Понятие силы в физике

Равнодействующая сила — понятие, формулы и примеры расчетов

Понятие силы в физике

Для рассмотрения термина «равнодействующая сила» придется воспользоваться некими абстрактными понятиями физики, теоретической механики. Упрощениями, условно отражающими реальный мир 

Итак, примем во внимание, что:

  1. Под объектом понимается не физическое тело с объемом, формой и внутренней структурой. Подразумевается «материальная точка», характеризующаяся только массой.

    То есть величиной, определяющей инерцию (стремление сохранять неподвижность) и гравитационные взаимодействия (притяжение предметов). Не стоит путать с весом.

    Последний является проявлением гравитации и меняется в зависимости от места измерения (географической широты).

  2. События и наблюдения происходят в инерциальной системе отсчета. Где пространство и время однородны (идентичны в любой точке). Поворот системы отсчета не влияет на измерения.

  3. Рассуждения корректны для скоростей существенно ниже скорости света и не распространяются на субатомный уровень.

Понятие силы

Возникло еще в трудах древнегреческих ученых. Носило скорее философский характер и было довольно запутанным и неоднозначным, что не мешало при этом античным инженерам-практикам производить весьма точные расчеты, поскольку понимание силы как причины движения было для них безусловным.

Позже проблемой занимались такие титаны как Роджер Бэкон и Уильям Оккам (английские философы и естествоиспытатели). Опять-таки без строгого физического подхода, но с более глубоким пониманием темы (теория «дальнодействия»).

Бэкман, Декарт, Галилей аргументированно оспорили архаичные теории. Классическая механика пробивала дорогу.

Иоганн Кеплер также придавал сначала силе эзотерические свойства. Но наблюдения за закономерностями перемещения небесных тел убили плохого теолога и породили ученого. Логично появилась идея общей силы тяготения. До Ньютона, вопреки распространенному заблуждению.

Ньютон подытожил и объединил ранее накопленные знания. Установил формулу зависимости действующей на тело силы с его движением (II-ой закон).

Где:

  • F – вектор (также имеется направление приложения) силы. В принятой РФ системе СИ (ISQ) измеряется в Ньютонах (Н, N в международном написании);
  • m – масса материальной точки (кг);
  • a – вектор получаемого ускорения (м/с2).

При этом определение силы дано не было. Оно и понятно: явление не существует само по себе. Термин появился только для удобства расчетов и подразумевает меру воздействия стороннего тела или поля на наблюдаемый объект.

Возможно, что гравитация является действием поля. Закон всемирного тяготения был введен также Ньютоном.

Где:

·         G – гравитационная постоянная;

·         m1, m2 – массы материальных точек (кг);

·         R – дистанция между объектами (м).

Тяготение Земли рассчитывается по традиционной формуле II-го закона Ньютона. Только «a» меняется на ускорение свободного падения «g».

Для примерных выкладок g берут равным 9,81 м/с2, что соответствует средней широте 45,5°. Для точных пользуются соответствующими таблицами.

Как измерить силу

В соответствии с I-м законом Ньютона, в инерциальных системах отсчета тело движется равномерно и прямолинейно либо покоится при отсутствии приложенных к нему сил. Или эти силы чем-то скомпенсированы.

Уравновесить усилие можно калиброванной пружиной, динамометром. Это статический способ. Типичный пример – замер силы тяжести при помощи весов.

Рассчитать силу можно, зная массу предмета и его ускорение. II-ой закон в помощь. В этом состоит динамический метод.

Равнодействующая сила

Если действуют несколько факторов одновременно, то результирующую силу можно найти по геометрическим правилам сложения. 

Результат будет называться «вектор равнодействующей всех сил».

Или так:

Лежащий неподвижно на горизонтальной поверхности объект подвергается действию двух сил — тяжести и реакции опоры. Они равны по модулю и противоположно направлены: ведь объект покоится и равнодействующая сила равна нулю.

Примеры решения задач

Машина массой 1 тонна движется по ровной горизонтальной поверхности с ускорением 1 м/с2. Тяга силового агрегата составляет 1500 Н. Укажите действующие на транспортное средство силы.

Решение.

Сила тяжести направлена вертикально вниз. Модуль определяется следующим образом:

Fт = mg = 1000 (кг) х 9,81 (м/с2) = 9810 (Н).

Упругая реакция дороги направлена противоположно и равна тяготению, поскольку движение в данной плоскости отсутствует и равнодействующая равна нулю.

Горизонтальная равнодействующая:

F = ma = 1000 (кг) х 1 (м/с2) = 1000 (Н).

Сопротивление:

Fcопр = Fтяги – F = 1500 (Н) – 1000 (Н) = 500 (Н).

Заключение

Несколько выводов напоследок:

  1. Состояние покоя и прямолинейное равномерное движение механически аналогичны.

  2. Сила придает телу ускорение, зависящее от массы объекта.

  3. Равнодействующая образуется геометрическим суммированием приложенных к материальной точке векторов сил.

Источник: https://nauka.club/fizika/ravnodeystvuyushchaya-sila.html

Сила — Класс!ная физика

Понятие силы в физике

«Физика — 10 класс»

Что является причиной изменения скорости тел?
Что можно сказать о скорости и ускорении тела, к которому не приложена никакая сила?

Основное утверждение механики состоит в том, что ускорения тел определяются действиями на них других тел.

Силой в механике называют количественную меру действия тел друг на друга, в результате которого тела получают ускорения или испытывают деформацию.

Это определение основано на главном утверждении механики:

1) ускорения тел вызываются силами;
2) силы, действующие на тело, обусловлены действиями на него других тел.

Сила — мера взаимодействия тел.

Понятие силы относится к двум телам.

С самого начала нужно отчётливо представить себе, что понятие силы относится именно к двум телам, а не к одному. Всегда можно указать тело, на которое действует сила, и тело, со стороны которого она действует. Так, сила тяжести действует на камень со стороны Земли, а на шарик, подвешенный на пружине, действует сила упругости со стороны пружины.

Сила имеет направление. Так, сила упругости растянутой пружины действует вдоль её оси. Сила трения останавливает скользящую по льду шайбу и направлена против скорости её движения.

Сила — векторная величина.

Сравнение сил.

Для количественного определения силы мы должны уметь её измерять. Только при этом условии можно говорить о силе как об определённой физической величине. Но ведь действия на данное тело могут быть самыми разнообразными.

Что общего, казалось бы, между силой притяжения Земли к Солнцу и силой, которая, преодолевая тяготение, заставляет взмывать вверх ракету, или между этими двумя силами и силой, сжимающей мяч в руке, определяемой сокращением мускул? Ведь они совершенно различны по своей природе! Можно ли говорить о них как о чём-то физически родственном? Можно ли сравнивать их?

Две силы независимо от их природы считаются равными и противоположно направленными, если их одновременное действие на тело не меняет его скорости (т. е. не сообщает телу ускорение).

Это определение позволяет измерять силы, если одну из них принять за единицу измерения.

Измерение сил.

Для измерения сил необходим эталон единицы силы. В качестве эталона единицы силы выберем силу 0, с которой некоторая определённая (эталонная) пружина при фиксированном растяжении Δх действует на прикреплённое к ней тело (рис. 2.1). Сила упругости пружины направлена вдоль оси пружины.

Установим способ сравнения сил с эталонной силой.

По определению две силы считаются равными и противоположными по направлению, если при одновременном действии они не сообщают телу ускорение.

Следовательно, измеряемая сила 1 равна по модулю эталонной силе 0 и направлена в противоположную сторону, если под воздействием этих сил тело не получает ускорение (см. рис. 2.1).

Причём сила 1 может быть любой природы: силой давления, силой трения и т. д.

Если к телу прикрепить две пружины и растянуть их также на Δх (рис. 2.2), то равнодействующая сила будет равна 20 . Сила 2 , направленная в противоположную сторону, по модулю также равна 20 , если все три силы, действуя одновременно на тело, не сообщают ему ускорение.

Таким образом, располагая эталоном силы, мы можем измерять силы, кратные эталону.

Для этого к телу, на которое действует измеряемая сила, прикладывают в сторону, противоположную её направлению, такое количество эталонных сил, чтобы тело не получило ускорение, и подсчитывают число эталонных сил.

Естественно, что при этом мы можем измерить силу не меньше эталонной силы 0 и ошибка измерения будет также не меньше ошибки измерения эталонной силы.

Выбрав эталонную силу достаточно малой, можно в принципе производить измерения разных сил с требуемой точностью.

Динамометр.

На практике для измерения сил применяют динамометр (рис. 2.3). Использование динамометра основано на том, что при упругой деформации удлинение пружины прямо пропорционально приложенной к ней силе. Поэтому по длине пружины можно судить о значении силы.

О силах в механике.

В механике не рассматривается природа тех или иных сил и не делаются попытки выяснить, вследствие каких физических процессов появляются те или иные силы. Это задача других разделов физики.

В механике важно лишь знать, при каких условиях возникают силы, каковы их направления и чему равны их модули, т. е. знать, как силы зависят от расстояний между телами и от скоростей их движения. А знать модули сил, определять, когда и как они действуют, можно, не вникая в природу сил, а лишь располагая способами их измерения.

В механике имеют дело с тремя типами сил: гравитационными силами, силами упругости и силами трения. Модули и направления этих сил определяются опытным путём. Важно, что все рассматриваемые в механике силы зависят либо только от расстояний между телами или от расположения частей тела (гравитация и упругость), либо только от относительных скоростей тел (трение).

Когда человек не может поднять тяжёлую вещь, он говорит: «Не хватает сил». При этом, в сущности, происходит сравнение двух совершенно разных по своей природе сил — мускульной силы и силы, с которой Земля притягивает этот предмет.

Но если вы подняли тяжёлый предмет и держите его на весу, то ничто не мешает вам утверждать, что сила, действующая на тело со стороны ваших рук, по модулю равна силе тяжести.

Это утверждение, по существу, и является определением равенства сил в механике.

Источник: «Физика — 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский

Следующая страница «Инертность тела. Масса. Единица массы»
Назад в раздел «Физика — 10 класс, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский»

Динамика — Физика, учебник для 10 класса — Класс!ная физика

Основное утверждение механики — Сила — Инертность тела. Масса.

Единица массы — Первый закон Ньютона — Второй закон Ньютона — Принцип суперпозиции сил — Примеры решения задач по теме «Второй закон Ньютона» — Третий закон Ньютона — Геоцентрическая система отсчёта — Принцип относительности Галилея.

Инвариантные и относительные величины — Силы в природе — Сила тяжести и сила всемирного тяготения — Сила тяжести на других планетах — Примеры решения задач по теме «Закон всемирного тяготения» — Первая космическая скорость — Примеры решения задач по теме «Первая космическая скорость» — Вес. Невесомость — Деформация и силы упругости. Закон Гука — Примеры решения задач по теме «Силы упругости. Закон Гука» — Силы трения — Примеры решения задач по теме «Силы трения» — Примеры решения задач по теме «Силы трения» (продолжение) —

Источник: http://class-fizika.ru/10_a21.html

Понятие силы в физике

Понятие силы в физике

Существует огромное разнообразие понятий «сила». Оно употребляется в различных областях науки и жизнедеятельности. Наиболее обширное определение дается в физике.

Определение 1

В физике сила представляет собой меру взаимодействия различных тел.

Все тела в окружающем мире взаимно влияют друг на друга. Подобное взаимодействие порождается определенными силами. Эти силовые процессы напрямую связаны:

  • с изменением скорости;
  • с деформацией тел.

Формула силы формирует определенную математическую модель, согласно которой происходит история исследования зависимости силы от основных параметров. Результатом исследований должны стать экспериментальные доказательства существования подобной зависимости.

Сила имеет в системе СИ собственную единицу измерения. Для определения этого показателя применяют специальное научное оборудование. Простейшим прибором при измерении силы является динамометр.

Это прибор сравнивает силу, которая действует на тело, с силой упругости пружины, установленной в силометре.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Сила является векторной величиной и определяется:

  • точкой приложения;
  • направлением действия;
  • абсолютной величиной.

Определение 2

Сила в 1 ньютон (Н) – сила, под действием которой тело в 1 килограмм изменяет собственную скорость на 1 метр за одну секунду.

При описании силы в обязательном порядке указываются ее параметры.

Сила давления

Существует несколько видов взаимодействий, имеющих природное начало:

  • гравитационное взаимодействие;
  • электромагнитные взаимодействия;
  • слабые и сильные взаимодействия.

Они окружают любое тело, которое имеет массу. Сила тяжести – это сила всемирного тяготения, включая ее разновидности.

В настоящее время активно изучается взаимодействие гравитационных полей во Вселенной и исследования пока не могут дать точных ответов на многие вопросы, в том числе касательно природы возникновения и существования таких сил.

Источник глобального поля пока найти не удалось, однако известно, что значительная часть гравитационных сил возникает из-за электромагнитного взаимодействия на атомном уровне. Как известно, все вещества состоят из атомов и молекул. Этот факт стал основой всех современных исследований в данной сфере.

Гравитационные силы при взаимодействии тел с поверхностью Земли оказывают давление. Сила давления определяется массой тела (m) и ее можно увидеть в формуле $P=mg$, где g – ускорение свободного падения. Эта величина имеет различные показатели на разных широтах планеты.

Сила вертикального давления равна по абсолютной величине, но противоположна относительно направления силы упругости. В таком случае формула силы будет меняться исходя из движения тела.

Вес тела обычно представляют в виде действия тела на опору после взаимодействия с Землей. Величина веса тела зависит от ускорения движения, которое происходит в вертикальном направлении.

Увеличение веса наблюдается при изменении направления ускорения. Оно должно действовать в противоположном направлении ускорению свободного падения. Уменьшение веса наблюдается при ускорении тела.

Оно должно совпадать с направлением свободного падения.

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.

Взаимодействие магнитного поля с током

Закон Ампера описывает влияние магнитного поля на проводник с током, который помещен в него.

Силовые проявления вызываются при взаимодействии магнитного поля и электрическим зарядом, находящегося в движении.

Сила Ампера определяется по формуле:

$F = IBlsinα$,

где:

  • $I$ – сила тока в проводнике,
  • $l$ – длина активной части проводника,
  • $В$ – магнитная индукция.

Такая зависимость говорит о том, что вектор действия магнитного поля меняется при развороте проводника, а также при изменении направления тока.

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.

Сила тока и работа силы

Определение 3

Сила тока – основная величина, которая характеризует протекание тока в проводнике.

Формула $I = q/t$, где $q$ – заряд, $t$ – время протекания, включает заряд, протекающий за единицу времени через поперечное сечение проводника.

Работой силы называют такую физическую величину, которая по численному составу равна произведению силы на перемещение. Она должна быть достигнута путем воздействия. Силовое воздействие на вещество сопровождается совершением работы.

Сила работы выражается следующей формулой $A = FScosα$, которая включает в себя величину силы. Само действие тела происходит при изменении скорости тела, а также возможной деформации. Это означает, что идут одновременные изменения энергии. Работа силы лежит в прямой зависимости от ее величины.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/ponyatie_sily_v_fizike/

I. Механика

Понятие силы в физике

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.

Электрические силы

Существуют силы электрического происхождения. Возникают при наличии электрического заряда. Эти силы, такие как сила Кулона, сила Ампера, сила Лоренца, подробно рассмотрены в разделе Электричество.

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.

Источник: http://fizmat.by/kursy/dinamika/sily

Равнодействующая сила

Понятие силы в физике
Законы Ньютона – математическая абстракция. В реальности причиной движения или покоя тел, а также их деформации, выступают сразу несколько сил.

Поэтому важным дополнениям к законам механики будет введение понятия равнодействующей силы и его применение.

Классическая механика разделена на два раздела – кинематику, при помощи уравнений описывающую траекторию движения тел, и динамику, которая разбирается с причинами изменения положения объектов или самих объектов.

Причиной изменений выступает некоторая сила, которая есть мера действия на тело других тел или силовых полей (например, электромагнитное поле или гравитация). К примеру, сила упругости вызывает деформацию тела, сила тяжести – падение тел на Землю.

Сила – это векторная величина, то есть, ее действие – направленное. Модуль силы в общем случае пропорционален некоему коэффициенту (для деформации пружины – это ее жесткость), а также параметрам действия (масса, заряд).

Например, в случае кулоновской силы – это величина обоих зарядов, взятых по модулю, квадрат расстояние между зарядами и коэффициент k, в системе СИ определяемый выражением: $k = {1 \over 4 \pi \epsilon}$, где $\epsilon$ – диэлектрическая постоянная.

В случае, когда на тело действует n сил, говорят о равнодействующей силе, а формула второго закона Ньютона принимает вид:

$m\vec a = \sum\limits_{i=1}n \vec F_i$.

Рис. 1. Равнодействующая сил.

Поскольку F – векторная величина, сумма сил называется геометрической (или векторной). Такое сложение выполняется по правилу треугольника или параллелограмма, либо по компонентам. Поясним каждый метод на примере. Для этого запишем формулу равнодействующей силы в общем виде:

$F = \sum\limits_{i=1}n \vec F_i$

А силу $F_i$ представим в виде:

$F = (F_{xi}, F_{yi}, F_{zi})$

Тогда суммой двух сил будет новый вектор $F_{ab} = (F_{xb} + F_{xa}, F_{yb} + F_{ya}, F_{zb} + F_{za})$.

Рис. 2. Покомпонентное сложение векторов.

Абсолютное значение равнодействующей можно рассчитать так:

$F = \sqrt{(F_{xb} + F_{xa})2 + (F_{yb} + F_{ya})2 + (F_{zb} + F_{za})2}$

Теперь дадим строгое определение: равнодействующая сила есть векторная сумма всех сил, оказывающих влияние на тело.

Разберем правила треугольника и параллелограмма. Графически это выглядит так:

Рис. 3. Правило треугольника и параллелограмма.

Внешне они кажутся различными, но когда доходит до вычислений, сводятся к нахождению третьей стороны треугольника (или, что тоже самое, диагонали параллелограмма) по теореме косинусов.

Если сил больше двух, иногда удобней пользоваться правилом многоугольника. По своей сути – это всё тот же треугольник, только повторенный на одном рисунке некоторое количество раз. В случае, если по итогу контур получился замкнутым, общее действие сил равно нулю и тело покоится.

  • На ящик, размещенный в центре декартовой прямоугольной системы координат, действуют две силы: $F_1 = (5, 0)$ и $F_2 = (3, 3)$. Рассчитать равнодействующую двумя методами: по правилу треугольника и при помощи покомпонентного сложения векторов.

Решение

Равнодействующей силой будет векторная сумма $F_1$ и $F_2$.

Поэтому запишем:

$\vec F = \vec F_1 + \vec F_2 = (5+3, 0+3) = (8, 3)$
Абсолютное значение равнодействующей силы:

$F = \sqrt{82 + 32} = \sqrt{64 + 9} = 8,5 Н$

Теперь получим тоже значение при помощи правила треугольника. Для этого сначала найдем абсолютные значения $F_1$ и $F_2$, а также угол между ними.

$F_1 = \sqrt{52 + 02} = 5 Н$

$F_2 = \sqrt{32 + 32} = 4,2 Н$

Угол между ними – 45˚, так как первая сила параллельна оси Оx, а вторая делит первую координатную плоскость пополам, то есть является биссектрисой прямоугольного угла.

Теперь, разместив вектора по правилу треугольника, рассчитаем по теореме косинусов равнодействующую:

$F = \sqrt{F_12 + F_22 – 2F_1F_2 cos135} = \sqrt{F_12 + F_22 + 2F_1F_2 sin45} = \sqrt{25 + 18 + 2 \cdot 5 \cdot 4,2 \cdot sin45} = 8,5 Н$

  • На машину действуют три силы: $F_1 = (-5, 0)$, $F_2 = (-2, 0)$, $F_1 = (7,0)$. Какова их равнодействующая?

Решение

Достаточно сложить иксовые компоненты векторов:

$F = -5 – 2 + 7 = 0$

В ходе урока было введено понятие равнодействующей сил и рассмотрены различные методы ее расчета, а также введена запись второго закона Ньютона для общего случая, когда количество сил неограниченно.

Средняя оценка: 4.7. Всего получено оценок: 178.

Источник: https://obrazovaka.ru/fizika/ravnodeystvuyuschaya-sila-formula.html

Фундаментальные силы физики

Понятие силы в физике

Фундаментальные силы (или фундаментальные взаимодействия) физики – это способы взаимодействия отдельных элементарных частиц друг с другом. Для каждого отдельного взаимодействия, наблюдаемого во Вселенной, можно выделить четыре типа взаимодействий:

  • Гравитационное
  • Электромагнитное
  • Слабое взаимодействие
  • Сильное взаимодействие

Гравитация

Из фундаментальных сил гравитация имеет самую дальнюю досягаемость, но она является самой слабой из сил.

По сути, это сила, которая даже через пустоту миллионов километров пространства притягивает две массы друг к другу. Она удерживает планеты на орбите вокруг Солнца, а Луну на орбите вокруг Земли.

Гравитация описывается в общей теории относительности, которая определяет ее как кривизну пространства-времени вокруг объекта массы.

Рис.1 Искривление пространства-времени вокруг любого массивного объекта определяется сочетанием массы и расстояния до центра массы (Источник: medium.com)

Электромагнетизм

Электромагнетизм – это взаимодействие частиц с электрическим зарядом. Заряженные частицы в состоянии покоя взаимодействуют посредством электростатических сил, а в движении они взаимодействуют посредством как электрических, так и магнитных сил.

Долгое время электрические и магнитные силы считались различными силами, но в конце концов были объединены Джеймсом Клерком Максвеллом в 1864 году по его уравнениям. В 1940-х годах квантовая электродинамика объединила электромагнетизм с квантовой физикой.

Электромагнетизм, пожалуй, самая распространенная сила в нашем мире, поскольку она может влиять на вещи на разумном расстоянии и с изрядной силой.

Рис.2 Молния – это электростатический разряд, который движется между двумя заряженными областями. Его принцип основан на действии электромагнитной силы ( digiato.com)

Слабое взаимодействие

Слабое взаимодействие – очень мощная сила, действующая в масштабах атомного ядра, вызывающая такие явления, как радиоактивный распад. Она была объединена с электромагнетизмом как единое взаимодействие, называемое “электрослабым”.

Слабое взаимодействие происходит только при очень малых, субатомных расстояниях, меньше диаметра протона.

Важными примерами явлений, связанных со слабым взаимодействием, можно назвать бета-распад (тип радиоактивного распада, при котором электрон, позитрон и нейтрино испускаются из атомного ядра) и синтез гелия из водорода, который приводит в действие термоядерный процесс Солнца. Кроме того, распад фермионов делает возможным радиоуглеродное датирование.

Рис.3 Радиоактивный бета-распад обусловлен слабым взаимодействием, которое превращает нейтрон в протон, электрон и электронный антинейтрино (Источник: Википедия).

Сильное взаимодействие

Самая мощная из сил – которая, помимо прочего, удерживает нуклоны (протоны и нейтроны) связанными вместе. Например, в атоме гелия она удерживает вместе два протона, несмотря на то, что их положительные электрические заряды заставляют их отталкивать друг друга.

По сути, сильное взаимодействие позволяет частицам, называемым глюонами (элементарные безмассовые частицы, переносчики сильного взаимодействия), связывать кварки, создавая в первую очередь нуклоны. Глюоны также могут взаимодействовать с другими глюонами, что дает сильному взаимодействию теоретически бесконечное расстояние, хотя все его основные проявления находятся на субатомном уровне.

Рис. 4 Сильное взаимодействие удерживает два антипротона (Источник: physicsworld.com)

Объединение фундаментальных сил

Многие физики полагают, что все четыре фундаментальные силы, по сути, являются проявлениями единой базовой (или объединенной) силы, которая пока не обнаружена. Подобно тому, как электричество, магнетизм и слабая сила были объединены в электрослабое взаимодействие, ученые работают, чтобы объединить все фундаментальные силы вместе.

Современная квантово-механическая интерпретация этих сил заключается в том, что частицы не взаимодействуют напрямую, а скорее проявляются виртуальными частицами, которые опосредуют реальные взаимодействия. Все силы, кроме силы тяжести, были объединены в эту “Стандартную модель” взаимодействия.

Объединение гравитации с тремя другими фундаментальными силами называется квантовой гравитацией. Это предполагает существование виртуальной частицы, называемой гравитоном, которая была бы опосредующим элементом в гравитационных взаимодействиях. Поскольку до настоящего времени гравитоны обнаружены не были, то и теория квантовой гравитации не стала универсальной.

Читать: https://skytechnews.ru/fundamentalnye-sily-fiziki/

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5b86fcfb16027100aaeb7dd5/5c1324d3a39c6b00aa7aadb2

Понятие силы. урок. Физика 10 Класс

Понятие силы в физике

Сила – это основное понятие динамики, с помощью него мы можем описать взаимодействие тел. На этом уроке мы с вами подробно рассмотрим, что такое сила, какие бывают силы, и к чему приводит то, что некая сила приложена к телу. Кроме того, мы с вами разберем важное понятие равнодействующей всех сил и научимся работать с проекциями сил.

Первые представления о силе связываются у нас с мускульными напряжениями рук, ног – с мускульной силой. Словами «сильный»‚ «слабый» мы в обыденной жизни часто характеризуем действие одного тела на другое, например действие руки на мяч, действие пружины на боек затвора винтовки, давление пара на поршень паровой машины и т. д.

Из прошлого урока мы с вами знаем, что изменение скорости тела происходит из-за взаимодействия его с другими телами. Для того чтобы подробно описать поведение тел при взаимодействии, вводится понятие сила.

Сила – это физическая величина, в результате действия которой тело изменяет свою скорость или деформируется.

Сила характеризуется величиной и направлением (рис. 1).

Рис. 1. Направление действия силы

На тело всегда действует не сила, а другое тело. Сила – это мера взаимодействия тел.

Действуют ли на тело силы?

В физике часто говорят, что на какое-то тело действует сила. Верно ли данное утверждение?

Сила – это мера воздействия. То есть на тело действует не сила, а другое тело. Сила лишь показывает меру того, как эти тела взаимодействуют. Приведем пример.

Если вы катаетесь на коньках и сталкиваетесь с другим конькобежцем, то в этом случае некорректно говорить, что вы столкнулись с его массой и скоростью, хотя с помощью массы и скорости можно измерить последствия столкновения. Но все же вы столкнулись именно с конькобежцем.

Однако в языке устоялось выражение «действует сила», поскольку не всегда удобно говорить, что на тело в результате гравитационного взаимодействия действует Земля. Проще сказать, что на тело действует сила тяжести. Важно понимать, что подразумевается под этим выражением.  

Обозначается сила следующим образом: .  В системе СИ сила измеряется в ньютонах:

Стрелка сверху указывает на то, что это векторная величина, следовательно, вектор всегда должен соотноситься с СО. Если сила направлена в ту же сторону что и ось , то ее проекция будет положительной, если против – отрицательной (рис. 2). То есть знак около значения силы указывает на ее направление относительно оси.

Рис. 2. Проекции силы на ось

Сила измеряется с помощью специального прибора. Этот прибор называется динамометром. Динамометр – это прибор для измерения силы или момента силы, он состоит из силового звена (упругого элемента) и отсчетного устройства (рис. 3).

Рис. 3. Динамометр

1 Н – это сила, с которой тело массой приблизительно 100 грамм притягивается к Земле.

Для того чтобы понять, что такое сила в один ньютон, нам нужно вспомнить, что сила, приложенная к телу, изменяет его скорость. Кроме того, вспомним об инертности тел, которая, как мы помним, связана с их массой. Итак:

1 Нэто такая сила, которая меняет скорость тела массой в 1 кг на 1 м/с за каждую секунду.

Примерами сил могут служить:

  • Сила тяжести – сила, действующая на тело в результате гравитационного взаимодействия.
  • Сила упругости – сила, с которой тело сопротивляется внешней нагрузке. Ее причиной является электромагнитное взаимодействие молекул тела.
  • Сила Архимеда – сила, связанная с тем, что тело вытесняет некий объем жидкости или газа.
  • Сила реакции опоры – сила, с которой опора действует на тело, находящееся на ней.
  • Сила трения – сила сопротивления относительному перемещению контактирующих поверхностей тел.
  • Сила поверхностного натяжения – сила, возникающая на границе раздела двух сред.
  • Вес тела – сила, с которой тело действует на горизонтальную опору или вертикальный подвес.

Итак, из этого урока мы с вами углубили свое понимание понятия силы. Мы вспомнили единицы измерения силы и прибор, с помощью которого измеряется сила.

Список литературы

  1. Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский. Физика 10. – М.: Просвещение, 2008.
  2. А.П. Рымкевич. Физика. Задачник 10-11. – М.: Дрофа, 2006.
  3. О.Я. Савченко. Задачи по физике. – М.: Наука, 1988.
  4. А.В. Перышкин, В.В. Крауклис. Курс физики. Т. 1. – М.: Гос. уч.-пед. изд. мин. просвещения РСФСР, 1957.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

  1. Интернет портал «» (Источник).
  2. Интернет портал «» (Источник). 

Домашнее задание

  1. Решив задачи к данному уроку, вы сможете подготовиться к вопросам 2 ГИА и вопросам А2–А4 ЕГЭ.
  2. Задачи 131, 135, 137, 138 сб. задач А. П. Рымкевич изд. 10 (Источник).
  3. Всегда ли при увеличении силы, растягивающей пружину, во столько же раз увеличивается деформация? Как это повлияет на шкалу динамометра?

Рассмотрите следующие вопросы и ответы на них:

Вопрос. Почему сила характеризуется точкой приложения? Ведь в математике мы имеем право параллельно переносить вектор от точки к точке.

Ответ. Вспомните рычаг. Очевидно, что точка, в которой приложена сила к рычагу, сильно влияет на полученный эффект.

Вопрос. Если все тела взаимодействуют, то неужели на мое движение влияет Юпитер или Луна?

Ответ. Действительно, на ваше движение влияет и Юпитер, и Луна, и любая другая планета Солнечной системы. Однако действие этих тел на наше движение очень мало.

Вопрос. Может ли парусное судно двигаться против ветра?

Ответ. Да, может. Техника такого движения подробно описана в книге Я.И. Перельмана «Занимательная физика» (т. 2) (Источник).

Вопрос. Может ли модуль силы быть отрицательным?

Ответ. Нет, модуль силы – величина, большая нуля либо равная нулю. Отрицательной может быть только проекция силы на какую-либо ось.

Источник: https://interneturok.ru/lesson/physics/10-klass/bzakony-mehaniki-nyutonab/ponyatie-sily?seconds=0

Booksm
Добавить комментарий