"Физика (базовый уровень)", Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. / Под ред. Парфентьевой Н.А.
Сила — физическая величина, которая показывает, как взаимодействие тел изменяет их движение или форму. По силе можно объяснить, почему тело разгоняется, тормозит, меняет направление или деформируется. Силу обозначают буквой F, измеряют в ньютонах и изображают вектором: для её описания нужны не только численное значение, но и направление. Равнодействующая нескольких сил определяет их общий результат.
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 и являющаяся причиной изменения скорости или деформации тела. Иначе говоря, сила помогает описать, насколько сильно и в каком направлении тела воздействуют друг на друга. Она обозначается буквой F и относится к векторным величинам. Поэтому при описании силы указывают её модуль, направление и точку приложения.
Равнодействующая сила — сила, которая оказывает на тело такое же действие, как несколько одновременно действующих сил вместе. Её обозначают Fрез и находят как векторную сумму всех сил, приложенных к телу. Это понятие нужно, чтобы заменить сложное воздействие одним результатом. Если равнодействующая равна нулю, ускорения у тела нет, хотя само тело может двигаться равномерно.
Ньютон — единица измерения силы в Международной системе единиц, обозначается Н. Один ньютон равен силе, которая сообщает телу массой 1 кг ускорение 1 м/с². Такое определение связывает измерение силы с наблюдаемым изменением движения. В задачах оно позволяет проверить, согласованы ли единицы величин и разумен ли полученный ответ.
Сила возникает при взаимодействии тел: например, рука толкает тележку, Земля притягивает мяч, а поверхность пола поддерживает стоящую на ней коробку. При этом воздействие нельзя приписать только одному участнику взаимодействия: тела действуют друг на друга. Результат зависит от того, насколько сильное воздействие оказывается и куда оно направлено. Поэтому силу изображают стрелкой, начало которой отмечает точку приложения, а направление стрелки показывает направление действия.
Действие силы заметно прежде всего по изменению движения. Если скорость тела меняется по величине или направлению, у тела есть ускорение, а значит, на него действует ненулевая равнодействующая сила. Для тела постоянной массы связь записывается формулой Fрез = ma: при одной и той же массе большее ускорение означает большую силу. При одинаковой силе более массивное тело получает меньшее ускорение, потому что его движение труднее изменить.
Одна сила редко действует на тело в одиночку. На падающий предмет, например, действует сила тяжести, а при сопротивлении воздуха — ещё и сила сопротивления; в расчёте важно учитывать их направления. Силы складывают как векторы, а не просто как числа. Если две силы направлены в одну сторону, их модули складываются; если навстречу друг другу — из большего модуля вычитают меньший, а направление результата совпадает с направлением большей силы.
Нулевая равнодействующая не обязательно означает покой. По первому закону Ньютона, если равнодействующая равна нулю, тело сохраняет состояние покоя или движется равномерно и прямолинейно. Например, книга на столе покоится, потому что сила тяжести уравновешивается действием стола. Равенство сил означает отсутствие ускорения, а не отсутствие самих сил.
Величину силы можно измерить динамометром — прибором, действие которого основано на деформации пружины. Чем сильнее растянута пружина, тем больше действующая сила, а шкала прибора заранее размечена в ньютонах. Для корректного измерения динамометр располагают вдоль направления измеряемого воздействия. Прибор показывает силу, но её направление и точку приложения всё равно нужно учитывать отдельно, если решается задача о движении.
| Характеристика | Обозначение или единица | Что показывает | Пример |
|---|---|---|---|
| Модуль | F, Н | Численное значение силы | F = 5 Н |
| Направление | Указывают стрелкой | Куда действует сила | Вниз, к центру Земли |
| Точка приложения | Начало вектора | К какой части тела приложена сила | Место, где рука толкает ящик |
| Результат действия | Fрез = ma | Как меняется движение тела | Появляется ускорение |
Таблица помогает не сводить силу только к числу: для полного описания нужны также направление и точка приложения. В задачах сначала отметьте силы, действующие на тело, а затем найдите их равнодействующую. После этого связь Fрез = ma позволяет перейти от сил к ускорению или, наоборот, вычислить силу.
Задача. На тележку массой 4 кг действует горизонтальная сила тяги 18 Н, а сила сопротивления движению равна 6 Н и направлена в противоположную сторону. Найдите равнодействующую силу и ускорение тележки, считая, что других горизонтальных сил нет. Решение удобно начать не с формулы ускорения, а с определения того, какая сила в итоге разгоняет тележку. Все силы нужно рассматривать вдоль одной горизонтальной оси.
Выберем положительное направление по движению тележки, то есть по направлению силы тяги. Тогда сила тяги равна +18 Н, а сила сопротивления равна −6 Н, поскольку направлена в обратную сторону. Такое обозначение помогает не перепутать сложение с вычитанием.
Найдём равнодействующую: Fрез = 18 Н − 6 Н = 12 Н. Она направлена вперёд, потому что сила тяги больше силы сопротивления. Именно эта результирующая, а не одна сила тяги, определяет ускорение тележки.
Запишем второй закон Ньютона: Fрез = ma. Выразим ускорение: a = Fрез / m = 12 Н / 4 кг = 3 м/с². Единица получается м/с², что соответствует ускорению.
Ответ: равнодействующая сила равна 12 Н и направлена по движению тележки; ускорение равно 3 м/с². Проверка здравого смысла: сила тяги превышает сопротивление, поэтому тележка ускоряется вперёд, а не назад. Если бы обе силы оказались равны, ускорение вдоль горизонтали было бы нулевым, хотя тележка могла бы продолжать двигаться равномерно.
Ошибочно считают, что сила — это только число, например 10 Н. Так делают, потому что в простых вычислениях внимание сосредоточено на модуле, но силы с одинаковым модулем могут действовать в противоположных направлениях. Проверьте себя: указаны ли направление и точка приложения там, где они нужны для ответа.
Складывают модули всех сил, не учитывая направления. Это приводит к неверной равнодействующей, если силы действуют навстречу друг другу. Перед вычислением нарисуйте стрелки или выберите ось и обозначьте знаки сил.
Полагают, что при равнодействующей, равной нулю, тело обязательно неподвижно. Ошибка возникает из-за смешения понятий «нет ускорения» и «нет движения». Проверьте формулировку: тело может покоиться или двигаться равномерно и прямолинейно.
Подставляют в формулу F = ma массу в граммах, а ускорение — в м/с². Тогда результат не будет выражен в ньютонах, потому что в формуле нужна масса в килограммах. Перед вычислениями переведите все величины в систему СИ и проверьте единицы ответа.
Сила связана с законами Ньютона: первый объясняет движение при нулевой равнодействующей, а второй связывает силу с массой и ускорением. Через эту связь можно решать задачи о разгоне, торможении и изменении направления движения. Сила тяжести — частный пример силы; около поверхности Земли её модуль приближённо рассчитывают по формуле Fтяж = mg. Деформация пружины, изучаемая при упругих силах, позволяет измерять силу динамометром.
Сила характеризует взаимодействие тел и может изменять движение или деформировать тело.
Сила — векторная величина: важны модуль, направление и точка приложения; обозначение — F, единица измерения — ньютон (Н).
Равнодействующая — векторная сумма сил, действующих на тело; по второму закону Ньютона Fрез = ma.
Если равнодействующая равна нулю, ускорения нет: тело покоится или движется равномерно и прямолинейно.
В задачах сначала учитывают направления сил и находят равнодействующую, затем применяют закон Ньютона и проверяют единицы.
Что показывает сила?
Сила характеризует действие одного тела на другое. Она может изменить скорость тела, направление его движения или вызвать деформацию.
Почему сила является векторной величиной?
Для описания силы недостаточно знать её численное значение: необходимо указать направление и точку приложения. Поэтому силу изображают направленным отрезком и складывают по правилам сложения векторов.
В каких единицах измеряют силу?
В Международной системе единиц силу измеряют в ньютонах, обозначение — Н. Один ньютон — это сила, которая сообщает телу массой 1 кг ускорение 1 м/с².
Как найти равнодействующую сил?
Равнодействующая — это одна сила, действие которой совпадает с совместным действием нескольких сил. Силы складывают как векторы: если они направлены одинаково, их модули складываются, а если противоположно — из большего вычитают меньший.
§ 23. Сила
