Что такое сила

 

Что же такое сила?

Сила является одним из фундаментальных  понятий механики. Как и очень  многое в содержании физики, понятие  силы возникло из жизни, хотя между  бытовым и физическим понятиями  силы есть и сходство и различие.

По своей природе, происхождению  или, образно выражаясь, по своей  биографии силы в механике делятся  на три группы: силы тяготения, силы упругости, силы трения.

При этом последние две группы сил  имеют с физической точки зрения единую электромагнитную природу. Каким  же способом могут силы действовать  на тело? Механике известны три способа  непосредственного действия сил  на тело: давление, тяга, удар. Например, книжный шкаф давит на пол, на котором  стоит; электровоз тянет поезд; молот  производит удар по детали, которую  он обрабатывает. Любой из указанных  способов воздействия силы на тело может иметь статический или, в дополнение к нему, динамический результат. Кроме того, тела по закону всемирного тяготения притягиваются  друг к другу гравитационным полем  вне зависимости от того, находятся  ли они в соприкосновении друг с другом или на расстоянии друг от друга.

Заметим, что любой результат  действия сил на тело — и ускорение, и деформация — не зависит от природы сил, действующих в каждом случае. Но действие силы на тело зависит  и от точки приложения силы к нему, и от модуля и направления действующей  силы, и от площади тела, на которую  она действует.

 

Такое утверждение справедливо, но лишь в единственном случае, неосуществимом в жизни, — когда мы имеем дело с абсолютно твердыми телами.

В практике, в технике, перенос точки  приложения силы часто имеет весьма существенное значение.

Вот пример. Если мы хотим провести по линии железной дороги сверхтяжелый поезд, то нельзя все локомотивы ставить  в голову поезда: их совместная сила тяги может превзойти предел прочности сцепных приборов локомотивов и вагонов на разрыв.

Для грамотного понимания смысла «силы» следует иметь в виду, что любая  сила и в любом случае, образно  выражаясь, «имеет два конца», т. е. всегда происходит одновременное действие сил, по меньшей мере, на два тела. Любая сила, действуя на тело, вызывает обратное или ответное действие сил  второго тела на первое. В любом  случае под действием сил находятся  по меньшей мере два тела, два  объекта природы.

Значит, и в природе, и в быту, и в технике всегда имеет место  взаимодействие тел.

Простейший случай: ударом молотка  забивается в  доску гвоздь. Действие молотка на гвоздь очевидно, наблюдаемо: гвоздь входит в доску, мы достигаем поставленной цели. А действие гвоздя на молоток уходит из поля зрения как что-то побочное, в чем мы не заинтересованы, не нуждаемся и, что зрительно не воспринимается: ведь на молотке даже не заметно следов от гвоздя при этих ударах. Как будто происходит только одностороннее действие, хотя всегда имеет место единство противоположных начал, как и в данном случае.

Интересным свойством сил любой  природы является то, что они всегда встречаются по две и притом равны  по модулю и противоположны по направлению.

 

 

 

 

 

 

 

 

Сила тяготения, сила тяжести, вес

Силы тяготения являются, очевидно, первыми, с которыми мы знакомимся еще  с детских лет. В физике их часто  называют гравитационными (от лат. gravitas — тяжесть).

Значение сил тяготения в  природе огромно. Они играют первостепенную роль в образовании планет, в распределении  вещества в глубинах небесных тел, определяют движение звезд, планетных систем и  планет, удерживают около планет атмосферу. Без сил тяготения невозможной  была бы жизнь и само существование  Вселенной, а значит, и нашей Земли.

Сооружая здания и каналы, проникая в глубь Земли или в космическое  пространство, конструируя корабль  или шагающий экскаватор, добиваясь  результатов почти в любом  виде спорта, человек всюду имеет  дело с силой тяготения.

Великие и таинственные силы тяготения  были предметом размышления выдающихся умов человечества: от Платона и  Аристотеля в древнем мире до ученых эпохи Возрождения Леонардо да Винчи, Коперника, Галилея, Кеплера, от Гука и  Ньютона и до нашего современника Эйнштейна.

Закон всемирного тяготения был  открыт Исааком Ньютоном и опубликован  в его «Математических началах  натуральной философии» в 1687 г. Смысл  его таков: все тела природы притягиваются  друг к другу с силой, прямо  пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

Проявление сил тяготения на Земле обычно называют «притяжением тел к Земле», что создает ложное представление об односторонности  процесса. Притягивает якобы только Земля, она является активной стороной события, а любое тело на Земле  является пассивной жертвой земного  притяжения и лишь подчиняется действию Земли. Конечно, и Земля, и любое  тело одновременно взаимно стягиваются  друг с другом, независимо от огромной разницы в массах падающего тела и Земли. Дело лишь в том, что ускорения, а значит, и пути, проходимые Землей и телом навстречу друг другу, обратно пропорциональны их массам, благодаря чему нам и кажется, что Земля остается на месте, а тело падает на нее.

Характеризуя силы тяготения, иногда утверждают, что «гравитационные  силы сообщают всем телам одинаковые ускорения, в частности ускорение  свободного падения, вызванное земным притяжением, одинаково для всех тел и не зависит ни от их состава, ни от их строения, ни от массы самих  тел». Оценивается это как «необыкновенное  свойство гравитационных сил».

Это будет справедливо лишь в  том единственном случае, если гравитационное стяжение тела и Земли рассматривать  односторонне, как падение тела на Землю, считая последнюю неподвижной, т. е. телом отсчета, и не движущейся навстречу падающему на нее телу. Однако если иметь в виду ускорение, с которым падающее тело и Земля  сближаются друг с другом, картина  будет иной.

Прежде всего, выясним: каким будет  ускорение сближения тел, движущихся навстречу друг другу?

Если на Землю будет падать каменная глыба массой, равной массе Земли, то и Земля и глыба пройдут  навстречу друг другу равные расстояния с равным ускорением. Ускорение сближения  их при встрече будет равно  сумме их ускорений, т. е. удвоенному земному ускорению, или двум g.

Значит, ускорение падения тел  на Землю не будет зависеть от масс падающих тел, а ускорение падения  Земли на тела будет возрастать с  ростом массы падающих на Землю тел, и ускорение сближения падающих тел с Землей будет не постоянным, а возрастающим с ростом масс падающих на Землю тел!

Нередко при изучении сил тяготения  возникает вопрос: если взаимное притяжение касается всех без исключения тел  природы, то почему тела на Землю падают, а друг к другу не притягиваются? Например, на демонстрационном столе, на расстоянии 0,5 м друг от друга, стоят  амперметр и вольтметр массой по 1 кг. Почему они не сближаются под  действием сил тяготения? Для  простоты представим себе, что они  притягиваются только друг к другу.

Ответ прост. Сила их взаимного притяжения ничтожно мала и не в состоянии  преодолеть силу трения движения приборов по столу. В законе всемирного тяготения

G называется гравитационной постоянной  или постоянной тяготения. Она  выражает силу взаимного притяжения  между двумя телами массой 1 кг  каждое, находящимися на расстоянии 1 м друг от друга. Экспериментально  установлено, что она равна  всего лишь 6,67 • 10-11 Н*м2/кг2. Значит, наши приборы притягиваются друг  к другу с силой около трех  десятимиллиардных долей ньютона  (3 • 10-10Н), безусловно, недостаточной  для их сближения.

В механике при рассмотрении гравитационных сил используются различные понятия, в числе которых сила тяготения, сила тяжести, вес. Каждое из этих понятий  отлично от других, и отождествлять  их нельзя, хотя нередко и смешивают  первое понятие со вторым, а второе с третьим.

Сила тяготения — это сила, стягивающая тела по закону всемирного тяготения.

Сила тяжести — это обусловленная законом всемирного тяготения и суточным вращением Земли сила притяжения тел к Земле.

Вес есть сила, с которой вследствие земного тяготения тело давит  на опору или натягивает подвес.

Значит, между силой тяжести  и весом тела есть существенная разница: сила тяжести приложена к телу и действует на тело, а вес тела, обусловленный действием на него силы тяжести, приложен к опоре или  подвесу и действует на них, а  не на само тело.

Для неподвижного по отношению к  Земле тела вес по модулю равен  силе тяжести. Однако если сила тяжести  приложена к телу, то вес тела действует на опору или подвес.

Вследствие суточного вращения и формы Земли, а также неравномерности  распределения массы по объему земного  шара сила тяжести, как правило, меньше силы тяготения и не совпадает  с ней по направлению.

Укажем на одну тонкость, связанную  с определением силы тяжести в  различных широтах земного шара.

Сила тяготения зависит исключительно  от масс взаимодействующих тел и  от расстояния между ними (расстояния между центрами масс сферических  тел). А сила тяжести может изменяться (а, следовательно, и ускорение, ею вызываемое) из-за суточного вращения Земли, и  последствия этого — сплюснутости Земли у полюсов.

Сила тяжести определяется с  учетом суточного вращения Земли. Но вращающаяся Земля не является инерциальной системой отсчета, поэтому сила тяжести, строго говоря, не характеризует взаимодействие тела и Земли в Ньютоновом смысле, и к ней неприменим третий закон Ньютона.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вопрос об открытии Ньютоном закона всемирного тяготения.

Всем известны строки шуточного  стихотворения о том, как Исаак  Ньютон открыл закон всемирного тяготения: находясь в саду, он увидел, как падает яблоко на землю, и, озаренный этим явлением, якобы мгновенно открыл закон  всемирного тяготения:

Сидел в саду сэр Ньютон,

Мышлением окутан.

Вдруг на физические интегралы

Большое яблоко упало.

Ученый муж в одно мгновенье,

Явленьем этим озарен, Находит мировой  закон

О тяготеньи.

В жизни, в истории открытия тяготения  все было иначе. До XVII в. все считали, что только Земля обладает исключительным свойством притягивать к себе тела, находящиеся вблизи от ее поверхности.

Однако еще до Ньютона английский ученый Роберт Гук в трактате «Опыт  доказательства вращения Земли» четко  выразил мысль о том, что все  тела тяготеют друг к другу, а в 1679 г. высказал идею, что сила взаимного  тяготения тел обратно пропорциональна  квадрату расстояния между ними. Правда, речь шла о телах небесных.

Исаак Ньютон ряд лет изучал проблему тяготения и лишь в 1686 г. дал четкую, известную нам формулировку закона, опубликованного им в следующем  году в знаменитых «Началах». Формула, выражающая закон всемирного тяготения  Ньютона, точно описывает взаимодействие точечных тел и сферических тел  с массой, равномерно распределенной по объему. В последнем случае мы условно считаем, что массы тел  сосредоточены в их геометрических центрах. Эта формула пригодна и  для вычисления сил взаимодействия между телами, размеры которых  чрезвычайно малы по сравнению с  расстояниями между ними, например, между космическими телами. Если же тела расположены близко друг от друга  и массы тел неравномерно распределены по их объему, то каждое из таких тел  рассматривают как систему материальных точек, рассчитывают силы тяготения  между парами этих точек, а затем  производят их суммирование специальными математическими методами.

Наконец, о направлении силы тяжести  на Земле.

Направление силы тяжести в любой  точке Земли показывает отвес. Из рисунка ясно, что отвесы в разных точках земного шара не параллельны друг другу и все они направлены практически к центру Земли. В противоположных точках Земли — на полюсах — они направлены навстречу друг другу.

И последнее. В механике мы встречаемся  с силами разной природы: и с теми, что действуют на всю массу, на весь объем тел. Нетрудно сообразить, что силы тяготения являются силами объемными, в отличие от сил поверхностных, к рассмотрению которых мы и переходим.