§ 11. Сила

Определения и обозначения

Сила — физическая величина, являющаяся мерой действия одного тела на другое и способная изменить скорость тела или вызвать его деформацию. Например, толчок может привести предмет в движение, а сжатие — изменить его форму. Понятие силы помогает описывать, почему меняется движение тела или его форма.

Вектор силы — направленный отрезок, которым изображают силу; он показывает направление и точку приложения силы, а длина отрезка соответствует её модулю. Модуль — числовое значение силы, без учёта направления. Такое изображение нужно, чтобы наглядно показать, где и как сила действует.

Ньютон — единица измерения силы в Международной системе единиц; силу обозначают буквой F и измеряют в ньютонах (Н). Например, запись F = 5 Н означает, что модуль силы равен пяти ньютонам. Единица позволяет сравнивать силы и записывать результаты измерений.

Динамометр — прибор для измерения силы, действие которого основано на измерении деформации пружины. Когда сила растягивает пружину, указатель перемещается по шкале. Прибор нужен, чтобы определить значение силы не на глаз, а по показаниям.

Как это устроено

Сила возникает при взаимодействии тел: одно тело действует на другое, поэтому изменение движения или деформация являются результатом этого действия. Например, рука толкает мяч, и мяч начинает двигаться; при нажатии на мягкий предмет меняется его форма. Если тело не взаимодействует с другими телами, нельзя говорить о действующей на него силе от них. Поэтому причину изменения движения ищут во взаимодействии.

Действие силы определяется не только её числовым значением, но и направлением и точкой приложения, поэтому сила является векторной величиной. Векторной называют величину, для полного описания которой нужны модуль и направление. Толкнуть дверь можно в разные стороны, и результат будет отличаться; также важно, нажимают ли на неё у ручки или у петли. Поэтому одного числа недостаточно, чтобы понять действие силы.

Одно и то же тело может одновременно испытывать действие нескольких сил; результат зависит от направлений этих сил и их взаимного сложения. Если силы направлены в одну сторону, их совместное действие усиливается. Если они направлены противоположно, одна сила частично компенсирует другую. Например, при тяге вправо силой 6 Н и тяге влево силой 2 Н результирующее действие направлено вправо и соответствует 4 Н.

Для измерения силы используют динамометр: приложенная сила растягивает пружину, а по шкале определяют значение силы. Чем сильнее растяжение пружины, тем больше сила, если шкала прибора рассчитана правильно. На шкале нанесены деления, и каждое соответствует определённому числу ньютонов. Чтобы снять показание, нужно сначала определить цену деления, а затем посмотреть, где остановился указатель.

Силу изображают стрелкой: начало стрелки связывают с точкой приложения, направление стрелки показывает направление действия, а длина отражает величину силы. Такой способ помогает сравнивать силы на рисунке, если известен масштаб: более длинная стрелка соответствует большему модулю. Стрелка также позволяет увидеть, куда действует сила. Поэтому при изображении важно правильно выбрать и её начало, и направление.

Основные характеристики силы

Пользуйтесь таблицей, когда нужно описать силу полностью: назовите её модуль, направление и точку приложения. Модуль измеряется в ньютонах, а направление и место приложения показывают на схеме стрелкой. Это помогает не спутать числовое значение силы с её остальными характеристиками.

Разбор задач

Задача 1. На рисунке изображена стрелка силы, приложенная к бруску. Нужно указать направление силы и точку её приложения, а также сравнить две силы, если масштаб рисунка одинаков. Здесь важны все части вектора: его начало, острие и длина. Сравнивать силы можно по длине стрелок, потому что масштаб для них один и тот же.

1. Найдите начало стрелки: место, где она соединяется с бруском, — точка приложения силы.
2. Посмотрите, куда направлено острие стрелки. Это направление действия силы.
3. Для сравнения модулей измерьте длины стрелок на рисунке. При одинаковом масштабе большая длина означает большую силу.

Ответ: направление показывает острие стрелки, точка приложения находится у её начала. Большей является сила, изображённая более длинной стрелкой; без самого рисунка определить, какая именно стрелка длиннее, нельзя. Так чтение схемы превращается в последовательную проверку каждой характеристики.

Задача 2. Предел измерения динамометра равен 10 Н, шкала разделена на 20 равных делений. Указатель остановился на 14-м делении. Чтобы получить показание, сначала нужно выяснить, сколько ньютонов приходится на одно деление, а затем учесть положение указателя.

1. Разделите предел измерения на число делений: 10 Н : 20 = 0,5 Н. Это цена одного деления.
2. Умножьте цену деления на номер деления: 0,5 Н · 14 = 7 Н.
3. Запишите результат с единицей измерения. Проверка: 14-е деление расположено между началом шкалы и пределом 10 Н, поэтому значение 7 Н подходит.

Ответ: динамометр показывает 7 Н. Номер деления сам по себе не является показанием силы, потому что деления могут соответствовать разным значениям. Поэтому сначала обязательно находят цену деления.

Задача 3. На тело действуют две силы вдоль одной прямой: 6 Н вправо и 2 Н влево. Нужно определить их совместное действие. Направления противоположны, значит, силы частично уравновешивают друг друга, а не складываются как силы одного направления.

1. Сравните модули: 6 Н больше, чем 2 Н. Значит, результат будет направлен вправо, в сторону большей силы.
2. Вычтите меньший модуль из большего: 6 Н − 2 Н = 4 Н.
3. Укажите и величину, и направление результата, поскольку для силы одного числа недостаточно.

Ответ: совместное действие сил равно 4 Н и направлено вправо. Если бы силы были равны, их действие вдоль этой прямой взаимно компенсировалось бы. Здесь же остаётся действие большей силы.

Типичные ошибки

Считать силу скалярной величиной и указывать только её числовое значение — значит забывать о направлении и точке приложения. Так часто делают, потому что при измерении динамометр показывает число, а остальные характеристики нужно определить отдельно. Проверьте себя: сможете ли вы показать силу стрелкой и указать, где она действует? Если нет, описание неполное.

Силу иногда путают с массой, потому что обе величины относятся к телам и встречаются в задачах о движении. Но масса характеризует тело, а сила описывает взаимодействие; у них разные обозначения и единицы измерения. Перед записью проверьте, что величина обозначена правильно: масса — m и килограммы, сила — F и ньютоны.

При работе с динамометром ошибочно принимают номер деления за значение силы. Это происходит, когда забывают, что деления шкалы могут соответствовать половине ньютона, двум ньютонам или другой величине. Найдите цену деления по пределу измерения и числу промежутков, а затем умножьте её на показание шкалы.

Стрелку силы могут нарисовать не из точки приложения или направить в сторону, противоположную действию силы. Ошибку легко допустить, если сосредоточиться только на длине стрелки и не проверить её расположение. Сверьтесь с условием: начало должно быть в месте действия силы, а острие — указывать направление, в котором действует тело.

Связь с другими темами

Чтобы изучать силу, нужно понимать, что тела взаимодействуют, могут изменять скорость и деформироваться. Также пригодятся навыки работы с единицами измерения и масштабом: они помогают читать показания прибора и сравнивать векторы на схеме. Эти знания связывают наблюдаемые изменения с их причиной.

Понятие силы понадобится при изучении движения тел, законов Ньютона, тяжести, упругости, трения и давления. Изображение и измерение силы помогут анализировать равновесие тел и решать практические задачи, где одновременно действуют несколько сил. Поэтому умение учитывать направление становится основой для дальнейших тем механики.

Что запомнить

• Сила — мера взаимодействия тел.
• Действие силы может изменить скорость тела или вызвать его деформацию.
• Сила имеет модуль, направление и точку приложения.
• Силу обозначают буквой F и измеряют в ньютонах.
• Силу измеряют динамометром.
• Силу изображают вектором — стрелкой.
• При действии нескольких сил учитывают их направления.