Урок 21. Сила. Единицы силы. Изображение сил
В природе не бывает действия, бывает только взаимодействие. Взаимодействие тел является причиной изменения их скорости.
Вспомним наш опыт с тележками. Упругая пластинка разгибалась, через неё тележки действовали друг на друга, отчего разгонялись.
Взаимодействовать тележки могут по-разному. Например, если прикрепить к тележкам магниты, направленные друг к другу одноимёнными полюсами, прижать их друг к другу и отпустить, то тележки будут воздействовать друг на друга с помощью магнитного поля, а их скорости будут не такими как в случае с упругой пластиной.
При этом, чтобы подействовать на одну из тележек, не обязательно использовать вторую тележку.
Мы можем толкнуть её рукой; подуть на неё; привязать нитку и потянуть; притянуть магнитом.
Любое из этих взаимодействий меняет скорость тележки. Но если каждый раз нам придётся отдельно изучать взаимодействие тележки с рукой, с воздухом, с ниткой, с магнитом и с любыми другими телами, то решение задач сильно усложнится. Нужен способ, который позволяет оценить действие на тело, вне зависимости от того, что вызвало это действие. Для этого придумали такое понятие как сила. Это одно из основных понятий физики.
Допустим, все перечисленные воздействия на тележку были такими, что при любом из них, скорость менялась одинаково.
Значит, действия всех этих тел имеют что-то общее. Общее у них то, что все они действуют на тележку с одной и той же силой.
Сила – это физическая величина, которая является мерой взаимодействия тел.
Обозначается она буквой F.
На одном из прошлых уроков было выведено соотношение масс тел и изменений их скоростей после взаимодействия.
Взятое со знаком минус изменение скорости первого тела, делённое на изменение скорости второго тела равно обратному отношению масс этих тел.
Допустим, 2 тележки с разной массой стояли неподвижно.
После взаимодействия они набрали разные скорости v1 и v2. Масса второй тележки m2 в данном случае больше массы первой тележки m1.
Минус говорит о том, что тележки двигаются в разных направлениях.
В уравнении и слева и справа есть что-то, что характеризует обе тележки.
Используя свойство пропорций, перепишем уравнение.
В левой части уравнения стоит масса первой тележки и изменение скорости первой тележки. В правой части – масса второй тележки и изменение скорости второй тележки.
Теперь уберём вторую тележку. И подвергнем первую тележку взаимодействию с другим телом: с магнитом, с рукой или с любым другим телом, но так, чтобы скорость тележки менялась точно так же, как при взаимодействии со второй тележкой.
Тогда мы можем сказать, что со стороны любого другого тела на тележку подействовала одна и та же сила.
Следовательно, то, что стоит в левой части уравнения, характеризует воздействие силы на это тело.
То есть сила пропорциональна произведению массы тела на изменение его скорости.
Чем больше сила, тем больше меняется скорость тележки за одно и то же время. Например, если скорость увеличилась в 2 раза при действии другой силы, значит другая сила в 2 раза больше первой.
Или, если мы возьмём тележку с массой в 2 раза большей, чем первая масса, а изменение скорости останется таким же, как и у первой тележки, значит сила, действующая на вторую тележку в 2 раза больше силы, действующей на первую тележку.
Помимо величины действующей силы, на изменение скорости влияет длительность действия этой силы. Чем дольше действует сила, тем больше изменение скорости.
Пусть t — это время, в течение которого действует сила.
Тогда если умножить силу на время её действия, то результат будет прямо пропорционален произведению массы тела на изменение его скорости.
Например, если сила действует на тело не 1 секунду, а 5 секунд, значит, каждую секунду скорость меняется на одну и ту же величину и общее изменение скорости будет в 5 раз больше.
Если есть пропорциональность, должен быть коэффициент пропорциональности. Назовём его буквой k. То есть должна быть какая-то постоянная величина, при которой будет верным следующее равенство.
Чтобы не усложнять формулу, было бы удобно, чтобы этот коэффициент был равен единице. Тогда его можно будет не записывать в формуле.
Чтобы коэффициент оказался равен единице, нужно выбрать соответствующие единицы измерения силы.
Итак, если k = 1, тогда произведение силы на время, в течение которого изменялась скорость, равно произведению массы тела на изменение его скорости под действием этой силы.
Отсюда сила равна произведению массы тела на изменение его скорости, делённому на время.
Следовательно, сила должна измеряться в следующих единицах.
Единица массы – это килограмм, скорость измеряется в метрах в секунду. Время измеряется в секундах.
Получается единица измерения силы — это кг умножить на метр, делить на секунду в квадрате.
Но сила настолько важная физическая величина, что для неё придумана специальная единица измерения. Она обозначается большой буквой Н и называется Ньютон, в честь английского учёного Исаака Ньютона.
1 Ньютон – это сила, которая, действуя на тело массой 1 килограмм, изменяет его скорость на 1 метр в секунду каждую секунду.
Теперь вернёмся к этому уравнению.
Разделим обе его части на время, в течение которого тела взаимодействовали.
Исходя из формулы силы, левая часть является силой, действующей на первое тело. Обозначим её F1.
С правой стороны масса и изменение скорости второго тела. Значит это сила, действующая на второе тело со стороны первого. Время при этом то же самое. Ведь сколько времени действовало первое тело на второе, столько же и второе тело действовало на первое.
Получается, эти силы одинаковы по модулю. То есть тела действуют друг на друга с одинаковой силой по величине.
Знак минус означает, что эти силы имеют противоположные направления. То есть сила действия равна силе противодействия.
Напомню, что величина, которая кроме численного значения имеет ещё и направление, называется вектором. Так как сила имеет направление, она является вектором. Значит, когда мы имеем в виду не только численное значение силы, но и её направление, над буквой F нужно ставить стрелку.
Когда сила действует на какое-то тело, важна не только её величина и направление, но и место на теле, к которому она приложена.
На столе лежит диск.
Если приложить к нему силу в точке А, то диск будет двигаться только в направлении силы. Если её приложить в точке B, то диск будет двигаться в направлении этой силы и одновременно поворачиваться. Заметьте, направление силы не менялось. Менялись лишь точки приложения силы. Разные точки приложения по-разному действовали на диск.
Получается действие силы зависит:
1) От её величины, иначе говоря, от модуля
2) От направления
3) И от точки приложения
Поэтому при изображении силы на рисунке, должно быть понятно, какая у неё величина, направление и точка приложения.
Вектор на рисунке изображается в виде стрелки. Причём длина этой стрелки несёт информацию о модуле вектора. Чем больше модуль, тем больше стрелка.
Сила не только меняет скорость тела, но ещё и меняет форму тела, то есть деформирует его. Пружина под действием силы сжимается. Тонкая палка, двигающая тело изгибается. Но если присмотреться к тому, что такое деформация, то можно увидеть, что когда тело меняет свою форму, это значит, что его разные части двигаются с разной скоростью. То есть деформация – это разное изменение скоростей разных точек тела.
Поэтому можно сказать, что сила изменяет скорость либо всего тела, либо отдельных его точек.