Сила. Сложение сил

На прошлом уроке мы с вами показали, что изменить скорость движения тела можно воздействием на него другого тела. Чем больше это воздействие, тем сильнее изменяется скорость.

Вспомните, пожалуйста, с помощью какой физической величины можно количественно определить, насколько сильно воздействует одно тело на другое? Действительно, такой величиной является сила. То есть сила — это количественная мера воздействия одного тела на другое. А единица измерения силы названа в честь сэра Исаака Ньютона, поскольку его закон определил связь между силой и ускорением.

В приведённом нами примере результатом воздействия является изменение скорости, значит, сила — причина изменения скорости движения тела.

Однако действие одного тела на другое приводит не только к изменению скорости. Подействуем на пружину гирей (подвесим её к пружине). Действие гири на пружину вызывает её удлинение. А, например, гиря, стоящая на тонкой доске, прогибает её. В этих случаях действие одного тела на другое, то есть сила, вызывает изменение размеров или формы тела.

Изменение размеров или формы тела называется деформацией. Значит, сила является не только причиной изменения скорости, но и причиной деформации тела. Чем больше сила, тем больше деформация. Действительно, подействуйте на пружину более тяжёлой гирей, то есть большей силой, и растяжение пружины будет больше.

Сила не может существовать сама по себе. Если мы говорим, что на тело действует сила, это означает только то, что на тело действует другое тело.

Значит, понятие силы не применимо к одному телу. То есть, если мы с вами говорим о силе, то обязательно должны указать как минимум два тела: тело, которое действует и тело, которое подвергается этому воздействию. Например, лошадь тянет телегу: очевидно, что лошадь – это тело, которое оказывает воздействие на телегу. Также, на летящий самолёт действует сила тяги со стороны двигателя, сила сопротивления воздуха и сила тяжести со стороны Земли.

Вспомним с вами, что сила характеризуется модулем (то есть численным значением), направлением и точкой приложения.

Обращаем ваше внимание на то, что точку приложения силы в твёрдом теле можно переносить только вдоль линии её действия. Только в этом случае не будет изменяться результат её действия на тело.

Вспомним исторически сложившиеся названия сил и их обозначения.

Силой тяжести называется сила, с которой тело притягивается к Земле.

Силой давления называется сила, с которой тело действует на опору или жидкость и газ действуют на стенки сосуда, в котором они находятся.

Силой реакции называют силу, действующую на тело со стороны опоры или подвеса.

Силой сопротивления и силой трения называют силы, препятствующие механическому движению тела.

Мы уже знаем, что для упрощения описания механического движения тело рассматривается как материальная точка, если не указаны его размеры и форма. На рисунке тело чаще всего изображают прямоугольником. Силы, действующие на тело, можно изображать приложенными в центре этого прямоугольника (мы с вами так и будем делать). Хотя обычно в центре прямоугольника изображают приложенной силу тяжести, а, например, силу трения и силу нормальной реакции опоры рисуют в точке на нижней грани тела под его центром, то есть в тех точках тела, где эти силы действуют.

Так как сила величина векторная, то, разумеется, складывать и вычитать силы нужно по правилам сложения и вычитания векторов. Давайте вспомним, как это делается. Итак, если два вектора направлены одинаково, то их сумма — это вектор того же направления, имеющий модуль, равный сумме модулей данных двух векторов.

Если же направления векторов противоположны, то их сумма — это вектор, который направлен так же, как вектор, модуль которого больше. При этом модуль полученного вектора равен разности модулей слагаемых векторов.

А как сложить векторы, направленные под углом друг к другу?

Для этого существуют несколько правил. Первое называется правилом параллелограмма.

Чтобы сложить два вектора по этому правилу, необходимо параллельным переносом совместить начала слагаемых векторов. Затем построить параллелограмм, принимая складываемые векторы за его стороны. А искомой суммой векторов будет являться вектор, совпадающий с большей диагональю параллелограмма.

Второе правило называется правилом треугольника. Чтобы сложить два вектора по этому правилу, необходимо параллельным переносом совместить конец одного вектора с началом второго вектора. Вектор, проведённый из начала вектора а в конец вектора b, и равен их сумме.

Если нам требуется найти сумму нескольких векторов, то необходимо параллельным переносом совместить векторы так, чтобы каждый следующий вектор выходил из конца предыдущего.

Замыкающий вектор, проведённый из начала первого вектора в конец последнего, и есть искомая сумма данных векторов. Такой способ сложения называется правилом многоугольника.

Ну и наконец, если требуется найти разность двух векторов, необходимо параллельным переносом совместить начала векторов а и b. А затем провести вектор из конца вычитаемого вектора в конец уменьшаемого вектора.

Теперь можно вспомнить, что сила, равная векторной сумме двух или нескольких сил, называется результирующей силой.

А вот сила, которая производит на тело такое же действие, как и несколько одновременно действующих на него сил и равная геометрической сумме этих сил, называется равнодействующей силой.

Здесь важно понять, что результирующая сила и равнодействующая — это разные силы. Например, пусть у нас есть прямоугольная коробка, лежащая на столе. Приложим к ней одинаковые по модулю, но противоположно направленные силы так, как это показано на экране. Результирующая этих сил равна нулю. Но сила, равная нулю, не может вызвать вращение тела. А приложенные силы заставляют коробку вращаться. Значит, в этом пирмере результирующа сила не заменяет действия данных сил, то есь не является равнодействующей.

Итак, мы показали, как можно заменить несколько сил одной силой. А можно ли заменить одну силу двумя или несколькими силами? Можно. Такая замена называется разложением силы на составляющие. Разложение силы на две составляющие можно провести по правилу параллелограмма.