Сила в физике: обозначение, измерение, виды

Сила — это одно из фундаментальных понятий в физике, которое изучается в 7-м классе. Сила играет ключевую роль в описании взаимодействий между телами и помогает объяснить многие явления окружающего мира: от движения машин до падения яблока с дерева. Понимание силы необходимо для изучения механики, гидродинамики, электродинамики и других разделов физики.

Сила — это не просто абстрактная величина, а инструмент, который позволяет предсказать поведение объектов при их взаимодействии. В этой статье мы разберём, что такое сила, как она обозначается и измеряется, какие виды сил существуют, а также рассмотрим примеры их применения в повседневной жизни. 

Определение силы

📎 Сила — это физическая величина, которая характеризует взаимодействие тел и может изменять их скорость, направление движения или форму. Например, когда вы толкаете шар, он начинает двигаться; если вы нажимаете на пружину, она сжимается. В обоих случаях действует сила.

Сила всегда имеет направление, поэтому её называют векторной величиной. Это означает, что для полного описания силы нужно знать не только её числовое значение, но и направление действия.

Например, сила, направленная вверх, будет вызывать подъём тела, а сила, направленная вниз, — его падение.  

Пример действия силы: когда толкаете тележку в магазине, вы прикладываете силу, направленную вперёд. Если сила достаточно велика, чтобы преодолеть трение, тележка начнёт двигаться.  

Обозначения и единицы измерения

В физике сила обозначается буквой F.  

Единица измерения силы в Международной системе единиц (СИ) — ньютон (Н).  

1 ньютон (1 Н) — это сила, которая сообщает телу массой 1 кг ускорение 1 м/с².  

📌 Формула для вычисления силы:  

F = m · a,

где:  

1. F — сила (в ньютонах);
2. m — масса тела (в килограммах);
3. a — ускорение (в метрах на секунду в квадрате).

📌 Пример расчёта силы:  

Если автомобиль массой 1 000 кг движется с ускорением 2 м/с², то сила, действующая на него, равна:  

F = 1 000 · 2 = 2 000 Н.

Классификация сил

Силы можно разделить на несколько основных типов ⤵︎

1. Гравитационная сила  

Это сила притяжения между телами, обусловленная их массой. Пример: сила тяжести, с которой Земля притягивает все тела. Гравитация действует на любые объекты, имеющие массу, и уменьшается с увеличением расстояния между ними.  

Пример: яблоко падает с дерева из-за действия силы тяжести.  

2. Электромагнитная сила

Эта сила возникает между заряженными частицами. Она проявляется в виде притяжения или отталкивания зарядов. Пример: действие магнита на железные предметы или электростатическое взаимодействие между заряженными телами.  

Пример: при трении воздушного шарика о волосы он прилипает к стене благодаря электростатическому притяжению.  

3. Ядерная сила

Ядерная сила действует внутри атомного ядра и удерживает протоны и нейтроны вместе. Она является одной из самых мощных сил в природе, но её действие ограничено очень малыми расстояниями (порядка размеров ядра).  

Пример: ядерная сила предотвращает распад атомных ядер.  

4. Слабая сила

Слабая сила отвечает за процессы, происходящие на уровне элементарных частиц, например, за радиоактивный распад. Она значительно слабее электромагнитной и ядерной сил, но играет важную роль в ядерных реакциях.  

Пример: радиоактивный распад урана происходит благодаря слабой силе.  

📎 Виды сил — это различные действия, которые приводят к изменению движения или формы объекта.

Рассмотрим основные виды сил ⤵︎

1. Сила тяжести

Сила, с которой Земля притягивает все тела.  

Пример: яблоко, падающее с дерева.  

2. Вес тела и реакция опоры

Вес — это сила, с которой тело давит на опору или подвес. Реакция опоры — это сила, с которой опора «отталкивает» тело.  

Пример: книга, лежащая на столе, давит на него своим весом, а стол «отвечает» реакцией опоры.  

3. Сила упругости

Возникает при деформации тела и стремится вернуть его в исходное состояние.  

Пример: растянутая пружина или сжатый мяч.  

4. Сила трения

Действует между соприкасающимися поверхностями и препятствует их движению.  

Пример: трение между подошвой обуви и полом.  

5. Сила Архимеда

Возникает при погружении тела в жидкость или газ и направлена вверх.  

Пример: корабль, плавающий на воде.  

6. Сила сопротивления среды

Действует на тело, движущееся в жидкости или газе, и замедляет его движение.  

Пример: сопротивление воздуха при полёте самолёта.  

Сила как физическая величина характеризуется тремя основными параметрами ⤵︎

1. Направление

Сила всегда имеет направление, что делает её векторной величиной. Например, сила тяжести направлена вертикально вниз, к центру Земли, а сила трения действует противоположно направлению движения тела.  

2. Точка приложения

Это место, где сила воздействует на тело. Например, когда человек толкает тележку, точка приложения силы — это руки человека, соприкасающиеся с ручкой тележки.  

3. Значение (величина) 

Сила измеряется в ньютонах (Н) и показывает интенсивность воздействия. Например, сила в 5 Н будет слабее, чем сила в 50 Н.  

Рассмотрим таблицу, в которой сравним некоторые силы по их направлению и точке приложения ⤵︎

На какие тела действуют силы

Силы действуют на все тела, но их характер и интенсивность зависят от условий и окружающей среды. Рассмотрим подробнее, как это происходит.

1. На уровне атомов и молекул

Все тела состоят из молекул и атомов, между которыми существуют силы притяжения и отталкивания. Эти силы играют ключевую роль в формировании структуры вещества.

— Если бы не было сил притяжения, молекулы разлетались бы друг от друга, и тела не могли бы существовать в привычном нам виде.  

— Если бы исчезли силы отталкивания, частицы слиплись бы в один плотный комок.  

Таким образом, силы на молекулярном уровне поддерживают стабильность всех объектов.

2. На все тела на Земле действует сила тяжести

Сила тяжести — это универсальная сила, которая действует на все тела, находящиеся в пределах гравитационного поля Земли. Она направлена вертикально вниз и зависит от массы тела.  

— Если вы подбросите мяч вверх, он обязательно упадёт обратно на землю благодаря силе тяжести.  

— Даже когда мы стоим неподвижно, сила тяжести действует на нас, но её компенсирует реакция опоры (например, пол или стул).  

3. В космосе: невесомость и другие силы

Если выйти за пределы земной атмосферы, действие силы тяжести Земли становится минимальным, и возникает состояние невесомости. Однако это не означает, что силы полностью исчезают.

— На космический корабль может действовать аэродинамическая сила, если он движется через атмосферу другой планеты.  

— Приближение к другим планетам или звёздам создаёт новые гравитационные взаимодействия. Например, приближение к Луне вызывает её притяжение, которое влияет на движение объектов.  

4. Силы, возникающие при определённых условиях

Некоторые силы появляются только в конкретных ситуациях:

— Сила упругости: возникает при деформации тела, например, при растяжении или сжатии пружины.  

— Сила Архимеда: появляется, когда тело погружается в жидкость или газ. Она направлена вверх и зависит от объёма погружённой части тела и плотности среды.  

— Сила трения: препятствует движению тела. Например, при катании шара по поверхности возникает сила трения качения, а при скольжении — сила трения скольжения.  

Измерение силы

Для измерения силы используют специальные приборы, такие как динамометр. Динамометр состоит из пружины, которая растягивается под действием силы. По шкале прибора можно определить величину силы в ньютонах.

Принцип работы динамометра ⤵︎

1. При воздействии силы на пружину она растягивается.  

2. Растяжение пружины прямо пропорционально приложенной силе (закон Гука).  

3. По шкале прибора определяется величина силы.  

Пример использования динамометра ⤵︎

Если подвесить груз массой 100 грамм (0,1 кг) к динамометру, то сила тяжести, действующая на груз, будет равна:  

F = m · g = 0,1 · 9,8 ≈ 1 Н.

Разновидности динамометров

1. Пружинный динамометр

Самый распространённый тип. Он состоит из пружины, заключённой в корпус со шкалой. Подходит для измерения сил в быту и учебных лабораториях.  

2. Рычажный динамометр

Используется для измерения больших сил. Вместо пружины применяется рычажный механизм.  

3. Электронный динамометр

Преобразует механическое воздействие в электрический сигнал, который затем измеряется. Такие приборы точнее и удобнее в использовании.  

4. Тензометрический динамометр

Устройство, которое измеряет деформацию материала под действием силы. Тензометры широко применяются в строительстве и машиностроении.  

Применение силы в жизни

Сила играет важную роль в нашей повседневной жизни. Вот несколько примеров.  

1. Транспорт. Сила тяги двигателей позволяет автомобилям, самолётам и поездам двигаться. Например, автомобиль движется благодаря силе трения между колёсами и дорогой.  

2. Строительство. Сила упругости используется в конструкциях мостов и зданий для обеспечения их прочности. Например, стальные балки сопротивляются деформации благодаря своей упругости.  

3. Спорт. При броске мяча или ударе по футбольному мячу действует сила, которая придаёт мячу ускорение.  

4. Космос. Гравитационная сила удерживает планеты на орбитах вокруг Солнца. Без этой силы планеты улетели бы в открытый космос.  

5. Природа. Сила трения позволяет нам ходить, не скользя по поверхности. Без трения мы не могли бы передвигаться.  

6. Бытовые приборы. Электромагнитная сила используется в работе электродвигателей, холодильников и других устройств.  

---

Сила — это фундаментальное понятие в физике, которое помогает объяснить взаимодействие тел и их движение. Мы разобрали её определение, обозначение, единицы измерения, классификацию и применение в жизни. Также подробно рассмотрели методы измерения силы и различные типы динамометров. Эти знания помогут вам лучше понять законы механики и другие разделы физики.  

Если возникают трудности с пониманием темы, воспользуйтесь материалами статьи или обратитесь за дополнительной помощью к нашим репетиторам!