Что такое сила в физике? Понятие и формулы силы

Все окружающие нас процессы происходят в результате действия той или иной физической силы. С ее проявлением человек встречается повсюду, начиная с того, что ему приходиться прикладывать силу, чтобы встать утром с постели, и заканчивая движениями массивных космических объектов. Данная статья посвящена вопросам, что такое сила в физике, и какие ее виды существуют.

Понятие о силе

Вопрос, что такое сила в физике, начнем рассматривать с ее определения. Под ней полагают величину, способную изменять количество движения рассматриваемого тела. Математическое выражение для этого определения выглядит так:

F¯ = dp¯/dt

Здесь dp¯ - это изменение количества движения (иначе его называют импульсом), dt - промежуток времени, за который оно изменяется. Отсюда видно, что F¯ (сила) является вектором, то есть для ее определения необходимо знать, как модуль (абсолютное значение), так и направление ее приложения.

Как известно, импульс измеряется в кг*м/с. Это означает, что F¯ вычисляется в кг*м/с². Эта единица измерения получила название ньютона (Н) в СИ. Поскольку единица м/с² - это мера измерения линейного ускорения в классической механике, то из определения силы автоматически следует 2-й закон Исаака Ньютона:

F¯ = m*a¯

В такой формуле a¯ = dv¯/dt - ускорение.

Эта формула силы в физике показывает, что в ньютоновской механике величина F¯ характеризуется ускорением, которое она может сообщить телу с массой m.

Классификация видов сил

Тема силы в физике является достаточно широкой, и при детальном рассмотрении она затрагивает фундаментальные понятия о строении материи и о процессах, происходящих во Вселенной. В данной статье мы не будем рассматривать понятие релятивистской силы (процессы, происходящие при околосветовых скоростях) и силы в квантовой механике, а ограничимся лишь ее описанием для макроскопических объектов, движение которых определяется законами классической механики.

Итак, исходя из каждодневного наблюдения за процессами в быту и природе, можно выделить следующие виды силы:

• тяготения (тяжести);
• воздействие опоры;
• трения;
• натяжения;
• упругости;
• отдачи.

Раскрывая вопрос, что такое сила в физике, рассмотрим каждый из названных видов подробнее.

Всемирное тяготение Ньютона

В физике действие силы тяготения проявляется в притяжении двух объектов, обладающих конечной массой. Сила тяжести является достаточно слабой, если ее сравнивать с электрическими или ядерными взаимодействиями. Она проявляется в космических масштабах (движение планет, звезд, галактик).

В XVII веке Исаак Ньютон, изучая движение планет вокруг Солнца, пришел к формулировке закона, который носит название всемирного тяготения. В физике формула силы гравитации записывается так:

F = G*m₁*m₂/r²

Формула позволяет рассчитать, с какой силой два тела массами m₁*m₂, находящиеся на расстоянии r друг от друга, притягиваются. Величина G = 6,674*10⁻¹¹ Н*м²/кг² - константа.

Экспериментальное определение значения G было выполнено лишь в конце XVIII века Генри Кавендишем, который использовал в своем опыте крутильные весы. Этот эксперимент позволил определить массу нашей планеты.

В формуле выше, если одним из тел будет наша Земля, тогда сила тяготения для любого предмета, находящегося вблизи земной поверхности, будет равна:

F = G*M *m /R² = m*g,

где g = G*M/R²

Здесь M - масса планеты, R - ее радиус (расстояние между телом и центром Земли приблизительно равно радиусу последней). Последнее выражение является математическим представлением величины, которую принято называть весом тела, то есть:

P = m*g

Выражение показывает, что в физике сила тяжести эквивалентна весу тела. Величину P измеряют, зная силу противодействия опоры, на которой находится данное тело.

Реакция опорной поверхности

Почему человек, дома и другие объекты не проваливается под землю? Почему книга, положенная на стол, не падает? Эти и другие подобные факты объясняются существованием силы реакции опоры, которую часто обозначают буквой N. Уже по названию понятно, что она является характеристикой воздействия на тело поверхности, на которой оно находится.

Исходя из отмеченного факта равновесия, можно записать выражение:

N = -P = -m*g

(для горизонтального положения тела)

То есть сила опоры равна по модулю весу тела, если оно находится на горизонтальной поверхности, и противоположна ему по направлению. Если тело расположено на наклонной плоскости, то расчет N осуществляется уже с использованием тригонометрической функции (sin(x) или cos(x)), поскольку P направлен всегда к центру Земли (вниз), а N направлена перпендикулярно плоскости поверхности (вверх).

Понимание причины возникновения силы N выходит за рамки классической механики. В двух словах скажем, что она является прямым следствием так называемого принципа запрета Паули. Согласно нему два электрона не могут находиться в одном состоянии. Этот факт приводит к тому, что если сближать два атома, то, несмотря на их 99% пустоту, электронные оболочки не смогут проникнуть друг в друга, и появляется сильное отталкивание между ними.

Сила трения

В физике этот вид силового воздействия является не менее частым, чем рассмотренные выше. Возникает трение всегда, когда объект начинает двигаться. В общем случае в физике силу трения принято относить к одному из 3-х типов:

• покоя;
• скольжения;
• качения.

Первые два типа описываются следующим выражением:

F = μ*N

Здесь μ - коэффициент трения, значение которого зависит, как от типа силы (покоя или трения), так и от материалов трущихся поверхностей.

Трение качения, ярким примером которого является движущееся колесо, рассчитывается по формуле:

F = f*N/R

Здесь R - радиус колеса, f - коэффициент, который отличается от μ не только значением, но и размерностью (μ безразмерен, f измеряется в единицах длины).

Любой тип силы трения всегда направлен против движения, прямо пропорционален силе N и не зависит от площади соприкосновения поверхностей.

Причиной появления трения между двумя поверхностями является наличие на них микронеоднородностей, приводящих к их "зацеплению" подобно маленьким крючочкам. Это простое объяснение является достаточно хорошей аппроксимацией реально происходящего процесса, который намного более сложен, и для глубокого понимания предполагает рассмотрение взаимодействий в атомных масштабах.

Приведенные формулы относятся к трению твердых тел. В случае же текучих субстанций (жидкости и газы) трение также присутствует, только оно уже оказывается пропорциональным скорости движения объекта (квадрату скорости при быстрых перемещениях).

Сила натяжения

Что такое сила в физике, когда рассматривают перемещения грузов с использованием веревок, канатов и тросов? Она называется силой натяжения. Ее принято обозначать буквой T (см. рис. выше).

Когда рассматривают задачи по физике на силу натяжения, то в них часто возникает такой простой механизм, как блок. Он позволяет перенаправлять действующую силу T. Специальные конструкции из блоков дают выигрыш в прилагаемой для подъема груза силе.

Явление упругости

Если деформации твердого тела невелики (до 1%), то после приложения внешнего усилия они полностью исчезают. Во время этого процесса деформация совершает работу, создавая так называемую силу упругости. Для пружины эта величина описывается законом Гука. Соответствующая формула имеет вид:

F = -k*x

Здесь x - это величина смещения пружины из состояния ее равновесия (абсолютная деформация), k - коэффициент. Знак минус в выражении показывает, что сила упругости направлена против любой деформации (растяжение и сжатие), то есть она стремится восстановить равновесное положение.

Физическая причина появления сил упругости и натяжения одна и та же, она заключается в возникновении притяжения или отталкивания между атомами вещества, когда изменяется равновесное расстояние между ними.

Сила отдачи

Все знают, что при стрельбе из любого огнестрельного оружия возникает так называемая отдача. Она проявляется в том, что приклад ружья ударяет по плечу стрелка, а танк или пушка откатываются назад, когда вылетает снаряд из дула. Все это проявления силы отдачи. Формула для нее аналогична той, которая была дана в начале статьи при определении понятия "сила".

Как можно догадаться, причина появления сил отдачи заключается в проявлении закона сохранения импульса системы. Так, вылетевшая из дула ружья пуля уносит ровно такой импульс, которым приклад бьет по плечу стрелка, в итоге полное количество движения остается постоянным (равным нулю для относительно покоящейся системы).