Что такое сила?
Прежде чем рассматривать вопрос единицы измерения силы в системе СИ, разберемся с самим понятием силы.
В классической физике под ней понимают величину, которая способна изменять характер движения некоторого объекта, например направление его движения или скорость. Эта физическая величина вместе с энергией определяет интенсивность любых взаимодействий, которые существуют в природе.
Когда говорят о силе, то принято ее рассматривать с двух точек зрения:
- Природа происхождения силы, например гравитационная, электрическая или механическая.
- Результат ее действия, то есть как она повлияла на движение объекта. В данном понимании имеют в виду использование второго закона Ньютона.
Примерами проявления силы в действии являются движение автомобиля (механическая сила, заставляющая вращать его колеса) или падение мяча с некоторой высоты (сила земного притяжения).
Сила упругости
При деформации формы тела появляется еще одна сила. Она направлена на то, чтобы вернуть телу первоначальное состояние. Сила упругости может возникнуть при электрическом взаимодействии частиц. Деформации бывают двух основных видов: сжатие и растяжение. При растяжении происходит увеличении линейных размеров тела. Сжатие характеризуется обратным процессом, в ходе которого наблюдается уменьшение линейных размеров тела.
Формула силы упругости имеет следующий вид:
$Fy = kx$
Она используется только при упругих деформационных процессах.
Историческая справка
Появление концепции силы относится ко временам философов Древней Греции. В частности, Архимед полагал, что любое тело пребывает в состоянии покоя, если на него не оказывают воздействие остальные тела, то есть философ рассматривал силу в статике.
Первое определение этой физической величины с динамических позиций приписывается Галилею (XVII век), который, в отличие от Архимеда, полагал, что отсутствие взаимодействия с другими объектами рассматриваемого тела не будет менять его инерционное движение.
Современную концепцию силы развил в своих трудах Исаак Ньютон. Он подробно определил это понятие, включив его во все законы классической механики. Так, Ньютон определил, что интенсивность взаимодействия абсолютно любых тел, имеющих конечную массу, уменьшается, как квадрат расстояния (закон всемирного тяготения). Только спустя один век (конец XVIII в.) Генри Кавендиш, используя крутильные весы, смог измерить гравитационную постоянную, которая была введена Ньютоном. За перечисленные заслуги Ньютона в физике, единица измерения силы в системе СИ получила название по его фамилии.
В современной физике понятие силы используется главным образом для описания макроскопических объектов. В квантовой механике и физике элементарных частиц чаще оперируют концепцией «энергия».
Что это модуль скорости?
Каждое тело в процессе перемещения развивает энную скорость, которая характеризуется двумя параметрами: направление и модуль. Что же это модуль скорости? Это число, обозначающее, насколько быстро перемещается тело. Сама скорость является вектором. У нее есть все свойства вектора перемещения, так как выражается посредством него и обладает всеми свойствами данного вектора.
Для определения модуля скорости необходимо учитывать закон движения со всеми своими правилами. Вычисление модуля скорости может осуществляться посредством графика движения. Если недостаточно понятно, что это модуль скорости тела можно использовать одно из понятий: скалярная величина и алгебраическая скорость. Скорость как вектор это величина с направлением и численным значением, при этих условиях модуль скорости тела это не что иное, как длина этого вектора.
Чаще всего речь о прямолинейном движении в рамках координат (x;t). В таком случае для определения данного параметра подойдет формула:
v = S/t = (x — x0)/t.
Читайте также: Электросчетчик СА4У-510 — трехфазный, индукционный. Межповерочный интервал со 5у
Это значит, что необходимо нужно отнять начальную координату от конечной координаты. Полученный результат нужно разделить на то время, за которое имело место изменение координаты.
Пример определения модуля скорости одного тела относительно другого на основе задачи: два тела перемещаются со скоростью 8 и 6 м/с. Направление их движения перпендикулярное друг другу. Поэтапное решение осуществляется таким образом:
- Вычисляется скорость v21 на базе закона сложения скоростей v2 = v21 + v1, а значит v21 = v2 – v1.
- Определяется модуль скорости тела согласно теореме Пифагора.
Международная система единиц и Ньютон
Под этим названием понимают систему мер и величин, которая кратко обозначается СИ (с франц. Système International). В ее основу положены 7 основных физических величин (ампер, кельвин, секунда, кандела, килограмм, метр и моль). СИ была принята в 1960 году, а в 1971 году в нее была добавлена последняя фундаментальная величина «моль».
В системе СИ единица измерения силы — ньютон. Под ним понимают такую категорию, которая, действуя на тело с массой 1 кг, ускоряет его движение на 1 м/с за каждую секунду времени. В русском языке принято обозначение ньютона [Н], на латинице же оно записывается как [N].
Применение утвержденных в СИ приставок к основным единицам измерения позволяет получить их дробные или большие значения. Для силы это могут быть, например, мкН (микроньютон, 1 мкН = 10-6 Н), мН (миллиньютон, 1 мН = 10-3 Н) или кН (килоньютон, в ньютонах это 1000 Н).
Любопытно отметить, что ньютон не входит в число 7 фундаментальных единиц измерения силы в системе СИ, поэтому он является производной единицей. В частности, 1 [Н] = 1 [кг*м/с2], то есть он выражается через килограмм (масса), метр (расстояние) и секунду (время).
Кратные и дольные единицы ньютона:
Кратные и дольные единицы образуются с помощью стандартных приставок СИ.
| Кратные | Дольные | ||||||
| величина | название | обозначение | величина | название | обозначение | ||
| 101 Н | деканьютон | даН | daN | 10−1 Н | дециньютон | дН | dN |
| 102 Н | гектоньютон | гН | hN | 10−2 Н | сантиньютон | сН | cN |
| 103 Н | килоньютон | кН | kN | 10−3 Н | миллиньютон | мН | mN |
| 106 Н | меганьютон | МН | MN | 10−6 Н | микроньютон | мкН | µN |
| 109 Н | гиганьютон | ГН | GN | 10−9 Н | наноньютон | нН | nN |
| 1012 Н | тераньютон | ТН | TN | 10−12 Н | пиконьютон | пН | pN |
| 1015 Н | петаньютон | ПН | PN | 10−15 Н | фемтоньютон | фН | fN |
| 1018 Н | эксаньютон | ЭН | EN | 10−18 Н | аттоньютон | аН | aN |
| 1021 Н | зеттаньютон | ЗН | ZN | 10−21 Н | зептоньютон | зН | zN |
| 1024 Н | иоттаньютон | ИН | YN | 10−24 Н | иоктоньютон | иН | yN |
Работа силы в системе СИ
Выше уже было упомянуто, что концепции силы и энергии тесно связаны друг с другом. Эту связь наглядно можно выразить через работу. В физике работа — это величина, получаемая в результате произведения модуля силы, которая действует на тело в направлении его перемещения, на это самое перемещение. В математическом виде можно записать: A = F*l, где F — модель силы, l — расстояние, на которое переместилось тело в результате действия F.
В СИ сила в ньютонах измеряется, а расстояние в метрах, поэтому работа будет выражаться в Н*м. Однако эта величина имеет собственное название: джоуль (Дж), то есть она выражается в тех же единицах, что и энергия.
Сила Лоренца
В исследовании элементарных частиц активно используются данные спектографов, где фиксируется уровень взаимодействия магнитного поля с зарядом. В подобном процессе возникает иная сила, которую охарактеризовал при помощи своего уравнения Лоренц. Она возникает при попадании в магнитное поле заряженной частицы, которая движется с определенной скоростью.
Сила Лоренца определяется формуле в виде:
$F = vBqsinα$, где:
- $v$ – модуль скорости частицы,
- $В$ – магнитная индукция поля,
- $q$ – электрический заряд изучаемой частицы.
Эта сила вызывает движение заряженной частицы по окружности.
Взаимодействие магнитного поля и вещества используется в циклотронах, где пытаются родить процесс термоядерной реакции, однако до сих пор не существует эффективного способа создания нового источника энергии.
Читайте также: Принцип работы однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой
Каким прибором измеряют силу?
Для измерения силы в ньютонах, килоньютонах, миллиньютонах используют прибор, который называется динамометр. Изобретен он был еще Исааком Ньютоном. Прибор представляет собой пружину, закрепленную на градуированной линейке. Поскольку растяжение пружины описывается законом Гука, то есть является упругим, то сила всегда прямо пропорциональна величине удлинения пружины. Этот факт и используется в динамометре при его градуировке.
Помимо динамометра для измерения слишком маленьких сил используют крутильные весы, основным элементом работы которых является так называемый крутильный маятник. Измерение силы с помощью этих весов основано на упругой сдвиговой деформации рабочего элемента.
Измерение сил
Результатом взаимодействия тел является деформация тела или его ускорение (или то и другое одновременно). Любе проявление силы можно использовать для ее измерения.
Существуют разные способы измерения сил. Например, на основе способности сил вызывать упругую деформацию твердых тел. Самый простой прибор для измерения силы — это пружинный динамометр. Такая модификация динамометра, как крутильные весы, имеют очень высокую чувствительность и являются одним из самых совершенных приборов в физике. При помощи крутильных весов равенство инертной массы и гравитационной было установлено с относительной погрешностью в ${10}^{-12}.$
Для измерения силы на основе явления упругой деформации выбирают, как эталон пружину, для которой известно, что при растяжении на заданную длину пружина действует на закрепленное на ней тело, силой$ F_0$, которая направлена по оси пружины. Считаем, что две любые силы равны и имеют противоположные направления, если они действуют одновременно, а тело в инерциальной системе отсчета находится в покое или равномерно и прямолинейно движется. Тогда такой эталон можно дублировать в любом количестве. Имея описанную выше пружину можно установить наличие силы, но для ее измерения наш динамометр следует градуировать.
Сила в других системах единиц
Система СИ используется во всем мире и во всех областях исследования, тем не менее, в некоторых сферах в виду исторических причин или простого удобства применения продолжают указываться единицы измерения из других систем. Перевод всех их в единицы СИ также стандартизированы.
Одной из популярных является система СГС (сантиметр, грамм, секунда). Эта система была предложена еще в 1832 году немецким ученым Гауссом. В ней сила измеряется в динах (дин), 1 дин эквивалентна 10-5 ньютонов. СГС часто используется для описания электромагнитных явлений, поскольку в ее форме представления многие законы выглядят проще, чем в единицах СИ.
Еще одна система единиц, которую принято называть технической, часто использовалась для описания процессов инженерии. В ней сила является фундаментальной единицей, через которую определяется масса. Называется она килограмм-силой или килопондом. Килограмм-сила представляет собой такую интенсивность воздействия на тело массой 1 кг, которая равна силе гравитационного притяжения этого тела Землей, то есть 1 килопонд = 9,81 ньютона. С появлением СИ техническая система единиц практически перестала использоваться.
Что же это за машина, что способна измерить силу?
Его относят к приборам, измеряющим силы или силовые моменты. Промышленные предприятия, на которых требуются силовые измерения, применяют подобные приспособления. Часто они необходимы для того, чтобы осуществить плановые поверки стендов, а также агрегатов, которые предназначены для различных испытаний. Используют их и при поверках силовых приборов, когда требуется определить силы 1 или 3 разрядов. Широко применяются данные приборы и в качестве эталонных средств по ГОСТу 8.065 и в тех работах, где нужно производить калибровку.
Первым прибором, который помогал измерить силы, были весы. Впервые их изображение появилось в печати в семнадцатом веке. В следующем столетии Сальтером было предложено для подобных целей устройство с пружиной, при помощи груза она растягивалась. Был прибор с циферблатом, там измерение выполнялось замкнутой кольцеобразной пружиной. Уже позже появились нажимы Прони и динамометры Томсона, Броуна, Межи и Геффнер-Альтенека. Последние модели усовершенствовали, и на сегодняшний день представилась возможность использовать их во многих отраслях.
Основные элементы, которые включают динамометры растяжения: силовое звено (упругий элемент) и отсчетное устройство. В силовом звене идет непосредственно измерение усилий: там происходит деформация или небольшие колебания. С их помощью и передаются сигналы на отсчетное устройство. Такими инструментами измеряются усилия в таких единицах измерения, как Ньютоны и килограмм-сила.
Что надо знать о силе
Сила — векторная величина. Необходимо знать точку приложения и направление каждой силы. Важно уметь определить какие именно силы действуют на тело и в каком направлении. Сила обозначается как , измеряется в Ньютонах. Для того, чтобы различать силы, их обозначают следующим образом
Ниже представлены основные силы, действующие в природе. Придумывать не существующие силы при решении задач нельзя!
Сил в природе много. Здесь рассмотрены силы, которые рассматриваются в школьном курсе физики при изучении динамики. А также упомянуты другие силы, которые будут рассмотрены в других разделах.
Сила тяжести
На каждое тело, находящееся на планете, действует гравитация Земли. Сила, с которой Земля притягивает каждое тело, определяется по формуле
Точка приложения находится в центре тяжести тела. Сила тяжести всегда направлена вертикально вниз.
Сила трения
Познакомимся с силой трения. Эта сила возникает при движении тел и соприкосновении двух поверхностей. Возникает сила в результате того, что поверхности, если рассмотреть под микроскопом, не являются гладкими, как кажутся. Определяется сила трения по формуле:
Сила приложена в точке соприкосновения двух поверхностей. Направлена в сторону противоположную движению.
Так как тело представляем в виде материальной точки, силу можно изображать с центра
Сила реакции опоры
Представим очень тяжелый предмет, лежащий на столе. Стол прогибается под тяжестью предмета. Но согласно третьему закону Ньютона стол воздействует на предмет с точно такой же силой, что и предмет на стол. Сила направлена противоположно силе, с которой предмет давит на стол. То есть вверх. Эта сила называется реакцией опоры. Название силы «говорит» реагирует опора. Эта сила возникает всегда, когда есть воздействие на опору. Природа ее возникновения на молекулярном уровне. Предмет как бы деформировал привычное положение и связи молекул (внутри стола), они, в свою очередь, стремятся вернуться в свое первоначальное состояние, «сопротивляются».
Абсолютно любое тело, даже очень легкое (например,карандаш, лежащий на столе), на микроуровне деформирует опору. Поэтому возникает реакция опоры.
Специальной формулы для нахождения этой силы нет. Обозначают ее буквой , но эта сила просто отдельный вид силы упругости, поэтому она может быть обозначена и как
Сила приложена в точке соприкосновения предмета с опорой. Направлена перпендикулярно опоре.
Так как тело представляем в виде материальной точки, силу можно изображать с центра
Сила упругости
Это сила возникает в результате деформации (изменения первоначального состояния вещества). Например, когда растягиваем пружину, мы увеличиваем расстояние между молекулами материала пружины. Когда сжимаем пружину — уменьшаем. Когда перекручиваем или сдвигаем. Во всех этих примерах возникает сила, которая препятствует деформации — сила упругости.
Закон Гука
Сила упругости направлена противоположно деформации.
Так как тело представляем в виде материальной точки, силу можно изображать с центра
При последовательном соединении, например, пружин жесткость рассчитывается по формуле
При параллельном соединении жесткость
Жесткость образца. Модуль Юнга.
Модуль Юнга характеризует упругие свойства вещества. Это постоянная величина, зависящая только от материала, его физического состояния. Характеризует способность материала сопротивляться деформации растяжения или сжатия. Значение модуля Юнга табличное.
Подробнее о свойствах твердых тел здесь.
Вес тела
Вес тела — это сила, с которой предмет воздействует на опору. Вы скажете, так это же сила тяжести! Путаница происходит в следующем: действительно часто вес тела равен силе тяжести, но это силы совершенно разные. Сила тяжести — сила, которая возникает в результате взаимодействия с Землей. Вес — результат взаимодействия с опорой. Сила тяжести приложена в центре тяжести предмета, вес же — сила, которая приложена на опору (не на предмет)!
Формулы определения веса нет. Обозначается эта силы буквой .
Сила реакции опоры или сила упругости возникает в ответ на воздействие предмета на подвес или опору, поэтому вес тела всегда численно одинаков силе упругости, но имеет противоположное направление.
Сила реакции опоры и вес — силы одной природы, согласно 3 закону Ньютона они равны и противоположно направлены. Вес — это сила, которая действует на опору, а не на тело. Сила тяжести действует на тело.
Вес тела может быть не равен силе тяжести. Может быть как больше, так и меньше, а может быть и такое, что вес равен нулю. Это состояние называется невесомостью. Невесомость — состояние, когда предмет не взаимодействует с опорой, например, состояние полета: сила тяжести есть, а вес равен нулю!
Определить направление ускорения возможно, если определить, куда направлена равнодействующая сила
Обратите внимание, вес — сила, измеряется в Ньютонах. Как верно ответить на вопрос: «Сколько ты весишь»? Мы отвечаем 50 кг, называя не вес, а свою массу! В этом примере, наш вес равен силе тяжести, то есть примерно 500Н!
Перегрузка — отношение веса к силе тяжести
Сила Архимеда
Сила возникает в результате взаимодействия тела с жидкость (газом), при его погружении в жидкость (или газ). Эта сила выталкивает тело из воды (газа). Поэтому направлена вертикально вверх (выталкивает). Определяется по формуле:
В воздухе силой Архимеда пренебрегаем.
Если сила Архимеда равна силе тяжести, тело плавает. Если сила Архимеда больше, то оно поднимается на поверхность жидкости, если меньше — тонет.
Схематичное обозначение действующих на тело сил
Часто тело моделируют материальной точкой. Поэтому на схемах различные точки приложения переносят в одну точку — в центр, а тело изображают схематично кругом или прямоугольником.
Для того, чтобы верно обозначить силы, необходимо перечислить все тела, с которыми исследуемое тело взаимодействует. Определить, что происходит в результате взаимодействия с каждым: трение, деформация, притяжение или может быть отталкивание. Определить вид силы, верно обозначить направление. Внимание! Количество сил будет совпадать с числом тел, с которыми происходит взаимодействие.
Главное запомнить
1) Силы и их природа;
2) Направление сил;
3) Уметь обозначить действующие силы
Силы трения
Различают внешнее (сухое) и внутреннее (вязкое) трение. Внешнее трение возникает между соприкасающимися твердыми поверхностями, внутреннее — между слоями жидкости или газа при их относительном движении. Существует три вида внешнего трения: трение покоя, трение скольжения и трение качения.
Трение качения определяется по формуле
Сила сопротивления возникает при движении тела в жидкости или в газе. Величина силы сопротивления зависит от размеров и формы тела, скорости его движения и свойств жидкости или газа. При небольших скоростях движения сила сопротивления пропорциональна скорости тела
При больших скоростях пропорциональна квадрату скорости
Взаимосвязь силы тяжести, закона гравитации и ускорения свободного падения
Рассмотрим взаимное притяжение предмета и Земли. Между ними, согласно закону гравитации возникает сила
А сейчас сравним закон гравитации и силу тяжести
Величина ускорения свободного падения зависит от массы Земли и ее радиуса! Таким образом, можно высчитать, с каким ускорением будут падать предметы на Луне или на любой другой планете, используя массу и радиус той планеты.
Расстояние от центра Земли до полюсов меньше, чем до экватора. Поэтому и ускорение свободного падения на экваторе немного меньше, чем на полюсах. Вместе с тем, следует отметить, что основной причиной зависимости ускорения свободного падения от широты местности, является факт вращения Земли вокруг своей оси.
При удалении от поверхности Земли сила земного тяготения и ускорения свободного падения изменяются обратно пропорционально квадрату расстояния до центра Земли.
