§24 Сила

Определения и обозначения

Сила — физическая величина, характеризующая взаимодействие тел и изменение их скорости или формы. Например, удар ногой заставляет неподвижный мяч двигаться, а сжатие может изменить форму пружины. Понятие силы помогает описать, почему движение или форма тела изменились. Оно показывает действие одного тела на другое, а не просто состояние самого тела.

Силу обозначают латинской буквой F. У силы есть числовое значение и направление, поэтому её называют векторной величиной. Число показывает, насколько велико действие, а направление — куда оно направлено. Для полного описания также указывают точку приложения — место, где сила действует на тело.

Ньютон — единица силы в Международной системе единиц; её обозначают Н. Поэтому значение силы записывают вместе с единицей: например, 4 Н, а не просто 4. Единая единица измерения позволяет сравнивать силы и правильно записывать результаты измерений. Название «ньютон» дано в честь английского учёного Исаака Ньютона.

Динамометр — прибор для измерения силы. Внутри него есть пружина: приложенная сила растягивает или сжимает её, то есть деформирует. Чем сильнее деформация пружины, тем больше показание прибора в пределах его шкалы. Поэтому, чтобы измерить силу, нужно посмотреть на шкалу динамометра и записать показание в ньютонах.

Как это устроено

Когда тела взаимодействуют, одно тело может действовать на другое. В результате скорость второго тела меняется: неподвижный мяч после удара начинает катиться, а движущийся мяч может ускориться, замедлиться или изменить направление. Так происходит потому, что действие тела нарушает прежнее состояние движения. Другой результат взаимодействия — деформация, то есть изменение формы или размеров: например, губка сжимается рукой.

Для описания такого действия используют силу, потому что она связывает взаимодействие с его результатом. Сила не является самим движением: мяч может двигаться, даже когда на него не действует заметный удар. Если воздействие становится сильнее, результат обычно меняется заметнее: например, сильный толчок может сообщить мячу большую скорость, чем слабый. Однако итог зависит и от самого тела, и от того, как именно на него действуют.

Одного числа недостаточно, чтобы точно описать силу. Толчок мяча вправо и толчок такой же силы влево имеют одинаковое значение, но могут изменить движение в разные стороны. Кроме направления важно место приложения: удар по мячу в разных точках может по-разному повлиять на его движение или вращение. Поэтому при изображении силы указывают её значение, направление и точку, в которой она приложена.

Направление силы выбирают по тому, как действует одно тело на другое. Если после удара тело начинает двигаться вправо, толчок мог быть направлен вправо; если тело сжимают с двух сторон, силы направлены навстречу друг другу. При деформации направление можно определить по тому, куда приложено воздействие: например, при растягивании пружины тянут за её конец от середины. Это описание относится к конкретной силе, действующей на выбранное тело.

Силу измеряют динамометром: его соединяют с телом или тянут за крючок и считывают показание по шкале. Приложенная сила деформирует пружину внутри прибора, а положение указателя связано с величиной этой деформации. Шкалу размечают в ньютонах, поэтому результат записывают, например, как 3 Н. При измерении важно смотреть на шкалу прямо и не выходить за пределы, на которые рассчитан прибор.

Характеристики силы и её измерение

Пользуйся таблицей как коротким планом описания силы: сначала запиши обозначение и значение с единицей, затем укажи направление и точку приложения. После этого назови результат действия силы или прибор, если речь идёт об измерении. Так легче проверить, не потерялась ли важная часть описания.

Разбор задач

Задача 1

На неподвижный мяч подействовали ногой, и он покатился. Нужно определить, что изменилось в движении мяча и какое взаимодействие стало причиной изменения. Сравним состояние мяча до действия и после него.

1. До удара мяч был неподвижен, то есть его скорость равнялась нулю.
2. После удара мяч покатился, значит, его скорость изменилась: он начал двигаться.
3. Причиной изменения стало взаимодействие ноги с мячом: нога подействовала на мяч силой.

Ответ: скорость мяча изменилась от нулевой до ненулевой; причиной стало действие ноги на мяч.

Задача 2

К телу приложили силу 4 Н вправо. Требуется записать её обозначение и значение, а затем назвать сведения, нужные для полного описания. Здесь уже известно направление, но точку приложения в условии не указали.

1. Силу обозначают буквой F, а её числовое значение вместе с единицей записывают как 4 Н.
2. Направление указано в условии: вправо. На схеме силу можно показать стрелкой, направленной вправо.
3. Для полного описания нужно также знать точку приложения — место на теле, где действует сила. В условии эта информация отсутствует.

Ответ: F = 4 Н, направление — вправо; для полного описания нужно указать точку приложения силы.

Задача 3

Динамометр показывает 3 Н, когда его тянут влево. Нужно изобразить силу стрелкой и подписать значение с единицей измерения. Указанное направление относится к самой силе, поэтому стрелка должна быть направлена туда же.

1. Начало стрелки помести в точке приложения силы — там, где она действует на тело.
2. Проведи стрелку влево, поскольку в условии сказано, что силу тянут влево.
3. Рядом подпиши F = 3 Н: буква обозначает силу, а число с единицей — её значение.

Ответ: стрелка направлена влево, у неё подпись F = 3 Н.

Типичные ошибки

Ошибка — считать силу только числом, например записать «4» без направления. Так делают, потому что в задачах часто первым замечают значение силы. Но одинаковые по величине силы могут быть направлены в разные стороны и по-разному менять движение. Проверь себя: указаны ли значение, направление и точка приложения?

Силу иногда путают с движением тела: говорят, будто сила — это скорость или сам факт движения. Путаница возникает потому, что действие силы нередко приводит тело в движение. Но сила характеризует взаимодействие, а движение описывает изменение положения тела; проверь себя, назвав отдельно действующие тела и результат их взаимодействия.

Запись значения без единицы, например «F = 3», неполна. Число показывает величину, но без единицы измерения непонятно, в чём она выражена. Проверяй, что рядом с числом стоит Н: правильно писать F = 3 Н. Это правило относится и к записи показаний динамометра.

Некоторые считают, что деформация есть только тогда, когда форму тела заметно изменили. Такую ошибку допускают, потому что маленькое изменение трудно увидеть глазами. Но деформация может быть очень малой: под нагрузкой тело слегка меняет форму или размеры. Проверяй себя, не отождествляй отсутствие заметного изменения с отсутствием деформации.

Связь с другими темами

До изучения силы нужно понимать, что тела могут взаимодействовать и менять движение друг друга: это помогает увидеть причину изменений, а не только их результат. Понятие силы пригодится при изучении силы тяжести, веса тела, трения и упругости — это разные виды или проявления взаимодействия. Представление силы как вектора потребуется, когда силы изображают стрелками на схемах и решают задачи о движении. Тогда важно учитывать не только величину, но и направление действия.

Что запомнить

• Сила характеризует взаимодействие тел.
• Действие силы может изменить скорость тела или его форму.
• Силу обозначают буквой F.
• Сила — векторная величина: у неё есть значение и направление.
• Единица силы — ньютон (Н).
• Силу измеряют динамометром.