Сила — ключевое понятие механики, при помощи которого физики описывают взаимодействие тел.
Основная информация
Первое представление силы у школьников связано с мускульной силой человека. Однако в физике сила прежде всего связана со скоростью и ускорением тел. Если объект пребывает в состоянии покоя или перемещается без ускорения, то к нему не приложены никакие силы или действие этих сил скомпенсировано. Как только к телу прикладывается достаточная сила, оно начинает перемещаться.
Сила — векторная величина, которая является мерилом механического воздействия одного объекта на другой. Векторный характер силы демонстрирует, что в первую очередь она имеет направление и точку приложения. Модуль или значение силы иллюстрирует ее численную характеристику. В международной системе СИ все силы измеряются в ньютонах: 1 Н — это такая сила, которая каждую секунду измеряет скорость объекта массой 1 кг на 1 м/с.
В природе существует множество различных сил, из которых можно выделить основные, изучаемые в школьном курсе физики:
- сила тяжести, которая воздействует на все объекты на планете из-за гравитационного поля Земли;
- сила упругости, позволяющая телам сжиматься или растягиваться, что обусловлено фундаментальными силами молекулярного взаимодействия;
- сила трения, характеризующаяся сопротивлением поверхностей или воздуха движению тел;
- сила Архимеда, благодаря которой любые объекты всегда вытесняют некоторый объем при погружении их в жидкость или газ.
Очевидно, что на тело могут действовать сразу несколько различных сил.
Результирующая сила
Для корректного описания перемещения объектов в физике используют понятие равнодействующей или результирующей силы. Равнодействующая — это сила, которая своим действием эквивалента влиянию всех сил, приложенных к телу. Понятно, что равнодействующая представляет собой векторную сумму всех воздействующих на объект сил. При разнонаправленных векторах результирующая сумма может оказаться эквивалентной нулю. Вспомним знаменитую басню Крылова «Лебедь, рак и щука»: животные приложили силы таким образом, что равнодействующая стала равной нулю. А если к телу силы не приложены, оно остается в состоянии покоя. Поэтому воз и ныне там.
Законы Ньютона
Влияние сил на тела впервые описал Исаак Ньютон — один из величайших физиков и математиков всех времен. Он сформировал три закона или аксиомы механики, благодаря которым мы знаем принципы работы сил. Законы Ньютона использовались при описании многих научных вопросов, например, движение спутников, влияние Луны на приливы и отливы или расчет орбит комет. Они открыли связь между силой и ускорением, что позволило ученым того времени сконструировать паровой двигатель, а позднее — двигатель внутреннего сгорания.
В 20-м веке Альберт Эйнштейн добавил правки к законам Ньютона, которые касались движения тел со скоростями, близкими к скорости света. Современные научные открытия в области теории относительности, квантовой теории и физики элементарных частиц показали, что в условиях бесконечно больших и бесконечно малых тел законы Ньютона не работают. Именно поэтому современные формулировки отличаются от законов, которые сформулирован лично сэр Исаак.
Несмотря на то, что все законы связаны, наш калькулятор в большей степени посвящен второму закону Ньютона. Рассмотрим их.
Первый закон Ньютона
Итак, если на тело не воздействуют силы, оно либо покоится, либо движется прямолинейно и равномерно. Это историческая формулировка первой аксиомы механики, которая сегодня считается неверной. Все дело в том, что Ньютон рассматривал тела в абсолютно неподвижной системе отсчета, следовательно, говорил об абсолютных пространстве и времени. Сегодняшняя физика учитывает постулаты теории относительности, поэтому определение звучит несколько иначе: есть такие системы отсчета, в которых при отсутствии сил физические объекты пребывают в состоянии покоя. Подобные системы отсчета носят название инерциальных.
Существуют и неинерциальные системы отсчета, которые сами перемещаются с ускорением или поворачиваются относительно инерциальных систем. Также возможны сопутствующие системы, связанные с самим рассматриваемым телом и движущиеся вместе с ним. Естественно, что в таких системах классическая механика не применима. Интересно, что на Земле невозможна ситуация, когда на объекты не воздействует никакая сила: гравитационное поле планеты создает постоянную силу тяжести.
Второй закон Ньютона
Авторское определение этого закона звучит непонятно: изменение количества движения пропорционально движущей силе и сонаправлено с ней. Школьная формулировка второй аксиомы механики куда проще:
F = m × a,
или сила — это произведение массы физического объекта на его ускорение.
Если же рассмотреть современную формулировку второй аксиомы, то становится ясно, что в инерциальной системе отсчета материальная точка получает ускорение прямо пропорциональное действующим силам и обратно пропорциональное своей массе или:
a = F / m.
При этом важно уточнить, что масса физического объекта не изменяется во времени. Это уточнение необходимо для релятивистской механики, в которой при достижении скоростей, близких к скорости света, масса тела начинает изменяться.
Именно данный закон лежит в основе нашего калькулятора. Эта простая формула используется в большинстве задач по физике из курса «Механика». Но на повестке дня остался третий, последний закон Ньютона.
Третий закон Ньютона
Исторически закон звучит как «всякому действие существует противодействие». В современной физике такой закон не действует, и простыми словами постулат звучит так: силы возникают только попарно, и любая сила, воздействующая на тело, происходит от другого тела. Таким образом, сила — это всегда результат взаимодействия нескольких физических объектов. Не существует сил, которые возникают самостоятельно без взаимодействия тел.
Наша программа позволяет быстро определить силу, ускорение или массу тела, если известны два параметра из трех. Для использования калькулятора достаточно ввести любые два значения, после чего программа автоматически заполнит пустое поле. Калькулятор пригодится школьникам и студентам первых курсов, которые изучают механику.
Пример из реальной жизни
Школьная задача
Олимпиец толкает ядро массой 7,2 кг и придает ему ускорение 18 м/с². Какую силу он прикладывает в таких условиях? Это простая задача, для решения которой достаточно ввести значения в соответствующие ячейки. В результате получаем, что для обеспечения такого ускорения требуется приложить силу, равную 129,6 Н.
Заключение
Механика и законы Ньютона — важная тема, без которой не обходится ни один курс физики. Для проверки расчетов простых задачек на механику используйте наш калькулятор.
