Загальна характеристика поняття сила - фізика

2. Загальна характеристика ПОНЯТТЯ "СИЛА"

2.1 Історія поняття "сила"

Сила - векторна фізична величина, що є мірою інтенсивності взаємодії тел. Прикладена до масивного тіла сила є причиною зміни його швидкості або виникнення в ньому деформацій.

Сила, як векторна величина, характеризується модулем і напрямком. Другий закон Ньютона говорить, що в інерційних системах відліку прискорення руху матеріальної точки збігається за напрямком з прикладеною силою; по модулю прямо пропорційно модулю сили і обернено пропорційно масі матеріальної точки. Або, що еквівалентно, в інерційних системах відліку швидкість зміни імпульсу матеріальної точки дорівнює прикладеній силі. Деформації є наслідком виникнення в тілі внутрішніх напружень.

Поняття сили використовували ще вчені античності в своїх роботах про статиці і русі. Вивченням сил в процесі конструювання простих механізмів займався в III в. до н. е. Архімед. Уявлення Аристотеля про силу, пов'язані з фундаментальними невідповідностями, проіснували протягом декількох століть. Ці невідповідності усунув в XVII в. Ісаак Ньютон, використовуючи для опису сили математичні методи. Механіка Ньютона залишалася загальноприйнятою протягом майже трьохсот років. До початку XX в. Альберт Ейнштейн в теорії відносності показав, що ньютонівська механіка вірна лише в при порівняно невеликих швидкостях руху і масах тел в системі, уточнивши тим самим основні положення кінематики та динаміки і описавши деякі нові властивості простору-часу.

З точки зору Стандартної моделі фізики елементарних частинок фундаментальні взаємодії (гравітаційне, слабке, електромагнітне, сильне) здійснюються за допомогою обміну так званими калібрувальними бозонами. Експерименти з фізики високих енергій, проведені в 70-80-х рр. XX ст. підтвердили припущення про те, що слабке і електромагнітне взаємодії є проявами більш фундаментального електрослабкої взаємодії.

Розмірність сили в системах величин LMT - dim F = L M T-2, одиниця сили в Міжнародній системі одиниць (СІ) - ньютон (N, Н).

2.2 Закони Ньютона

2.2.1 Перший закон Ньютона

Перший закон Ньютона стверджує, що існують системи відліку, в яких тіла зберігають стан спокою або рівномірного прямолінійного руху при відсутності дій на них з боку інших тіл або при взаємній компенсації цих впливів. Такі системи відліку називаються інерційних. Ньютон припустив, що кожен масивний об'єкт має певний запас інерції, який характеризує "природний стан" руху цього об'єкта. Ця ідея заперечує погляд Аристотеля, який розглядав спокій "природним станом" об'єкта. Перший закону Ньютона суперечить арістотелівської фізики, одним з положень якої є твердження про те, що тіло може рухатися з постійною швидкістю лише під дією сили. Той факт, що в механіці Ньютона спокій фізично не відрізняється від рівномірного прямолінійного руху, є обгрунтуванням принципу відносності Галілея. Серед сукупності тел принципово неможливо визначити які з них знаходиться "в русі", а які "покояться". Говорити про рух можна лише щодо будь-якої системи відліку. Закони механіки виконуються однаково в усіх інерційних системах відліку, іншими словами всі вони механічно еквівалентні. Останнє випливає з так званих перетворень Галілея.

Наприклад, закони механіки абсолютно однаково виконуються в кузові вантажівки, коли той їде по прямій ділянці дороги з постійною швидкість і коли стоїть на місці. Людина може підкинути м'ячик вертикально вгору і зловити його через деякий час на тому ж самому місці незалежно від того чи рухається вантажівка рівномірно і прямолінійно або покоїться. Для нього м'ячик летить по прямій. Однак для стороннього спостерігача, що знаходиться на землі, траєкторія руху м'ячика має вигляд параболи. Це пов'язано з тим, що м'ячик щодо землі рухається під час польоту не тільки вертикально, але й горизонтально по інерції в сторону руху вантажівки. Для людини, що знаходиться в кузові вантажівки не має значення чи рухається останній по дорозі, або навколишній світ переміщається з постійною швидкістю в протилежному напрямі, а вантажівка стоїть на місці. Таким чином, стан спокою і рівномірного прямолінійного руху фізично не відрізняються один від одного.

2.2.2 Другий закон Ньютона

Хоча другий закон Ньютона традиційно записують у вигляді: F = ma, сам Ньютон записував його трохи інакше, використовуючи диференціальне числення.

Другий закон Ньютона в сучасному формулюванні звучить так: в інерціальній системі відліку швидкість зміни імпульсу матеріальної точки дорівнює векторній сумі всіх сил, що діють на цю точку.

Вважається, що це "друга найвідоміша формула в фізиці", хоча сам Ньютон ніколи явно не записував свій другий закон в цьому виді.

Оскільки в будь-якій інерційній системі відліку прискорення тіла однаково і не змінюється при переході від однієї системи до іншої, то і сила інваріантна стосовно такого переходу.

У всіх явищах природи сила, незалежно від свого походження, проявляється тільки в механічному сенсі, тобто як причина порушення рівномірного і прямолінійного руху тіла в інерціальній системі координат. Протилежне твердження, тобто встановлення факту такого руху, не свідчить про відсутність діючих на тіло сил, а лише про те, що дії цих ці сил взаємно врівноважуються. Інакше: їх векторна сума є вектор з модулем, рівним нулю. На цьому засновано вимір величини сили, коли вона компенсується силою, величина якої відома.

Другий закон Ньютона дозволяє вимірювати величину сили. Наприклад, знання маси планети і її доцентровий прискорення при русі по орбіті дозволяє обчислити величину сили гравітаційного тяжіння, що діє на цю планету з боку Сонця.

Інформація про роботу «Прилади для вимірювання сили»