Общая информация
Сила — это физическая величина, которая служит мерой взаимодействия тел и является причиной изменения скорости тел или частей тел.
Наблюдение. Если мы рассмотрим, например, взаимодействие руки с волейбольным мячом, мы скажем: «мяч действует с силой на руку или рука действует с силой на мяч».
Эксперимент. Повесьте яблоко на пружину (Рисунок 66).
Если пружину подвесить в форме двух яблок, она станет еще длиннее. Поэтому два яблока действуют на пружину с большей силой, чем одно.
Результат действия одного тела на другое зависит от величины приложенной силы.
Чем плотнее закрыта дверь, тем с большей силой нам приходится толкать или тянуть, чтобы открыть ее.
Чтобы дверь было легче открыть, ее ручка крепится как можно дальше от петель. Попробуйте открыть дверь, толкнув ее в точке, расположенной рядом с петлями. Вы увидите, что это гораздо сложнее, чем с ручкой. Результат действия одного тела на другое зависит от точки приложения силы.
Для достижения определенного результата действия, например, растяжения или сжатия пружины, закрытия или открытия двери, необходимо приложить силы в разных направлениях.
Действие одного тела на другое зависит от направления силы.
Графически сила изображается в виде отрезка прямой со стрелкой на конце (рис. 67).
Начало отрезка совпадает с точкой приложения силы. Длина отрезка на данной шкале равна величине силы. Стрелка показывает направление действия силы. Помимо числового значения, величины в пространстве также называют векторами.
Обозначение и единица измерения
У каждой физической величины есть символ и единица измерения. Как же обозначается сила в физике?
Это просто. Сила выражается латинской буквой F (кстати, сила — на английском языке) и измеряется в Ньютонах [H], в честь великого английского ученого сэра Исаака Ньютона.
Возможно, вы слышали легенду о Ньютоне: как он сидел под деревом и размышлял над законами физики, как яблоко упало ему на голову и дало начало его новым гипотезам….. Спешим развеять этот миф: на самом деле это не так. Исаак Ньютон действительно сделал открытия законов движения и всемирного тяготения, но ему не помогли яблоки!
Вернемся к единице силы. Интересно, что ньютоны не являются основной единицей международной системы СИ, а являются производной единицей.
1 Н = 1 кг — м/с2.
Это означает, что сила, равная одному ньютону, определяется как взаимодействие, которое изменяет скорость тела массой 1 кг на 1 м/с в направлении действия силы за 1 секунду.
Ньютоны можно добавлять с дробными и кратными префиксами, чтобы выразить значение как можно удобнее, не используя огромное количество нулей.
Таким образом, 1 кН = 1 000 Н; 1 гН = 100 Н; 1 мН = 0,001 Н.
Исторический аспект понятия силы
В древнем мире
Человечество впервые начало воспринимать понятие силы через непосредственный опыт перемещения тяжелых предметов. «Сила», «власть» и «работа» были синонимами (как в современном языке за пределами естественных наук). Перенос личных ощущений на объекты природы привел к антропоморфизму: все объекты, способные воздействовать на других (реки, камни, деревья), должны были быть живыми, живые существа должны были содержать ту же силу, которую ощущали.
С развитием человечества пришло обожествление власти, причем как египетские, так и месопотамские боги власти символизировали не только жестокость и силу, но и установление порядка во Вселенной. Всемогущий Бог Библии также несет ассоциации с властью в своих именах и эпитетах.
В античности
Когда греческие ученые начали размышлять о природе движения, понятие силы возникло как часть учения Гераклита о статике как равновесии противоположностей. Эмпедокл и Анаксагор пытались объяснить причины движения и придумали концепции, схожие с концепцией силы. По Анаксагору, «ум» движет внешнюю по отношению к нему материю. По Эмпедоклу, движение обусловлено борьбой двух начал, «любви» (phylia) и «вражды» (phobia), которые Платон рассматривал как притяжение и отталкивание. Это взаимодействие, согласно Платону, объяснялось в терминах четырех элементов (огонь, вода, земля и воздух): близкие вещи притягиваются друг к другу, земля к земле, вода к воде, огонь к огню. В древнегреческой науке каждый элемент также имел свое место в природе, которое он стремился занять. Так, например, гравитация объяснялась двумя способами: притяжением похожих вещей и усилием элементов занять свое место. В отличие от Платона, Аристотель последовательно придерживался второй позиции, которая откладывала концепцию общей гравитационной силы, объясняющей движение земных и небесных тел, до времен Ньютона.
Платон использовал термин «динамис» («возможность» движения) для обозначения понятия силы. Этот термин использовался в расширенном смысле, близком к современному понятию энергии: химические реакции, тепло и свет также представляли собой dynamis.
Аристотель рассматривал две различные силы: силу, присущую самому телу («природа», physis), и силу, с которой одно тело тянет или толкает другое (при этом тела должны вступать в контакт). Именно это понятие силы легло в основу аристотелевской механики, хотя дуализм сделал невозможным количественную оценку силы взаимодействия двух тел (поскольку вес был естественной силой, не связанной с взаимодействием, и поэтому не мог быть использован в качестве стандарта). В случае естественного движения (падения тяжелого тела или подъема легкого тела) Аристотель предложил формулу для скорости в терминах соотношения между плотностью движущегося тела A и среды, через которую происходит движение, B: v=A/B (очевидная проблема для случая равных плотностей была отмечена еще в шестом веке).
Изучением сил в конструкции простых механизмов занялись в 3 веке до нашей эры. Архимед рассматривал силы в статике чисто геометрически, поэтому его вклад в развитие понятия силы ничтожно мал.
Согласно их учению, силы были неразрывно связаны между двумя телами посредством «симпатии» на большом расстоянии или (для Посидония) посредством универсального напряжения, пронизывающего все пространство. Они пришли к этим выводам, наблюдая за приливами и отливами, где взаимодействие между луной, солнцем и водой в океане было трудно объяснить с аристотелевской позиции тесного действия (сам Аристотель считал, что солнце, заходящее в океан, вызывает ветры, приводящие к приливам и отливам).
В доклассической механике
Бэкон и Оккам вернули в науку идею действия на расстоянии.
Бэкон называл дальнодействующие силы видами (обычно этот специфический для Бэкона термин не переводится) и рассматривал их распространение в среде как цепь тесных взаимодействий. Такие силы, по мнению Бэкона, имели вполне телесную природу, а их ближайшим эквивалентом в современной физике является волна.
Оккам был первым, кто отверг аристотелевское описание взаимодействия как непосредственного контакта и провозгласил возможность взаимодействия, движущегося на расстоянии, приведя в качестве примера магниты.
Аристотелевская формула v=A/B также была пересмотрена. Уже в шестом веке Иоанн Филопон признал разность A-B в качестве правой стороны, которая, оставляя в стороне проблематичную ситуацию равных плотностей, позволила описать движение в вакууме. В 14 веке Брэдвардин предложил формулу v=log(A/B).
У Кеплера
Взгляды Кеплера на силу быстро менялись. Еще в 1600 году Кеплер считал силу свойством, подобным душе, которая направляет движение небесных тел. Однако уже к 1605 году Кеплер пришел к выводу, что гравитация — это не действие, а реакция; силы притяжения принадлежат материальному миру и являются предметом математического изучения. В 1607 году Кеплер пришел к выводу, что приливы и отливы вызваны гравитационной силой Луны на океанах. По словам М. Дженнера, Кеплер раньше Ньютона выдвинул идею единой теории тяготения, включающей и падающие тела, и движение Луны.
В классической механике
С появлением классической механики Бекман и Декарт сформулировали закон сохранения углового момента. После осознания этого факта, который похоронил аристотелевскую связь между силой и скоростью, ученые остались перед двумя выборами: определить силу как причину изменения скорости или отказаться от концепции силы как таковой. Сам Декарт впервые использовал понятие силы для объяснения ускоренного падения тела на землю, но со временем, пытаясь геометризировать физику, он пришел к выводу, что понятие силы является искусственным, и в 1629 году описал процесс свободного падения без упоминания «силы». С другой стороны, Галилей однозначно признал силу как причину увеличения скорости свободного падения.
У Ньютона
В трудах Ньютона понятие силы было тесно связано с гравитацией, поскольку интерпретация кеплеровских результатов о движении планет занимала все умы в то время. Впервые понятие силы (лат. vis) появляется в «Элементах» Ньютона в двух контекстах: «внутренняя сила» (лат.: vis insita), или ньютоновская сила инерции, и «приложенная сила» (лат.: vis impressa), отвечающая за изменение движения тела. Ньютон также отдельно выделял центростремительную силу (которой он приписывал гравитацию) с несколькими вариациями: абсолютная сила (похожая на современное гравитационное поле), ускоряющая сила (действие гравитации на единицу массы, современное ускорение) и движущая сила (произведение массы на ускорение). Ньютон не дает общего определения силы. Как отмечает М. Дженнер, второй закон Ньютона не является определением силы самим автором закона (который четко отличал определения от закона), сила у Ньютона — это уже существующее понятие, интуитивно эквивалентное мускульной силе.
Современность
Конец 20-го века характеризовался дебатами о том, нужна ли сила в науке и существует ли сила в принципе — или это просто термин, введенный для удобства.
Бигелоу и др. в 1988 году утверждали, что силы, по сути, определяют причинно-следственные связи и поэтому не могут быть отброшены. М. Джаммер утверждал, что в Стандартной модели и других физических теориях сила рассматривается только как обмен импульсами, поэтому понятие силы сводится к более простому «взаимодействию» между частицами. Это взаимодействие описывается в терминах обмена дополнительными частицами (фотонами, глюонами, бозонами и, возможно, гравитонами). Геммер дает следующее упрощенное объяснение: два фигуриста скользят по льду рука об руку, оба держат в руках мяч. Быстрый и одновременный обмен шариками приведет к отталкивающему взаимодействию.
Штееннер отмечает, что принцип Эйнштейна об эквивалентности гравитационных и инерционных сил по существу уничтожает понятие силы; в общей теории относительности внешние силы (F из уравнения F=ma) отсутствуют.
Ньютоновская механика
Исаак Ньютон поставил перед собой задачу описать движение объектов, используя понятия инерции и силы. При этом он также установил, что все механические движения подчиняются общему закону сохранения. В 1687 году Ньютон опубликовал свой знаменитый труд «Математические начала натуральной философии», в котором он изложил три фундаментальных закона классической механики (знаменитые законы Ньютона).
Первый закон Ньютона
Первый закон Ньютона гласит, что существуют системы отсчета, в которых тела сохраняют состояние покоя или прямолинейного движения при отсутствии взаимодействий на них других тел или при взаимной компенсации этих взаимодействий. Такие системы отсчета называются инерциальными системами отсчета. Ньютон предположил, что каждый массивный объект имеет определенный запас инерции, который характеризует «естественное состояние» движения этого объекта. Эта идея отрицает точку зрения Аристотеля, который считал покой «естественным состоянием» объекта. Первый закон Ньютона противоречит аристотелевской физике, одним из постулатов которой является утверждение, что тело может двигаться с постоянной скоростью только под действием силы. Тот факт, что в ньютоновской механике покой физически неотличим от равномерного прямолинейного движения в инерциальных системах отсчета, лежит в основе принципа относительности Галилея. Среди совокупности тел практически невозможно определить, какие тела находятся «в движении», а какие «в покое». Мы можем говорить о движении только по отношению к какой-либо системе отсчета. Законы механики одинаково выполняются во всех инерциальных системах отсчета, другими словами, все они механически эквивалентны. Последнее следует из так называемых галилеевых преобразований.
Прямолинейное движение, равномерно ускоренное в одной инерциальной системе, в общем случае будет параболическим в другой равномерно движущейся инерциальной системе отсчета.
Например, законы механики абсолютно одинаковы в кузове грузовика, когда он движется по прямому участку дороги с постоянной скоростью и когда он неподвижен. Человек может подбросить мяч вертикально вверх и поймать его через определенное время в том же месте, независимо от того, движется ли грузовик равномерно и прямолинейно или находится в состоянии покоя. Для него мяч летит по прямой линии. Однако для стороннего наблюдателя, находящегося на земле, траектория мяча выглядит как парабола. Это связано с тем, что мяч относительно земли движется не только вертикально, но и горизонтально во время полета по инерции в сторону грузовика. Для человека в кузове грузовика нет разницы, движется ли грузовик по дороге или окружающий мир движется с постоянной скоростью в противоположном направлении, а грузовик неподвижен. Таким образом, состояния покоя и равномерного прямолинейного движения физически неотличимы друг от друга.
Второй закон Ньютона
Считается, что это «вторая самая известная формула в физике», хотя сам Ньютон никогда не записывал свой второй закон в такой форме. Эта форма закона впервые встречается в трудах С. McLaren и L. Эйлер.
Поскольку в любой инерциальной системе отсчета ускорение тела одинаково и не меняется при переходе из одной системы отсчета в другую, сила инвариантна к такому переходу.
Во всех природных явлениях сила, какого бы происхождения она ни была, проявляется только в механическом смысле, то есть как причина нарушения равномерного и прямолинейного движения тела в инерциальной системе отсчета. Обратное утверждение, т.е. установление факта такого движения, не доказывает отсутствие сил, действующих на тело, а лишь то, что действия этих сил уравновешивают друг друга. Другими словами: их векторная сумма — это вектор с модулем, равным нулю. Это основа для измерения величины силы, когда она компенсируется силой, величина которой известна.
Второй закон Ньютона позволяет нам измерить величину силы. Например, зная массу планеты и ее центростремительное ускорение при движении по орбите, можно рассчитать гравитационное притяжение, действующее на планету со стороны Солнца.
Третий закон Ньютона
Для любых двух тел (назовем их тело 1 и тело 2) третий закон Ньютона гласит, что действие силы тела 1 на тело 2 сопровождается появлением равной по модулю, но противоположной по направлению силы, действующей на тело 1 со стороны тела 2.
Этот закон означает, что силы всегда возникают в парах действие-бездействие. Если тело 1 и тело 2 находятся в одной системе, то общая сила в системе, обусловленная взаимодействием этих тел, равна нулю.
Это означает, что в закрытой системе нет неуравновешенных внутренних сил. Это приводит к тому, что центр масс замкнутой системы (т.е. системы, на которую не действуют внешние силы) не может двигаться с ускорением. Отдельные части системы могут ускоряться, но только так, чтобы система в целом оставалась в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Однако, если на систему действуют внешние силы, ее центр масс начнет двигаться с ускорением, пропорциональным внешней результирующей силе и обратно пропорциональным массе системы.
Основные силы
Гравитационная сила
G — универсальная гравитационная постоянная, которая различна для разных астрономических тел.
Тип: бесконтактная сила.
Гравитационная сила — это то, что притягивает два объекта с массой. Она действует на каждый объект, включая вас, во Вселенной.
Величина гравитационной силы, которую объекты оказывают друг на друга, «прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними». Чем массивнее объекты и чем меньше расстояние между ними, тем больше сила.
Это самая слабая из четырех фундаментальных сил, существующих в природе.
Хотя гравитационная сила не оказывает существенного влияния на субатомном масштабе, она является доминирующим влиянием на макроскопическом масштабе и существенно влияет на формирование, структуру и траекторию движения небесных тел.
Пример: гравитация заставляет яблоко падать с дерева; она заставляет Луну вращаться вокруг Земли; она удерживает газы на Солнце.
Сильная ядерная сила
Протоны и нейтроны удерживаются вместе благодаря сильному ядерному взаимодействию.
Тип: бесконтактная сила.
В ядерной физике и физике частиц сильное ядерное взаимодействие отвечает за структурную целостность атомных ядер. Поскольку все протоны имеют положительный заряд, они отталкиваются друг от друга. Сильное ядерное взаимодействие удерживает эти отталкивающиеся протоны вместе, чтобы они могли образовать атомное ядро.
Около 99% массы нейтрона или протона приходится на энергию силового поля.
Это самая мощная сила в природе, действующая на расстоянии 1 фемтометра (10-15 м). Она почти в 137 раз сильнее электромагнетизма и в 100 миллиардов (10,38) раз сильнее гравитации.
Пример: Сильная ядерная сила связывает кварки с адронными частицами, такими как протон и нейтрон, образуя атомное ядро. Это связующая сила обычной материи.
В более крупных масштабах он используется на атомных электростанциях для выработки тепла, которое используется для производства электроэнергии. Она также ответственна за огромную разрушительную силу ядерного оружия. Благодаря этой силе ядерное оружие выделяет огромное количество энергии при детонации.
Электромагнитная сила
Тип: бесконтактная сила.
Это тип взаимодействия, возникающий между электрически заряженными частицами. Электромагнитные поля (созданные движущимися электрическими зарядами) передают электромагнитную силу.
Электричество и магнетизм связаны между собой: текущие электроны создают магнетизм, а движущиеся магниты генерируют электричество. Взаимосвязь между этими двумя явлениями была очень хорошо объяснена Джеймсом Клерком Максвеллом и количественно определена в его работе.
Пример: Наиболее распространенным примером электромагнетизма является свет, поскольку он распространяется (излучается) через пространство, перенося энергию электромагнитного излучения.
Следующим наиболее распространенным примером являются силы, действующие между электрически заряженными атомными ядрами и электронами атомов.
Слабая ядерная сила
Радиоактивный распад частицы.
Тип: бесконтактная сила.
В ядерной физике слабое ядерное взаимодействие относится к взаимодействию между субатомными частицами, которое вызывает радиоактивный распад атомов. Более конкретно, он отвечает за распад некоторых нуклонов на лептоны и другие типы адронов.
Напряженность его поля примерно в 10-13 раз меньше напряженности сильных ядерных сил. Тем не менее, на малых расстояниях она намного сильнее гравитационной силы.
Пример: Наиболее известным эффектом слабых сил является бета-распад (нейтронный) и связанная с ним радиоактивность. Она происходит в нескольких различных реакциях, включая солнечное горение и радиоуглеродное датирование.
Это четыре фундаментальные (неконтактные) силы, из которых вытекает все остальное. Они заставляют звезды гореть, а планеты вращаться. Без них Вселенная, какой мы ее знаем, не существовала бы, и даже если бы она существовала, это было бы совсем другое место.
Перейдем к рассмотрению нефундаментальных сил, которые возникают в результате прямого физического взаимодействия между двумя объектами.
Производные виды сил
Эти типы сил являются феноменологическими по своей природе и определяются с помощью теории определяющих отношений.
Сила упругости — это сила сопротивления упругого тела внешней нагрузке. Это макроскопический отклик межмолекулярного электромагнитного взаимодействия материала тела. Она уменьшается при нарушении микроструктуры тела — при возникновении остаточной деформации тела. Она направлена против внешней силы.
Сила трения — это сила сопротивления относительному движению соприкасающихся поверхностей тела. Она зависит от шероховатости и электромагнитной природы материалов контактирующих поверхностей. Сила трения чистых «зеркальных» поверхностей является макроскопическим проявлением их межмолекулярного взаимодействия. Вектор силы трения противоположен вектору относительной скорости.
Сила сопротивления среды — это сила, возникающая при движении твердого тела в жидкой или газообразной среде. Это диссипативная сила. Сила сопротивления имеет электромагнитную природу, являясь макроскопическим проявлением межчастичного взаимодействия. Вектор силы сопротивления противоположен вектору скорости.
Нормальная сила реакции опоры — это упругая сила, действующая со стороны опоры и противодействующая внешней нагрузке.
Силы поверхностного натяжения — это силы, возникающие на границе раздела фаз. Она имеет электромагнитную природу, являясь макроскопическим проявлением межмолекулярных взаимодействий. Сила натяжения направлена по касательной к границе раздела; она возникает из-за некомпенсированного притяжения молекул на границе раздела молекулами, не находящимися на границе раздела.
Силы Ван-дер-Ваальса — электромагнитные межмолекулярные силы, возникающие при поляризации молекул и образовании диполей. Силы Ван-дер-Ваальса быстро уменьшаются с увеличением расстояния.
Нормальная сила
Тип: сила давления.
Когда две поверхности соприкасаются друг с другом, они оказывают друг на друга нормальное усилие. Термин «нормаль» относится к перпендикуляру. Это означает, что сила направлена перпендикулярно двум соприкасающимся поверхностям.
Пример: Когда ноутбук стоит на столе, нормальная сила удерживает его от падения через стол. Гравитационная сила Земли тянет ноутбук вниз, но поскольку на самом деле он не падает, должна существовать сила, постоянно толкающая его вверх. Такая сила называется нормальной силой.
Это происходит благодаря электромагнитной силе: электроны ноутбука давят на электроны стола. Поскольку все электроны заряжены отрицательно, они не приближаются друг к другу, и ноутбук опирается на столешницу.
Прикладная сила
Тип: сила давления.
Как следует из названия, это сила, которую вы прикладываете к объекту. Объект начинает двигаться, когда величина силы преодолевает инерцию объекта.
Тело находится в состоянии покоя или равномерного движения по прямой линии, если на него не действует внешняя сила, которая изменяет состояние движения и направление тела. Ускорение тела прямо пропорционально приложенной силе.
Пример: Сила, приложенная к коробке человеком.
Сила упругости
Сила упругости — это сила, возникающая в теле в результате его деформации и стремящаяся вернуть тело в исходное положение.
Вы, вероятно, не задумывались о том, где и в каких объектах проявляется сила упругости. На самом деле, таких вещей довольно много. Это и простейшие пружинные весы (безмен), используемые для взвешивания продуктов, и резинки для волос, различные резинки и ремешки, специальные ленты для фитнеса и многое другое.
Самый простой и доступный пример упругости — это деформация обычной пружины!
Возьмите пружину, сожмите ее, а затем уберите пальцы. Когда вы отпускаете ее, пружина стремится вернуться к своей первоначальной форме. Поэтому при деформации пружины возникает сила упругости, проявление которой можно наблюдать.
Рассмотрим интересный пример проявления силы упругости во время прыжка на тарзанке.
Какая сила растягивает веревку во время прыжка?
Как только человек совершает прыжок, канат начинает падать под действием силы тяжести. Под весом прыгуна канат растягивается, а затем стремится вернуться в исходное положение, т.е. прыгун движется вверх и вниз.
Тип: Сила тяги.
Сила пружины — это сила, оказываемая натянутой или сжатой струной на прикрепленный к ней объект.
Способность пружины сопротивляться деформирующему воздействию и возвращаться в исходное состояние после снятия воздействия зависит от материала, количества витков и диаметра проволоки, образующей витки. Как правило, эти характеристики количественно выражаются в параметре, называемом пружинной постоянной «k».
Для всех пружин, подчиняющихся закону Гука, величина силы прямо пропорциональна постоянной пружины (k) и длине сжатия/растяжения (x).
Пример: автомобильные амортизаторы состоят из пружин. Их функция заключается в поглощении ударных импульсов путем преобразования кинетической энергии удара в другую форму энергии (например, тепло), которая затем рассеивается.
Сила трения
Тип: сила давления.
Поверхностная сила, противодействующая относительному движению тела, называется силой трения. Поскольку в реальном мире ни один объект не является идеально гладким, между двумя поверхностями всегда существует некоторое трение. Его величина пропорциональна коэффициенту трения материала поверхности.
Два основных типа сил трения — статические (трение о неподвижный объект) и кинетические (трение о движущийся объект). Сопротивление воздуха — это также сила трения, действующая на объекты при их движении по воздуху.
Она всегда действует в направлении, противоположном движению, и преобразует кинетическую энергию в тепловую (работу в тепло). В целом, трение — это критическая и желательная сила, которая обеспечивает сцепление с поверхностью для облегчения передвижения по местности.
Пример: Примерами трения являются скольжение подставки по столу, скольжение двух карт в колоде друг о друга, а также трение рук друг о друга для получения тепла.
Вы когда-нибудь видели, как кто-то случайно соскальзывает со стула и падает на пол? Ну, потому что представьте, что мы постоянно падаем со стульев и кроватей, а предметы не могут оставаться на месте и выскальзывают из наших рук…..
К счастью, благодаря силе трения этого не происходит. Если бы не было трения, все предметы не могли бы оставаться на поверхности, а постоянно скатывались бы на землю.
Трение — это сила, возникающая при движении одного тела по поверхности другого.
На льду трение между подошвой обуви и льдом очень мало, поэтому мы не можем ходить по льду, как по земле: наши ноги скользят. Чтобы улучшить сцепление обуви с поверхностью, лед посыпают песком.
Одной из причин трения является шероховатость поверхностей соприкасающихся тел. И чем больше шероховатость, тем больше сила трения.
Существует несколько видов трения, наиболее важными из которых являются трение скольжения, качения и скольжения.
Сила натяжения
Тип: Растягивающая сила.
Растягивающая сила обычно передается через проволоку, кабель, шнур или веревку, когда она сильно растягивается под действием сил, действующих на противоположных концах. Сила направлена вдоль длины проволоки.
Натяжение можно также определить как действие-реакцию пары сил, действующих на каждом конце троса. Это противоположность сжатию.
Пример: веревка, тянущая ящик, или ящик, висящий на веревке, будут отличным примером натяжения (в веревке).
Центростремительная сила
Тип: бесконтактная сила.
Центростремительная сила действует на объекты, ускоряющиеся при круговом движении. Это сила, которая заставляет объект двигаться по кривой траектории.
Направление этой силы всегда направлено в фиксированную точку в мгновенном центре кривизны пути и ортогонально движению объекта.
Пример: Два наиболее распространенных примера центростремительной силы — это вращение автомобиля и вращение Земли вокруг Солнца. В первом случае центростремительная сила обеспечивается трением между колесами и землей, а во втором — силой тяжести.
Сила тока
Ток — это скалярная величина, равная отношению заряда q, протекающего через поперечное сечение проводника, к длительности времени t, в течение которого этот ток протекал.
Заряженные частицы движутся по проводнику. В случае металлов движение электронов является обычным явлением. Во время этого движения часть заряда смещается. С увеличением числа заряженных частиц увеличивается скорость их движения и количество заряда, переносимого ими за определенный промежуток времени. Ток в цепи определяет электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за 1 секунду. Сила тока рассчитывается по формуле:
I = qt,Ą(I = qt,Ą).
где Ą — ток, Ą — заряд и Ą — время.
Ток, согласно стандартной системе измерения, выражается в амперах (A).
В 1948 году было предложено определить единицу тока по явлению взаимодействия двух проводников с током:
- Если ток течет по двум проводникам, расположенным параллельно в одном направлении, между ними возникает притяжение;
- Если ток течет через одинаковые проводники, но в противоположных направлениях, они будут отталкиваться друг от друга.
Единицей измерения тока является 1A. Эта сила действует на два параллельных проводника в вакууме длиной 1 метр и на расстоянии 1 метр друг от друга.
Единица силы тока названа в честь французского ученого А.М. Ампера. Исследователь определил электростатику, электродинамику, соленоид, напряжение
Сила инерции
Инерционная сила — это сила, возникающая в неинерциальных системах отсчета. Введение инерционных сил призвано придать уравнениям движения тел в неинерциальных системах отсчета ту же форму, которую уравнение второго закона Ньютона имеет в инерциальных системах. Во многих случаях такой подход помогает сделать рассмотрение движения более удобным и прозрачным, а решение соответствующих задач более простым.
В частности, в системе отсчета, связанной с равноускоренным телом, сила инерции направлена противоположно ускорению. Из общей силы инерции, которая является суммой транспортной силы Кориолиса, для удобства можно выделить центробежную силу и силу Кориолиса.
Инерционные силы принципиально отличаются от всех других сил тем, что они не соответствуют какому-либо реальному взаимодействию тел. В этом случае, в силу равенства инерционной и гравитационной масс, согласно Принципу эквивалентности гравитационных и инерционных сил, локально невозможно различить, какая сила действует на рассматриваемое тело — гравитационная или инерционная[источник не указан 3296 дней].
Использование термина «инерционная сила» в элементарной физике не рекомендуется[источник не указан 615 дней], поскольку по умолчанию все уравнения движения в элементарной физике описывают движение относительно инерциальных систем отсчета, а термин «сила» всегда связан с действием какого-то внешнего объекта и не может существовать сам по себе. Указание силы, действующей на тело, на диаграмме сил оценивается в начальных курсах физики как ошибка.
Тип: бесконтактная сила.
Инерционные силы (также известные как силы инерции) — это очевидные силы, действующие на массы, движение которых описывается неинерциальной системой отсчета, включая вращающуюся систему отсчета.
Это происходит, когда система отсчета начинает ускоряться. Термин «инерционная сила» имеет точное значение в ньютоновской механике — фактически, она всегда пропорциональна массе объекта, на который она действует.
Пример: силы, которые вы испытываете в движущемся автомобиле, являются повседневными примерами инерционных сил. Когда автомобиль ускоряется вперед, он вдавливает вас в сиденье. Когда автомобиль делает резкие повороты, вас бросает из стороны в сторону. Эти эффекты возникают потому, что естественная система отсчета ситуации ускоряет себя.
Равнодействующая сила
При вычислении ускорения тела все действующие на него силы заменяются одной силой, называемой эквипотенциальной. Это геометрическая сумма всех сил, действующих на тело. Каждая сила не зависит от других, т.е. каждая сила придает телу такое ускорение, какое она придавала бы телу в отсутствие других сил. Это утверждение называется принципом независимого действия сил (принцип суперпозиции).
По конкретным параметрам
Объем
Сила, действующая на все частицы тела, например, магнитные или гравитационные силы.
Поверхность
Они действуют только на поверхности тела. Они делятся на распределенные (вес балки) и точечные силы (когда блок подвешен).
Контакт
Тело, прикладывающее силу, вступает в непосредственный контакт. Например, машина, которая толкает предмет мебели.
Динамический
Сила, действующая на объект, резко изменяется, как при толчках или землетрясениях.
Статический
Направление и интенсивность силы изменяются незначительно, например, вес снега или дома.
На все ли тела действуют силы?
Смотря какой. Думаем, для вас не секрет, что все тела состоят из частиц и атомов. На этом уровне между частицами действуют притягательные и отталкивающие силы, и от них никуда не деться. Если бы не было сил притяжения, частицы разлетались бы друг от друга и не могли бы образовывать тела. Уберите силы отталкивания, и все частицы слипнутся в один большой комок.
Гравитация действует на все тела в пределах планеты Земля. Вот почему все предметы, которые вы подбрасываете в воздух, устремляются вниз, а не вверх. Когда мы отправимся в космос, мы будем находиться в состоянии невесомости: сила земного притяжения не будет действовать на нас. Но не радуйтесь свободе! Во-первых, на космический корабль будет действовать аэродинамическая сила, а во-вторых, мы легко можем попасть в зависимость от гравитационной силы другой планеты, когда приблизимся к ней.
Некоторые силы возникают только при определенных условиях. Возьмите любой объект и начните его деформировать, растягивать или сжимать, при этом возникает сила упругости. Если погрузить тело в жидкость, то возникнет сила Архимеда. Если мы начнем катить его по дороге, то его движению будет препятствовать сила трения качения.
