Сили в механіці. Одиниця сили в механіці

Сили в механіці найбільш часто проявляють себе в такому її підрозділі, як динаміка. Саме там вивчається рух тіл з урахуванням сил, що діють на них. Про те, що являють собою сили в механіці, яку природу вони мають і як їх можна розрахувати, ми сьогодні і поговоримо.

Що є основою динаміки

Як було сказано раніше, сили в механіці виявляють себе найбільш часто саме в цьому підрозділі. А раз так, то не буде зайвим знати, що взагалі є теоретичною основний існування динаміки. Бути може, хтось вже здогадався про те, що мова йде про знаменитого Ісаака Ньютона, а точніше, про закони, виведених ним. Одиниця сили в механіці, до речі, саме тому і носить його прізвище.

Що дозволяють зробити закони Ньютона?

Вони дозволяють нам вирішити основну задачу в тому випадку, якщо достеменно відомі всі сили, що діють у даний момент часу на досліджуване тіло. Припустимо, що це дійсно так, і ми знаємо їх. Тоді без особливих зусиль можна знайти прискорення, застосовне до тіла. А ось знання того, яким по модулю і напрямку є прискорення, відкриє перед нами перспективи пошуку швидкості тіла в будь-який потрібний момент часу. У результаті ми можемо визначити положення матеріальної точки тоді, коли захочемо. Тут можна підкреслити важливість і оберненої задачі. Виходить, що для вирішення задач спочатку слід правильно розставити сили в механіці, формули яких наведено нижче.

Природа сил

Якщо ми відкриємо підручник, задачник з фізики або інший довідковий матеріал і звернемося до розділу з механікою, то побачимо безліч задач з динаміки, де найбільш часто стикаємося тільки з трьома силами. Вони мають відношення до всесвітнього тяжінню, тертя і пружності. Давайте поговоримо про кожну з них детальніше. І почнемо, мабуть, з першої.

Тіло падає з висоти, не маючи початкової швидкості

Подібні випадки називаються вільним падінням. Все, що оточує нас, притягається до нашої планеті. В тому числі і ми самі. Тут зумовити подібний факт можна силами всесвітнього тяжіння. Зараз ми можемо знехтувати опором повітря, хоча цей підхід не завжди розумний. Але що ж одержимо? Тоді вийде, що всі тіла мають приблизно одне і те ж прискорення при вільному падінні. Кинемо чи маленький камінчик або справжній камінь вниз – швидкість і час падіння будуть приблизно однаковими.

Додамо до системи пружину

Уявіть собі, що на пружину підвісили грузик. Він, подібно будь-якому іншому тілу, буде прагнути впасти на землю. В цей час на нього діє сила тяжіння нашої планети. Однак якщо пружина міцна, то вона буде розтягуватися до певного моменту. Після цього падіння тіла припиниться, а система прийде в стан так званого механічного рівноваги. Воно має місце тоді, коли на тіло діє кілька сил, але їх сума дорівнює нулю. Іншими словами, дії сил скомпенсовані. Тут починає напрошуватися логічний висновок. Виходить, що крім сили тяжіння на грузик з боку пружини діє ще одна сила, чисельно рівна тяжінню. Вона має дуже просту назву, дане завдяки явищу. Називають її силою пружності. Одиниця сили в механіці універсальна, і тут вона теж дорівнює одному Ньютону.

Хіба прискорення – причина зміни швидкості?

Можливо. На перший погляд все так і виглядає. Але якщо копнути глибше, справа прийме досить цікавий оборот. Є чудовий закон Ньютона (другий), який говорить, що сила дорівнює добутку маси на прискорення, сообщаемого тілу. Спершу може здатися (виключно математично), що сила є результат. Але ні, насправді все навпаки. Уявіть собі футбольний м'яч, по якому б'ють. Йому повідомляють силу, після чого він набуває певне прискорення. Точно так само й у випадку руху тіла. Воно, пройшовши те чи інша відстань, зупиниться. Прискорення буде мати від'ємне значення до тих пір, поки швидкість не зрівняється з нулем. Ми моментально можемо висунути припущення, що тут має місце якась сила, яка уповільнює тіло, тобто є причиною цього самого негативного прискорення. І вона дійсно існує. Це сила тертя.

Момент сили. Механіка: теоретична і технічна

Моментом сили буде називатися обертальний зусилля, що створюється в результаті обертання вектора сили щодо неявної точки або тіла. Він має розмірність Ньютон на метр. Умови виникнення досить прості. Для цього достатньо, щоб точка не лежала на лінії дії сили. Визначити момент можна як добуток сили і плеча. Найпростішим прикладом буде закручування гайок за допомогою ключа. Сила в теоретичній механіці майже нічим не відрізняється від аналогів в класичному розділі, тому немає сенсу заглиблюватися туди для більш докладного розгляду. Повернемося до основ, оскільки вони набагато важливіше.

Знову про силу пружності

Читач завжди може особисто перевірити, що буде зараз сказано. Припустимо, у нас є тверде тіло. Будь-яке тверде тіло чинить опір при спробах змінити форму, розміри. Але ж ці операції є не що інше, як звичайна деформація, вірно? А ось які існують її види? Є п'ять основних типів деформації: розтягування, стискання, згинання, кручення, зсув.

Що буде при спробі змінити форму і розміри?

Це вже залежить від природи тіла. Взагалі, буває деформація пружної і не пружною. Але слід знати, що при будь-яких спробах змінити форму і розміри тіла воно буде намагатися повернути їх назад. У тому випадку, якщо деформація мала в порівнянні з оригінальними розмірами, силу пружності це вдасться зробити. Інша справа, якщо все йде з точністю до навпаки. А ось вивченням подібних процесів вже займався вчений Роберт Гук. Свої експерименти, які дали широке висвітлення процесу деформації в тілах, він провів у 1660 році.

Що зробив цей учений?

Він взяв твердий стержень, який почав розтягувати. При цьому всередині самого стрижня виникала, як можна здогадатися, сила пружності. Вона вимірювалася в процесі розтягування. Щоб описати процеси в кількісному плані, ввели нову величину, згодом названу подовженням. Це є не що інше, як різниця лінійних розмірів тіла в звичайному і розтягнутому станах. Результати експерименту навіть здивували деяких. Як виявилося, у випадку малих деформацій між подовженням і силою пружності є прямопропорциональная зв'язок. Тут має місце ще одна величина, яку ми називаємо коефіцієнтом пружності. Вона залежить від того, з якого матеріалу виготовлено тіло, а також від того, які лінійні розміри воно має.