Що таке сила у фізиці? Поняття і формули сили

Всі навколишні нас процеси відбуваються в результаті дії тієї чи іншої фізичної сили. З її проявом людина зустрічається всюди, починаючи з того, що йому доводиться прикладати силу, щоб встати вранці з ліжка, і закінчуючи рухами масивних космічних об’єктів. Дана стаття присвячена питанням, що таке сила у фізиці, і які її види існують.

Поняття про силу

Питання, що таке сила у фізиці, почнемо розглядати з її визначення. Під нею вважають величину, здатну змінювати кількість руху даного тіла. Математичне вираження для цього визначення виглядає так:

Тут dp – це зміна кількості руху (інакше його називають імпульсом), dt – проміжок часу, за який воно змінюється. Звідси видно, що F (сила) є вектором, тобто для її визначення необхідно знати, як модуль (абсолютне значення), так і напрямок її застосування.

Як відомо, імпульс вимірюється в кг*м/с. Це означає, що F обчислюється в кг*м/с2. Ця одиниця виміру отримала назву ньютона (Н) у СІ. Оскільки одиниця м/с2 – це міра вимірювання лінійного прискорення в класичній механіці, то з визначення сили автоматично слід 2-й закон Ісаака Ньютона:

У такий формулою a = dv/dt – прискорення.

Ця формула сили фізики показує, що в ньютонівської механіці величина F характеризується прискоренням, яке вона може повідомити тіла з масою m.

§ 16. Сила

ВЗАЄМОДІЯ ТІЛ. Якщо на тіло не діють інші тіла, воно зберігає свою швидкість сталою. Відповідно, щоб тіло змінило свою швидкість, необхідний вплив іншого тіла.

До того ж практичний досвід підтверджує, що вплив одного тіла на інше не може бути одностороннім — обидва тіла діють одне на одне, як кажуть, — взаємодіють.

Дію тіл одне на одне називають взаємодією тіл.

Усі тіла так чи інакше пов’язані між собою і діють одне на одне або безпосередньо (під час контакту одне з одним), або через різні поля.

Розглянемо випадки взаємодії тіл (мал. 98, а, б).

Мал. 98. Приклади взаємодії тіл

Штовхаючи дитячий візок (мал. 98, а), його приводять у рух. У цьому разі швидкість руху дитячого візка змінюється під дією натиску руки людини.

Якщо на легкорухомі візочки покласти магніти, то їх взаємне притягання зумовить рух візочків один до одного (мал. 98, б). Це приклад взаємодії тіл через магнітне поле.

Під дією руки на кульку (мал. 99, а) пружина стискається, тобто спочатку кінець її приходить у рух, а потім рух передається іншим частинам пружини. Якщо відпустити кульку, то стиснута пружина, розпрямляючись, приводить у рух кульку у зворотному напрямі (мал. 99, б). Спочатку діючим на кульку тілом була рука людини, потім діючим тілом стала пружина.

Мал. 99. Рух кульки

СИЛА. У фізиці часто не зазначають, яке тіло і як саме діє на дане тіло, а говорять, що на тіло діє сила, або до тіла прикладена сила.

Слово «сила» вам добре відоме, і використовуєте ви його досить часто: сила м’язів, сила вітру, сила-силенна знайомих, сильний характер, сильний духом.

Фізичний термін «сила» означає фізичну величину, яка характеризує інтенсивність взаємодії між тілами.

Сила — фізична величина, яка характеризує взаємодію тіл.

Уперше поняття сили у фізиці використав Ньютон. Описуючи механічний рух, він розрізняв випадки руху за інерцією, коли на тіло не діють сторонні сили (або дія сил скомпенсована), і випадки, коли тіло змінювало свою швидкість унаслідок дії сили.

Отже, можна стверджувати, що результатом дії сили є зміна швидкості руху тіла (або за значенням, або за напрямом, або разом за значенням і напрямом).

Але сила, що діє на тіло, може не лише змінювати швидкість руху тіла, а й змінювати взаємне розташування частин цього тіла. Наприклад, під дією сили відбувається стискання пружини (див. мал. 99), згин пружного стального стержня та інші зміни форми й розмірів тіла. У такому разі говорять, що тіло деформується.

Деформація — будь-які зміни форми й розмірів тіла.

Отже, ще одним результатом дії сили на тіло є його деформація.

У кожен момент часу сила, що діє на тіло, характеризується модулем і напрямом у просторі. Наприклад, щоб зрушити шафу, її можна штовхати або тягнути (мал. 100). Прикладена сила за значенням в обох випадках однакова (сила м’язів людини), а результат дії сили різний: шафа переміщується в різних напрямах.

Мал. 100. Напрям дії сили

На відміну від векторних величин, з якими ви ознайомились (переміщення, швидкість), сила, окрім значення і напряму, характеризується точкою прикладання. Що це означає?

Розглянемо приклад. Якщо рухати книжку по столу (мал. 101), то результат цієї дії залежить від того, до якого місця книжки прикладена сила. Не зважаючи на те, що значення і напрямок сили однакові, — результат різний: у першому випадку книжка рухається поступально, у другому — обертається.

Мал. 101. Результат дії сили залежить від місця її прикладання

Мал. 102. Дія сили не змінюється, якщо точку прикладання переносити вздовж лінії дії сили

ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ

Під взаємодією в механіці розуміють ті дії тіл одне на одне, результатом яких є зміна руху цих тіл або їх деформація.

Сила — фізична величина, яка характеризує взаємодію.

Результат дії сили на тіло залежить від її модуля, напряму і точки прикладання.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ КОНТРОЛЮ ЗНАНЬ

Дайте відповідь на запитання

• 1. Що є наслідком механічної взаємодії тіл?
• 2. Що характеризує механічну взаємодію тіл?
• 3. Що таке сила? Які її основні характеристики?

• 1. Пташка, яка сиділа на гілці, спурхнула і полетіла вгору. Куди, у який момент і чому відхилилася гілка?

Одиниці сили: Ньютон

Всі ми звикли в житті вживати слово сила в порівняльній характеристиці, кажучи чоловіки сильніше жінок, трактор сильніше автомобіля, лев сильніше антилопи.

Сила у фізиці визначається як міра зміни швидкості тіла, яке відбувається при взаємодії тел. Якщо сила є мірою, і ми можемо порівнювати додаток різної сили, значить, це фізична величина, яку можна виміряти. У яких одиницях вимірюється сила?

Одиниці виміру сили
На честь англійського фізика Ісаака Ньютона, пройшла величезну дослідження в природі існування і використання різних видів сили, за одиницю виміру сили у фізиці прийнятий 1 ньютон (1 Н). Що ж таке сила в 1 Н? У фізиці не вибирають одиниці виміру просто так, а роблять спеціальне узгодження з тими одиницями, які вже прийняті.

Ми знаємо з досвіду і експериментів, що якщо тіло спочиває і на нього діє сила, то тіло під дією цієї сили змінює свою швидкість. Відповідно, для вимірювання сили вибирали одиницю, яка буде характеризувати зміна швидкості тіла. І не забуваємо, що є ще й маса тіла, так як відомо, що з однаковою силою вплив на різні предмети буде різна. М’яч ми можемо кинути далеко, а от булижник відлетить на набагато меншу відстань. Тобто, врахувавши всі фактори, приходимо до визначення, що сила в 1 Н буде прикладена до тіла, якщо тіло масою 1 кг під впливом цієї сили змінює свою швидкість на 1 м/с за 1 секунду.

Одиниця виміру сили тяжіння
Також нас цікавить одиниця виміру сили тяжіння. Так як ми знаємо, що Земля притягує до себе всі тіла на її поверхні, значить, існує сила тяжіння і її можна виміряти. І знову-таки, ми знаємо, що сила тяжіння залежить від маси тіла. Чим більше маса тіла, тим сильніше Земля його притягує. Експериментально встановлено, що сила тяжіння, що діє на тіло масою 102 грами – це 1 Н. А 102 грами – це приблизно одна десята кілограма. А якщо бути більш точним, то якщо 1 кг розділити на 9,8 частин, то ми якраз і отримаємо приблизно 102 грами.

Якщо на тіло масою 102 грама діє сила 1 Н, то на тіло масою 1 кг діє сила 9,8 Н. Прискорення вільного падіння позначають буквою g. І g одно 9,8 Н/кг. Це сила, яка діє на тіло масою 1 кг, прискорюючи його щосекунди на 1 м/с. Виходить, що тіло, падаюче з великої висоти, за час польоту набирає дуже велику швидкість. Чому ж тоді сніжинки і дощові краплі падають досить спокійно? В них дуже маленька маса, і тягне їх до себе земля дуже слабо. А опір повітря для них досить велике, тому вони летять до Землі з не дуже великий, досить однаковою швидкістю. А ось метеорити, наприклад, при підльоті до Землі набирають дуже високу швидкість і при приземленні, утворюється пристойний вибух, який залежить від величини і маси метеорита відповідно.