"Физика (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под ред. Орлова В.А.
Сила описывает, как одно тело действует на другое: например, Земля притягивает предметы, растянутая пружина стремится вернуть прежнюю форму, а поверхности мешают скольжению. Для силы важны и численное значение, и направление; измеряют её в ньютонах. В механике различают силы по причине их возникновения. Зная это, можно понять, какие силы действуют на тело, куда они направлены и как найти их величину.
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. Её обозначают F и измеряют в ньютонах (Н). Сила имеет модуль — численное значение — и направление, поэтому для описания действия недостаточно назвать одно число.
Сила тяжести — сила притяжения тела к Земле; её обозначают Fтяж и направляют вертикально вниз, к Земле. Модуль силы тяжести зависит от массы тела: чем масса больше, тем сильнее Земля притягивает тело. Эта сила действует на тело и в воздухе, и на опоре.
Сила упругости возникает при деформации тела — изменении его формы или размеров — и обозначается Fупр. Она направлена так, чтобы уменьшить деформацию и вернуть телу прежнюю форму. По этой силе можно судить, насколько сильно растянута или сжата пружина.
Сила трения возникает при соприкосновении тел и обозначается Fтр. Она препятствует их относительному движению или попытке сдвинуть одно тело относительно другого. Направление трения помогает определить, в какую сторону оно мешает скольжению.
Чтобы описать действие одного тела на другое, физики используют силу. Например, толчок может изменить скорость предмета, а притяжение Земли — заставить его падать. Модуль сообщает, насколько велико действие, но не показывает, в какую сторону оно направлено. Поэтому силу изображают стрелкой: её острие указывает направление, а длину при выбранном масштабе используют для сравнения модулей.
Земля притягивает находящиеся рядом тела, и это притяжение называют силой тяжести. Масса показывает, сколько вещества содержится в теле, а ускорение свободного падения g характеризует действие притяжения Земли. Поэтому модуль силы тяжести вычисляют по формуле Fтяж = mg. Например, при g = 10 Н/кг тело массой 2 кг притягивается с силой 20 Н; сама сила направлена вертикально вниз.
Когда тело растягивают, сжимают или сгибают, его части смещаются относительно обычного положения. Возникающее взаимодействие стремится вернуть их обратно, поэтому сила упругости направлена против деформации. Для пружины при упругой деформации действует закон Гука: Fупр = kΔl, где k — жёсткость, а Δl — изменение длины пружины. Формула подходит, пока деформация не стала такой большой, что пружина перестаёт восстанавливать форму; длину Δl в расчёте берут в метрах.
Сила трения появляется, когда соприкасающиеся поверхности мешают друг другу скользить. Её модуль зависит от свойств и состояния поверхностей, а также от того, насколько сильно они прижаты друг к другу. Направление трения противоположно движению поверхностей относительно друг друга. Если предмет пока неподвижен, но его пытаются сдвинуть, трение направлено против возможного сдвига, а не обязательно против скорости предмета.
Разные силы определяют по причине появления и направлению, а не только по тому, как движется тело. На лежащий на столе предмет одновременно действуют сила тяжести вниз и сила со стороны опоры вверх; при этом трение может отсутствовать, если нет попытки сдвинуть его. Если предмет тянут по поверхности, к этим силам добавляются тяга и трение. Разобрав каждое взаимодействие отдельно, легче понять, уравновешиваются ли силы и почему тело движется или покоится.
| Сила | Причина возникновения | Направление | От чего зависит модуль |
|---|---|---|---|
| Сила тяжести | Притяжение тела Землёй | Вертикально вниз, к Земле | От массы тела и значения g: Fтяж = mg |
| Сила упругости | Деформация тела | Стремится уменьшить деформацию | Для пружины — от жёсткости и удлинения: Fупр = kΔl |
| Сила трения | Соприкосновение поверхностей | Против движения или его возможного направления | От свойств поверхностей и силы их прижатия |
Сначала в таблице найдите причину возникновения силы, затем проверьте направление: эти признаки помогают не перепутать силы. Чтобы вычислить модуль, используйте указанную для нужной силы зависимость, если известны необходимые величины. На одно тело могут одновременно действовать несколько сил из таблицы.
Найдите силу тяжести, действующую на тело массой 2 кг, если g = 10 Н/кг. Нужно определить модуль притяжения Землёй, а затем указать направление силы. Используем формулу Fтяж = mg.
Ответ: 20 Н, вертикально вниз.
Пружина удлинилась на 3 см, её жёсткость равна 200 Н/м. Найдём силу упругости по закону Гука Fупр = kΔl. Перед вычислением переведём удлинение в метры, поскольку жёсткость задана в Н/м.
Ответ: 6 Н, в сторону уменьшения удлинения.
Брусок равномерно тянут по горизонтальной поверхности силой 5 Н. Нужно определить силу трения и её направление. Равномерное движение означает, что скорость не меняется, поэтому действующие вдоль поверхности силы уравновешены.
Ответ: 5 Н, против движения бруска.
Ошибка: считать, что сила имеет только модуль. Так думают, когда сравнивают силы лишь по числам, но без направления нельзя верно описать действие и сложить силы. Проверьте себя: можете ли вы указать, куда направлена каждая сила? На рисунке направление показывает стрелка.
Ошибка: направлять силу тяжести вверх или связывать её с опорой. Это происходит из-за путаницы с силой, которую стол оказывает на лежащий предмет. Сила тяжести направлена вниз, к Земле, и действует даже без опоры. Для проверки спросите себя, что притягивает тело: Земля или стол?
Ошибка: подставлять в закон Гука полную длину пружины или сантиметры. Полная длина не равна изменению длины, а при k в Н/м удлинение требуется выразить в метрах. Найдите разность между длиной деформированной и исходной пружины, затем переведите её в метры. Перед вычислением проверьте единицы всех величин.
Ошибка: всегда направлять трение против скорости тела. Эту ошибку допускают, забывая, что тело может пока покоиться, хотя его уже пытаются сдвинуть. Тогда трение направлено против возможного движения. Проверьте, какие поверхности стремятся скользить относительно друг друга, и только после этого задавайте направление трения.
Для вычислений нужно знать, что масса характеризует тело, а сила в Международной системе единиц измеряется в ньютонах. Силу можно измерять динамометром — прибором с пружиной — и изображать на схеме стрелкой, показывающей направление действия. Различение сил понадобится при изучении равновесия тел: там выясняют, уравновешивают ли силы друг друга. Оно также помогает разбирать давление и движение тела, на которое действует несколько сил.
Почему силу нельзя задать только числом?
Сила имеет не только модуль, но и направление. Например, одинаковые по модулю силы, направленные в разные стороны, действуют на тело по-разному. Поэтому силу изображают стрелкой.
Действует ли сила тяжести на тело, которое лежит на столе?
Да. Земля притягивает тело независимо от того, лежит оно на столе или находится в воздухе. Стол действует на тело другой силой, направленной вверх.
Чем сила упругости отличается от силы тяжести?
Сила тяжести возникает из-за притяжения тела Землёй и направлена вниз. Сила упругости появляется при деформации и направлена так, чтобы уменьшить её.
Почему удлинение пружины нужно переводить в метры?
В формуле Fупр = kΔl жёсткость пружины выражают в ньютонах на метр. Чтобы единицы измерения согласовались, удлинение Δl нужно подставлять в метрах.
Может ли сила трения действовать на неподвижное тело?
Да. Если тело пока покоится, но его пытаются сдвинуть, сила трения покоя препятствует возможному движению. Она направлена против этого движения.
1. Виды сил в механике
