого тела невелики (до 1%), то после приложения внешнего усилия они полностью исчезают. Во время этого процесса деформация совершает работу, создавая так называемую силу упругости. Для пружины эта величина описывается законом Гука. Соответствующая формула имеет вид:

Здесь x - это величина смещения пружины из состояния ее равновесия (абсолютная деформация), k - коэффициент. Знак минус в выражении показывает, что сила упругости направлена против любой деформации (растяжение и сжатие), то есть она стремится восстановить равновесное положение.

Физическая причина появления сил упругости и натяжения одна и та же, она заключается в возникновении притяжения или отталкивания между атомами вещества, когда изменяется равновесное расстояние между ними.

Все знают, что при стрельбе из любого огнестрельного оружия возникает так называемая отдача. Она проявляется в том, что приклад ружья ударяет по плечу стрелка, а танк или пушка откатываются назад, когда вылетает снаряд из дула. Все это проявления силы отдачи. Формула для нее аналогична той, которая была дана в начале статьи при определении понятия "сила".

Как можно догадаться, причина появления сил отдачи заключается в проявлении закона сохранения импульса системы. Так, вылетевшая из дула ружья пуля уносит ровно такой импульс, которым приклад бьет по плечу стрелка, в итоге полное количество движения остается постоянным (равным нулю для относительно покоящейся системы).

Существует ряд законов, которые характеризуют физические процессы при механических движениях тел.

Выделяют следующие основные законы сил в физике:

• закон силы тяжести;
• закон всемирного тяготения;
• законы силы трения;
• закон силы упругости;
• законы Ньютона.

Закон силы тяжести

Замечание 1

Сила тяжести является одним из случаев проявления действия гравитационных сил.

Силу тяжести представляют в виде такой силы, которая действует на тело со стороны планеты и придает ему ускорение свободного падения.

Свободное падение можно рассмотреть в виде $mg = G\frac{mM}{r^2}$, откуда получаем формулу ускорения свободного падения:

$g = G\frac{M}{r^2}$.

Формула определения силы тяжести будет выглядеть следующим образом:

${\overline{F}}_g = m\overline{g}$

Сила тяжести имеет определенный вектор распространения. Он всегда направлен вертикально вниз, то есть по направлению к центру планеты. На тело действует силы тяжести постоянно и это означает, что оно совершает свободное падение.

Траектория движения при действии силы тяжести зависит от:

• модуля начальной скорости объекта;
• направления скорости движения тела.

С этим физическим явлением человек сталкивается ежедневно.

Силу тяжести можно также представить в виде формулы $P = mg$. При ускорении свободного падения учитываются также дополнительные величины.

Если рассматривать закон всемирного тяготения, который сформулировал Исаак Ньютон, все тела обладают определенной массой. Они притягиваются друг к другу с силой. Ее назовут гравитационной силой.

$F = G\frac{m_1m_2}{r^2}$

Эта сила прямо пропорциональна произведению масс двух тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

$G = 6,7\cdot {10}^{-11}\ {H\cdot m^2}/{{kg}^2\ }$, где $G$ - это гравитационная постоянная и она имеет по международной системе измерений СИ постоянное значение.

Определение 1

Весом называют силу, с которой тело действует на поверхность планеты после возникновения силы тяжести.

В случаях, когда тело находится в состоянии покоя или равномерно движется по горизонтальной поверхности, тогда вес будет равен силе реакции опоры и совпадать по значению с величиной силы тяжести:

При равноускоренном движении вертикально вес будет отличаться от силы тяжести, исходя из вектора ускорения. При направлении вектора ускорения в противоположную сторону возникает состояние перегрузки. В случаях, когда тело вместе с опорой двигаются с ускорением $а = g$, тогда вес будет равен нулю. Состояние с нулевым весом называют невесомостью.

Напряженность поля тяготения высчитывается следующим образом:

$g = \frac{F}{m}$

Величина $F$ - сила тяготения, которая действует на материальную точку массой $m$.

Тело помещается в определенную точку поля.

Потенциальная энергия гравитационного взаимодействия двух материальных точек, имеющих массы $m_1$ и $m_2$, должны находиться на расстоянии $r$ друг от друга.

Потенциал поля тяготения можно найти по формуле:

$\varphi = \Pi / m$

Здесь $П$ - потенциальная энергия материальной точки с массой $m$. Она помещена в определенную точку поля.

Законы силы трения

Замечание 2

Сила трения возникает при движении и направлена против скольжения тела.

Статическая сила трения будет пропорциональна нормальной реакции. Статическая сила трения не лежит в зависимости от формы и размеров трущихся поверхностей. От материала тел, которые соприкасаются и порождают силу трения, зависит статический коэффициент трения. Однако законы трения нельзя назвать стабильными и точными, поскольку часто наблюдаются в результатах исследований различные отклонения.

Традиционное написание силы трения предполагает использование коэффициента трения ($\eta$), $N$ – сила нормального давления.

Также выделяют внешнее трение, силу трения качения, силу трения скольжения, вязкую силу трения и другие виды трения.

Закон силы упругости

Сила упругости равна жёсткости тела, которую помножили на величину деформации:

$F = k \cdot \Delta l$

В нашей классической формуле силы по поиску силы упругости главное место занимают величины жесткости тела ($k$) и деформации тела ($\Delta l$). Единицей измерения силы является ньютон (Н).

Подобная формула может описать самый простой случай деформации. Его принято называть законом Гука. Он гласит, что при попытке любым доступным способом деформировать тело, сила упругости будет стремиться вернуть форму объекта в первоначальный вид.

Для понимания и точного процесса описания физического явления вводят дополнительные понятия. Коэффициент упругости показывает зависимость от:

• свойств материала;
• размеров стержня.

В частности, выделяют зависимость от размеров стержня или площади поперечного сечения и длины. Тогда коэффициент упругости тела записывают в виде:

$k = \frac{ES}{L}$

В такой формуле величина $E$ является модулем упругости первого рода. Также ее называют модулем Юнга. Она отражает механические характеристики определенного материала.

При проведении расчётов прямых стержней применяется запись закона Гука в относительной форме:

$\Delta l = \frac{FL}{ES}$

Отмечается, что применение закона Гука будет носить эффективный характер только при относительно небольших деформациях. Если идет превышение уровня предела пропорциональности, то связь между деформациями и напряжениями становится нелинейной. Для некоторых сред закон Гука нельзя применять даже при небольших деформациях.