"Физика", Андрюшечкин С.М.
Сила — физическая величина, которая описывает, как тела взаимодействуют друг с другом. Толчок может изменить скорость тележки, а растяжение — удлинить пружину: так проявляется действие силы. Чтобы полностью задать силу, нужно указать её значение, направление и тело, на которое она действует. Силу обозначают буквой F, измеряют в ньютонах и находят с помощью динамометра. Понимание силы помогает объяснять движение тел и их деформацию.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Сила — физическая величина, характеризующая действие одного тела на другое. Такое действие может изменить скорость тела или вызвать его деформацию — изменение формы либо размера. Например, удар способен привести неподвижный мяч в движение, а нажатие — сжать губку. Понятие силы помогает описывать взаимодействия не только словами, но и измеряемой величиной.
Силу обозначают латинской буквой F. Сила является векторной величиной: для её задания нужны числовое значение и направление, а также указание тела, на которое она действует. Значение показывает, насколько сильное действие мы описываем, а направление — куда оно направлено. Без этих сведений описание силы будет неполным.
Единица силы — ньютон, сокращённо Н. Название дано в честь английского учёного Исаака Ньютона. Значение силы записывают, например, так: 4 Н; единица позволяет сравнивать результаты измерений и указывать их одинаковым способом. Ньютон нельзя путать с килограммом: килограмм является единицей массы.
Динамометр — прибор для измерения силы. Его действие основано на изменении длины упругой части, обычно пружины: под действием силы пружина растягивается, а после снятия нагрузки стремится принять прежнюю форму. Чем больше сила, тем больше удлинение в пределах шкалы прибора. Поэтому показание можно определить по отметкам на шкале.
Действие силы заметно по тому, что происходит с телом: оно может начать двигаться, ускориться, замедлиться, изменить направление или форму. Это связано с взаимодействием тел, а не с тем, что сила является самим движением. Например, неподвижная тележка покоится, пока её не толкнут, а мяч меняет форму при ударе о стену. При этом по одному результату нельзя всегда однозначно определить силу: одинаковую скорость можно получить при разных способах разгона, а деформация зависит ещё и от свойств тела.
Сила возникает при взаимодействии: тело не действует на другое само по себе, без контакта или другого способа воздействия. Если магнит притягивает скрепку, то скрепка тоже действует на магнит; если рука толкает стену, стена действует на руку. Это взаимное действие помогает объяснить, почему при взаимодействии нельзя считать активным только одно тело. При этом изменения у тел могут быть разными: массивная стена почти не сдвинется, но руку может ощутимо оттолкнуть.
Значение и направление вместе описывают силу как вектор. На рисунке её изображают направленным отрезком: начало стрелки связывают с телом и местом приложения, а остриё показывает направление. Длину отрезка выбирают по масштабу, например 1 см может соответствовать 2 Н. Тогда стрелка длиной 3 см изображает силу 6 Н; без указанного масштаба её длина сама по себе не сообщает числового значения.
Одинаковые по значению силы могут дать разные результаты, если отличаются их направление или точка приложения. Толкнув дверь ближе к ручке, её легче повернуть, чем приложив такое же усилие возле петель: точка приложения меняет действие силы. А если толкать тележку в сторону, отличную от направления её движения, меняется не только скорость, но и траектория. Поэтому одного числа недостаточно, чтобы предсказать результат действия силы.
В простейшем динамометре сила растягивает пружину, соединённую с указателем. Удлинение пружины связано с действующей силой: при большей силе пружина растягивается сильнее, если прибор используют в допустимых пределах. Шкалу размечают так, чтобы указатель показывал значение силы в ньютонах. Для измерения нужно закрепить прибор, приложить силу вдоль его оси и считать положение указателя, не выходя за предел шкалы.
| Что сравниваем | Обозначение или правило | Что это означает |
|---|---|---|
| Сила | F | Физическая величина, характеризующая взаимодействие тел |
| Единица силы | ньютон (Н) | В этой единице записывают значение силы |
| Прибор для измерения | динамометр | Показывает силу по удлинению упругой части и шкале |
| Направление силы | Указывают отдельно | Показывает, куда направлено действие силы |
| Изображение силы на рисунке | Направленный отрезок | Начало связано с точкой приложения, стрелка задаёт направление, длина — значение по масштабу |
Сначала найдите в таблице обозначение и единицу, чтобы правильно записать силу. Если нужно понять рисунок, проверьте начало стрелки, её направление и масштаб длины. Для показаний прибора важно также учитывать, что шкала должна быть рассчитана на измеряемую силу.
На тело действуют две силы вдоль одной прямой: 3 Н вправо и 5 Н влево. Определите направление их совместного действия и разность значений. Поскольку силы направлены противоположно, они действуют не в одну сторону, а конкурируют.
Ответ: совместное действие направлено влево; разность сил равна 2 Н. Мы сравнили направления и значения, поэтому не сложили силы как действующие в одну сторону. При одинаковых противоположных силах их разность была бы равна нулю.
На рисунке сила, действующая на тележку, изображена стрелкой. Каждый сантиметр длины стрелки соответствует 1 Н, а сама стрелка имеет длину 4 см и направлена вправо. Найдите значение силы и укажите её направление.
Ответ: сила равна 4 Н и направлена вправо. Длина стрелки позволила найти значение только потому, что масштаб был дан в условии. Для направления нужно смотреть на остриё, а не на то, насколько длинным нарисован отрезок.
Пружина динамометра удлинилась на 2 см при действии силы 4 Н. Какой силе соответствует удлинение 5 см, если шкала прибора равномерна? Равномерная шкала означает, что одинаковому увеличению силы соответствуют одинаковые увеличения удлинения.
Ответ: удлинению 5 см соответствует сила 10 Н. Мы использовали равномерность шкалы и не перенесли значение напрямую без пересчёта. Такой расчёт применим в пределах рабочей шкалы динамометра.
Ошибка — считать, что сила и есть скорость или движение тела. Такое заблуждение возникает потому, что действие силы часто видно по движению, например после толчка предмет начинает перемещаться. Проверьте себя: скорость описывает движение тела, а сила — взаимодействие, способное изменить движение или форму. Тело может двигаться и тогда, когда его скорость в данный момент не меняется.
Неполно задавать силу только числом, например написать «действует сила 5 Н» и не указать направление и тело. Число кажется главным, потому что его можно измерить, но силы одинакового значения могут действовать по-разному. Для проверки задайте вопрос: известно ли, куда направлена сила и на какой предмет она действует? Если нет, описание требует дополнения.
Нельзя измерять силу в килограммах: килограмм — единица массы, а единица силы называется ньютоном. Путаница появляется потому, что в быту массу предметов иногда связывают с тем, насколько тяжёлыми они кажутся. Проверьте запись по обозначению единицы: для силы используйте Н, а не кг. Например, показание динамометра записывают в ньютонах.
Неверно автоматически направлять силу туда же, куда движется тело. Так думают, потому что часто толкают предмет в сторону его перемещения, однако при торможении сила направлена против движения. Чтобы проверить себя, отдельно определите направление скорости и направление взаимодействия. Они могут совпадать, быть противоположными или не лежать на одной прямой.
Для изучения силы нужно знать, что тела способны изменять скорость и деформироваться, а взаимодействие может вызывать такие изменения. Эти наблюдения помогают перейти от описания происходящего к его объяснению с помощью физической величины. Далее понятие силы понадобится при изучении равнодействующей сил, то есть общего действия нескольких сил, и законов Ньютона. Оно также используется при разборе силы тяжести, трения и упругости, с которыми мы встречаемся в повседневной жизни.
Что именно показывает сила?
Сила показывает, как одно тело действует на другое при взаимодействии. По действию силы можно заметить изменение скорости или формы тела.
Почему силу нельзя задать только числом?
Одинаковые по значению силы, направленные по-разному, могут по-разному изменить движение тела. Поэтому указывают и значение силы, и её направление, а также тело, к которому она приложена.
В чём измеряют силу?
Единица силы — ньютон, сокращённо Н. Килограмм служит единицей массы, а не силы.
Как динамометр определяет значение силы?
Сила растягивает упругую пружину внутри прибора. Чем больше растяжение, тем больше показание; его считывают по шкале.
Может ли сила быть направлена не туда, куда движется тело?
Да. Например, при торможении сила направлена против движения, а при падении сила тяжести направлена вниз. Направление силы задаётся взаимодействием, а не скоростью тела.
§ 10. Сила
