Силы, их измерение и их свойства

Из закона Ньютона следует, что силой называется та причина, которая выводит тело из состояния покоя или прямолинейного равномерного движения.

Какая причина или сила преодолела инерцию покоя вагона и заставила его двинуться вперед, а ваше тело по инерции качнуться назад? Сила тяги электромотора. Какая сила преодолела инерцию прямолинейного движения вагона и заставила его остановиться, а ваше тело — по инерции качнуться вперед?

Сила тормоза, т. е. трения. На асфальтовой дорожке вы толкнули мяч. Какая сила заставила его катиться? Сила вашей руки. Мы знаем, « то скорость мяча будет постепенно уменьшаться и в конце концов он остановится. Какая сила его останавливает? Сила трения и сила сопротивления воздуха. Если бы этих сил не было, то мяч без конца продолжал бы по инерции свое прямолинейное равномерное движение.

Очевидно, что мы должны уметь измерять силы. Какую же силу удобно принять за единицу?

Из опыта мы знаем, что всякое тело, как бы мало оно ни было, под действием земного притяжения падает, если его не поддержать. Поддержка или опора, препятствующая падению тела, всегда испытывает давление со стороны этого тела. Очевидно, сравнивая с известной нам силой веса другую силу, мы можем последнюю легко измерить. Поэтому за единицу силы и принята единица веса (1 кг).

Пусть, например, человек везет тележку с грузом (рис. 1). Для того чтобы измерить силу тяги, прикрепим к тележке обыкновенные пружинные весы (градуированные в килограммах), а к ним уже привяжем веревку, за которую человек везет тележку. Если пружина весов растянется при этом, скажем, до десятого деления, то это будет соответствовать такому же действию, какое окажет на наши пружинные весы гиря в 10 кг. Мы можем, следовательно, сказать, что развиваемая человеком тяга равна 10 кг.

Рис. 1. Измерение силы тяги при помощи пружинных весов

Итак, для измерения сил служит сила веса, равная 1 кг. Отсюда следует, что силы принято выражать в килограммах.

Когда на тело действует какая-либо сила, то нам важно знать не только ее величину, но и направление, а также то место тела — точку, на которую сила действует. Если человек везет тележку с грузом, то, очевидно, сила тяг» направлена вдоль по веревке, как показано стрелкой на рис. 2.

Рис. 2. Сила графически изображается стрелкой - вектор

Если человек везет меньший груз, то и сила тяги будет меньше; величину ее легко показать на чертеже, взяв стрелку соответственно меньшей длины. Точкой, на которую непосредственно действует сила тяги, будет, очевидно, то место тележки, к которому привязана веревка.

Haш пример показывает, что на чертеже, т. е. графически, силу удобно изображать отрезком прямой со стрелкой на конце. Таким образом, если на тело М действует некоторая сила AB (рис. З), то стрелка указывает нам направление действия силы; отрезок прямой AB, данный в определенном масштабе, показывает величину силы; конец отрезка AB, противоположный стрелке, указывает точку, в которой сила приложена; эта точка А называется точкой приложения силы (рис. 3 и 4).

Рис. 3. Вектор AB показывает величину силы (в определенном масштабе), ее направление и точку ее приложения

Рис. 4. Сила тяги воздушного винта и топка ее приложения

Итак, всякая сила будет вполне определена, если мы будем знать ее величину, направление и точку приложения.

Величины, которые имеют не только размер, но и направление, называются в механике векторными величинами. Следовательно, сила является тоже векторной величиной. Поэтому отрезок со стрелкой на конце, изображающий силу, называют вектором (рис. 3 и 4).

Человек тянет тележку с грузом за веревку, но он, прилагая ту же силу, может и толкать тележку сзади; самолет может иметь винтомоторную установку впереди крыльев или позади них; прицепка часто крепится не в передней части вагона, а в его середине и т. д.

Из подобных примеров мы можем заключить, что точку приложения силы, действующей на твердое тело, можно переносить в любую точку, лежащую на направлении силы. Таким образом, если на тело М действует некоторая сила (рис. 5), то безразлично, будет ли она приложена в точке О, О₁ или О₂; действие силы от этого не изменится.

Рис. 5. Точку приложения силы можно переносить по направлению действия силы

Когда на какое-либо твердое тело, не ограниченное никакими связями, действует несколько постоянных сил, лежащих в одной плоскости, то под действием этих сил тело может или остаться в покое, или двигаться в каком-либо определенном направлении. Если тело остается в покое, то действующие на него силы взаимно уравновешивают друг друга.

Если же тело движется поступательно в определенном направлении, то действующие на него силы можно заменить одной силой, которая сообщает телу то же самое движение, как и все данные силы. Сила, равная по своему действию нескольким силам, называется равнодействующей силой.

Отыскание равнодействующей силы по данным действующим силам, или составляющим, называется сложением сил.