§ 10. Сила

Определения и обозначения

Сила — физическая величина, характеризующая действие одного тела на другое. Например, рука толкает тележку, а магнит притягивает скрепку. Сила нужна, чтобы описывать, как взаимодействия изменяют движение или форму тел.

Вектор силы — направленный отрезок, которым изображают силу. У силы есть численное значение, направление и точка приложения — место, где она действует на тело. Эти характеристики нужны вместе: только тогда понятно, насколько сильно, куда и где действует сила.

Ньютон — единица измерения силы, её обозначение — Н. Например, запись 5 Н означает, что модуль силы равен пяти ньютонам. Эта единица позволяет указывать и сравнивать численные значения сил.

Динамометр — прибор для измерения силы. Его действие основано на деформации пружины: приложенная сила растягивает или сжимает её. По изменению пружины прибор показывает значение силы, поэтому динамометр помогает измерять её в ньютонах.

Как это устроено

Сила возникает при взаимодействии тел: одно тело действует на другое, и результат этого действия можно наблюдать. Например, нога ударяет по мячу, а мяч начинает двигаться. Если движения или формы тела ничего не меняется, это само по себе не позволяет заключить, какая сила на него подействовала; сначала нужно рассмотреть взаимодействие с другими телами.

О действии силы судят по тому, что происходит с телом. Толчок может разогнать покоящуюся тележку, а торможение — уменьшить скорость движущегося велосипеда; в обоих случаях меняется движение. Если сдавить губку, её форма изменится, то есть произойдёт деформация. Так сила проявляется через изменение скорости или формы, а не обязательно через начало движения.

Чтобы описать силу, указывают её модуль, направление и точку приложения. Модуль отвечает на вопрос «насколько велика сила», направление — «куда она действует», а точка приложения — «где именно». Например, одинаковое усилие можно приложить к двери около петли или у ручки: действие будет различаться, поэтому одного численного значения недостаточно.

На рисунке силу изображают вектором — стрелкой, начало которой ставят в точке приложения. Направление стрелки показывает, куда действует сила, а длина соответствует её модулю в выбранном масштабе. Если масштаб равен 1 см — 1 Н, сила 3 Н изображается стрелкой длиной 3 см; при другом масштабе длина будет иной, но обозначенная сила останется той же.

Силу измеряют динамометром, потому что пружина внутри прибора деформируется под действием приложенной силы. Чем больше сила, тем сильнее растягивается пружина, если её удлинение прямо пропорционально силе. Шкала связывает величину деформации с числом ньютонов: по ней считывают показание. Поэтому при измерении важно смотреть на шкалу и записывать результат вместе с единицей Н.

Как описывают и измеряют силу

В таблице собраны основные характеристики силы и способы их указания. При описании действия сначала проверьте, назван ли модуль, направление и место приложения, а затем укажите единицу и прибор, если сила измерялась. Такая проверка помогает не смешивать свойства самой силы, её изображение и способ измерения.

Разбор задач

Задача 1. На тело действует сила 5 Н. Изобразите её в масштабе 1 см — 1 Н, направив вправо и приложив к указанной точке тела. Нужно перевести значение силы в длину стрелки, не забыв о её начале и направлении. Точка приложения уже задана условием, поэтому её не выбирают произвольно.

1. По масштабу 1 см соответствует 1 Н, значит 5 Н соответствуют 5 см.
2. Поставьте начало стрелки в указанной точке тела.
3. От этой точки проведите стрелку длиной 5 см вправо.

Ответ: вектор силы имеет длину 5 см в заданном масштабе и направлен вправо. Его начало находится в указанной точке тела. Значение силы при этом равно 5 Н.

Задача 2. Пружина динамометра растянулась на 2 см при силе 4 Н. Какую силу покажет прибор при растяжении на 5 см, если растяжение пропорционально силе? Раз удлинение прямо пропорционально силе, отношение силы к удлинению остаётся постоянным. Сравним, во сколько раз новое растяжение больше прежнего.

1. Найдите, во сколько раз увеличилось растяжение: 5 см : 2 см = 2,5.
2. Во столько же раз увеличится сила: 4 Н · 2,5 = 10 Н.

Ответ: динамометр покажет 10 Н. Проверить результат можно обратным действием: 10 Н в 2,5 раза больше 4 Н, как и 5 см больше 2 см. Вывод верен при условии пропорциональности, указанном в задаче.

Задача 3. К телу приложены две силы вдоль одной прямой: 7 Н вправо и 3 Н влево. Определите, изменится ли движение тела и в какую сторону направлено совместное действие сил. Силы направлены противоположно, поэтому они действуют не в одну сторону. Нужно сравнить их модули, чтобы выяснить, какая из них сильнее.

1. Сравните значения: 7 Н больше 3 Н.
2. Вычтите меньшую силу из большей: 7 Н − 3 Н = 4 Н.
3. Направление совместного действия совпадает с направлением большей силы — вправо.

Ответ: совместное действие сил направлено вправо и соответствует силе 4 Н. Оно может изменить скорость тела; например, тело может начать разгоняться вправо или изменить уже имеющееся движение. Само по себе направление силы не означает, что тело обязательно до этого покоилось.

Типичные ошибки

Ошибка — считать силу свойством самого тела, будто у предмета есть сила независимо от других тел. Так думают, потому что в речи говорят «сильный предмет» или «сила мяча», хотя физика описывает конкретное действие. Проверка: спросите, какое тело действует и на какое направлено действие. Если пары взаимодействующих тел нет, описание силы неполное.

Ошибка — записать только модуль и не указать направление или точку приложения. Причина в том, что число кажется достаточным, особенно когда силу уже измерили. Проверка: попробуйте изобразить описанное действие стрелкой; если непонятно, куда направить её или откуда начать, данных не хватает. Полное описание включает все три характеристики.

Ошибка — путать F и Н: считать, что F — единица силы. Это происходит потому, что оба обозначения встречаются рядом с числом или в записи задачи. Проверка: F — буквенное обозначение физической величины, а Н — сокращение названия единицы, ньютона. Например, F = 5 Н означает, что сила имеет значение пять ньютонов.

Ошибка — думать, что сила обязательно приводит тело в движение из состояния покоя. Такое представление возникает, если запомнить лишь примеры толчка неподвижного предмета. Но сила может изменить скорость уже движущегося тела или деформировать его, например замедлить мяч либо сжать пружину. Проверяйте себя вопросом: изменились ли скорость или форма, а не только начало ли тело двигаться.

Связь с другими темами

Для изучения силы нужно знать, что тела могут взаимодействовать, и понимать, что движение описывают с помощью скорости. Тогда можно заметить, как действие одного тела изменяет движение или форму другого. Понятие силы станет основой для разбора силы тяжести, силы трения и силы упругости. Оно также понадобится при изучении условий равновесия тел, когда действия сил уравновешивают друг друга.

Что запомнить

• Сила характеризует взаимодействие тел.
• Действие силы может изменить скорость тела или вызвать деформацию.
• У силы есть модуль, направление и точка приложения.
• Силу обозначают буквой F.
• Единица силы — ньютон, обозначение — Н.
• Силу измеряют динамометром.