Введение

Напомним, что основой первого закона Ньютона считается понятие об инерциальной системе отсчета. В инерциальной системе отсчета прямолинейное и равномерное движение может происходить только в том случае, если на тело не действуют другие силы или действие их скомпенсировано, то есть уравновешено.

Сила

Выясним, к чему же приводит действие на одно тело других тел, то есть взаимодействие. Взаимодействие – это воздействие тел друг на друга. Оно не может быть односторонним, не может быть направленным только на одно тело, оно обязательно должно рассматриваться как воздействие тел друг на друга, т. е. для этого обязательно нужны как минимум два тела. Мерой такого взаимодействия является понятие силы. Впервые это понятие было употреблено во II веке до н. э. Аристотелем. В переводе на греческий «сила» – это динамо, отсюда и происходит динамика – раздел механики, в котором рассматривается движение тел и их взаимодействие.

Сила обозначается . Действие всегда куда-либо направлено, а если есть направление, то у величины есть характеристика, связанная с направлением, и эта величина будет векторной. Измеряется сила в ньютонах (Н).

Необходимо отметить, что у физической величины силы есть еще и модульное значение, то есть числовое значение этой величины.

 

Виды взаимодействий в физике

Сила – это мера взаимодействия. А какими могут быть эти взаимодействия? Всего существует 4 фундаментальных взаимодействия.

1. Гравитационное (сила тяготения)

Это взаимодействие между любыми телами, которые обладают массой. Оно самое слабое по сравнению с остальными видами взаимодействий. Существенным оно становится лишь в масштабах космических тел. Мы ощущаем свое притяжение к Земле, поскольку масса Земли велика. Однако притяжения к телам, которые обладают сравнительно малой массой (стол, доска и др.), мы не ощущаем. Однако это взаимодействие фундаментально и справедливо для всех тел во Вселенной, которые обладают массой.

2. Электромагнитное

В состав любого атома входят заряженные частицы (электроны, протоны). Это значит, что такое взаимодействие также является фундаментальным, и мы с ним встречаемся всегда и везде. Именно электромагнитное взаимодействие ответственно за такие механические силы, как сила трения и сила упругости. Электромагнитное взаимодействие значительно сильнее гравитационного. Однако в отличие от гравитационного, которое справедливо для всех тел, обладающих массой, электромагнитное справедливо только для тел, которые обладают электрическим зарядом.

3. Сильное

Каким же образом протоны, которые заряжены положительно, удерживаются в ядре? Ведь одноименно заряженные тела должны отталкиваться. Это связанно с тем, что протоны в ядре удерживает особый вид взаимодействия, которое сильнее электромагнитного. Особенностью данного взаимодействия является то, что оно короткодействующее (оно действует в размерах порядка размеров атомного ядра). Как только расстояние превышает размер атомного ядра, взаимодействие резко убывает. Сильное взаимодействие ответственно за сохранение стабильности атомного ядра.

4. Слабое

Такое взаимодействие ответственно за некоторые взаимодействия среди элементарных частиц, некоторые виды β-распада и некоторые процессы внутри атомного ядра.

Некоторые физики предполагают, что существует лишь одно большое общее взаимодействие, а 4 вида взаимодействий, которые мы рассмотрели, являются разными проявлениями единого взаимодействия. Многие физики, в том числе Эйнштейн, пытались получить единую теорию поля, в которой все 4 вида взаимодействия будут сводиться к одному. На данный момент удалось объединить электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия.

 

Динамометр

Для измерения силы требуется прибор динамометр. Обычно говорят, что взаимодействие приводит к тому, что в течение некоторого времени изменяется либо скорость тела, либо деформируется тело, то есть изменяется его форма и объем. А может происходить и то, и другое. Поэтому мы рассмотрим динамометр, в котором используется деформация пружины как явление для измерения действия силы.

Наиболее распространенный вид динамометра называется «школьный». Он представляет собой прибор, где непосредственно на шкале, на самом корпусе, находится пружина, к которой прикрепляется крючок для груза. Шкала нанесена на сам корпус, и, деформируя пружину, мы можем получить значение приложенной силы.

Рис. 1. Школьный динамометр

Еще один вид такого прибора – т. н. демонстрационный динамометр.

Рис. 2. Демонстрационный динамометр

Он может измерять приложенную силу как в одну сторону, так и в другую, т. е. удобен тем, что можно измерять действие сил, направленных в разные стороны.

Связь ускорения с силой

Важно отметить, что второй закон Ньютона базируется на результатах очень многих физических экспериментов. В частности, рассмотрим следующий эксперимент, который покажет, как ускорение связано с действующей силой. Если на тело действует некоторая сила, то можно заметить прямую пропорциональность: чем больше сила, приложенная к телу, тем большим будет ускорение этого тела (рис. 3).

Рис. 3. Пропорциональность силы и ускорения

Возьмем брусок и динамометр, который будет регистрировать действие силы. Посмотрим, как же будет двигаться этот брусок. Обратите внимание: прилагаем определенную силу и в результате одно определенное ускорение. Брусок проходит расстояние за определенное время. Если же мы силу увеличим, то и ускорение будет тоже больше.

Рис. 4. Ускорение прямо пропорционально приложенной силе

Итак, можно сказать, что ускорение прямо пропорционально приложенной силе:

Ускорение и сила направлены в одну сторону.

Связь ускорения с массой

Во втором эксперименте проследим, как соотносится ускорение с массой тела.

Чтобы проверить зависимость ускорения от массы тела, воспользуемся грузами. Возьмем первый груз и установим на бруске. Динамометр покажет ту же силу, которую мы использовали в предыдущем эксперименте. Итак, если теперь мы прикладываем силу, то ускорение становится меньше. Если мы еще раз массу увеличим, то ускорение будет еще меньше при значении приблизительно той же самой силы (рис. 5). Это говорит о том, что чем больше масса, тем при той же самой приложенной силе ускорение будет меньше.

Рис. 5. Ускорение обратно пропорционально массе

Ускорение будет прямо пропорционально обратному значению массы. Чем больше масса, тем ускорение будет меньше.

Второй закон Ньютона

В результате проведенных экспериментов и был сформулирован второй закон Ньютона. Второй закон Ньютона говорит о том, что тело будет двигаться с ускорением, если на него действует сила.

Формулировка закона

Ускорение, приобретаемое телом под действием силы, прямо пропорционально величине этой силы и обратно пропорционально массе тела:

К этому необходимо добавить еще то, что под силой в данном случае понимается равнодействующая всех сил. То есть векторная сумма всех сил, действующих на тело.

 

Как искать равнодействующую сил

Ускорение, приобретаемое телом под действием силы, прямо пропорционально величине этой силы и обратно пропорционально массе тела.

Как быть, если на тело действует несколько сил? В подобных ситуациях необходимо определить равнодействующую (результирующую) силу.

Равнодействующая сила (результирующая) – это сила, результат действия которой эквивалентен суммарному действию всех сил, приложенных к телу (рис. 6).

Рис. 6. Равнодействующая сила

В 9 классе мы будем рассматривать только те ситуации, когда все силы приложены к одной точке тела. Эту точку называют центром тяжести или центром масс тела. Силы не всегда взаимно увеличивают друг друга, то есть равнодействующая сила не всегда равна алгебраической сумме всех сил, действующих на тело. На стоящего человека действует две силы: сила тяжести и сила упругости со стороны пола. Однако у стоящего человека скорость равна 0, ускорения нет, а значит, и равнодействующая сила равна 0.

Бывают ситуации, когда силы друг другу помогают. Представьте, что вы зимой катаетесь на санках. Один друг тянет вас за веревку, а второй толкает вас сзади (рис. 7). В этом случае силы складываются.

Рис. 7. Равнодействующая сила для первого случая

Теперь представьте, что один друг по-прежнему тянет санки за веревку, а другой не хочет отдавать сани и тянет в противоположную сторону (рис. 8). В этом случае силы вычитаются. Равнодействующая сила может быть равна 0 (если оба друга тянут сани с одинаковой силой).

Рис. 8. Равнодействующая сила для второго случая

Рассмотрим тело, находящееся на наклонной плоскости (рис. 9). Оно удерживается за счет силы трения.

Рис. 9. Тело на наклонной плоскости

На тело также действует сила тяжести, направленная вертикально вниз, и сила реакции опоры, направленная перпендикулярно к наклонной плоскости. Если тело находится в положении равновесия, то векторная сумма всех сил равна 0:

Ускорение тела в этом случае также равно 0.

Эта ситуация хорошо описана у Крылова в его знаменитой басне про лебедя, рака и щуку. Когда они тянули воз в разные стороны, но в результате он не сдвинулся с места. Равнодействующая всех сил была равна нулю. Воз и ныне там.

 

Второй закон Ньютона в НСО. Центробежная сила

Законы Ньютона выполняются в инерциальных системах отсчета. Как же быть в случае неинерциальных систем отсчета?

Договорились считать, что в НСО, помимо обычных сил, ответственных за появление у тела ускорения, присутствуют силы инерции (они связаны с тем, что НСО движется относительно ИСО ускоренно). Тогда второй закон Ньютона в НСО имеет вид:

Где  – абсолютное ускорение ИСО,  – сила инерции.

Поскольку силы инерции вводятся фиктивно, то для них не действует третий закон Ньютона.

Примером силы инерции является центробежная сила. Представьте себе, что вас вдавливает в кресло при повороте автомобиля. С вашей точки зрения, на вас действует центробежная сила. А с точки зрения наблюдателя на земле, вы продолжаете двигаться по инерции, в то время как кресло стремится повернуть (рис. 10).

Рис. 10. Центробежная сила при повороте автомобиля

 

Единицы измерения силы

Единицей измерения силы в системе СИ является Ньютон:

Второй закон Ньютона лежит в основе решения многих задач динамики.