Сила в механике - это величина, являющаяся мерой механического действия на данное материальное тело других тел. Это действие вызывает изменение скоростей точек тела или его деформацию и может иметь место как при непосредственном контакте (давления прижатых друг к другу тел, трение), так и посредством создаваемых телами полей (поле тяготения, электромагнитное поле).
Рисунок 1. Силы в механике. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Силы в механике представляют собой физические единицы, рассматриваемые в таком подразделе, как динамика. Если рассматривать природу сил, то наиболее часто мы сталкиваемся с тремя ее видами:
- гравитационные силы;
- силы упругости;
- силы трения.
Для более детального представления о понятии силы в классической механике, необходимо рассмотреть каждую из вышеперечисленных сил более подробно.
Гравитационные силы в классической механике
Рисунок 2. Гравитационное взаимодействие. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В классической механике гравитационные силы представляют собой силы, которые определяются законом всемирного тяготения.
Силы, с которыми два точечных неподвижных тела взаимно притягиваются друг к другу, являются прямо пропорциональными произведению масс данных тел и обратно пропорциональными квадрату расстояния между ними. Такие силы считаются центральными, т. е. направленными вдоль прямой, соединяющей центры взаимодействующих тел.
С целью описания гравитационного взаимодействия, физики ввели такое понятие, как «гравитационное поле». Любое тело способно порождать в пространстве гравитационное поле, воздействующее на все остальные, оказавшиеся в нем, тела.
Количественная характеристика гравитационного поля в каждой его точке обязывает введение физической величины $G$ (напряженность гравитационного поля). Такая величина является векторной и измеряется силой воздействия гравитационного поля на пробное тело единичной массы, помещенное в данную точку поля.
Гравитационные поля подчиняются принципу суперпозиции, согласно которому, возбуждаемое какой-либо массой подобное поле становится совершенно независимым от наличия других масс. Более того, гравитационные поля, образуемые несколькими телами, начинают накладываться, не изменяя при этом друг друга
По этой причине, напряженность поля, формируемого несколькими точечными источниками, равнозначна геометрической сумме напряженностей полей, порождаемых каждым из источников.
Силы упругости и трения в классической механике
Рисунок 3. Сила трения в механике. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Сила упругости в классической механике считается силой, которая появляется в процессе деформации тела, в то же время она оказывает этому непосредственное противодействие.
Деформация проявляется в изменении формы, размеров и объемов тела и может быть спровоцирована воздействием на тело внешних сил, приложенных к нему. Различают такие виды деформации:
- растяжения (сжатия) - существует односторонняя и двусторонняя;
- изгиба;
- кручения;
- сдвига.
Силы трения появляются в моменты относительного перемещения соприкасающихся поверхностей твердых тел, газа и слоев жидкости. Существуют внутренние (сопутствующие и противодействующие относительному перемещению частей в отношении одного тела, что относится к слоям газа или жидкости) и внешние (речь идет о перемещении двух тел, пребывающих в соприкосновении друг с другом) трения.
В процессе движения в отношении друг друга двух сухих поверхностей твердых тел формируются силы сухого трения, при котором имеет место трение покоя. Причиной возникновения таких сил физики называют шероховатости соприкасающихся поверхностей микро- и макро- типа.
В случае относительного перемещения одной поверхности по другой, их неровности ударяются друг о друга и ломаются, что провоцирует возникновение дополнительного сопротивления. Максимальное значение силы трения покоя равнозначно по величине и противоположно по своему направлению силе, побуждающей тело к движению.
Законы, которым подчиняется сухое трение, установили в рамках экспериментов французские физики Ш. Кулон и Г. Амонтон:
- первый закон заключается в силе трения, зависящей от качества обработки поверхности;
- второй закон характеризует пропорциональность величины максимальной силы трения покоя силе нормального давления;
- третий закон описывает силу трения, не зависящую в определенных пределах от относительной скорости движения тел.
При сухом трении возникают существенные по своему воздействию силы, и по этой причине оно применяется исключительно в случаях, когда требуется значительное торможение (тормозные колодки и баллоны у автомобилей, например).
Уменьшить силу сухого трения возможно до определенных пределов, однако данные возможности ограничены, поэтому в случаях, где требуется уменьшить силу сухого трения, его стараются заменить либо трением качением, либо жидким трением.
Наличие смазки предусматривает два режима. При первом режиме слой смазки настолько мал, что приходится брать в учет силы межмолекулярного взаимодействия, трущихся друг о друга поверхностей (ограниченная смазка).
Второй режим предполагает такой толстый слой смазки, что это существенно превышает сферу действия сил между атомами соприкасающихся поверхностей. Данный слой при этом заполняет собой все неровности взаимодействующих друг с другом тел.
Сухое трение в этом случае заменяется трением внутри жидкости, сила которого становится зависимой от скорости. С повышением скорости сила трения начинает возрастать линейным образом, а впоследствии она становится пропорциональной квадрату скорости.
Неинерциальные системы отсчета и силы инерции
Рисунок 4. Уравнение Ньютона для неинерциальной системы отсчета. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Инерциальные системы отсчета считаются теми системами, в которых выполняются все три закона И.Ньютона. Инерциальной считается любая система отсчета, движущаяся равномерным и прямолинейным образом.
В отношении таких систем тела способны получать ускорения, которые невозможно объяснить действием каких-то определенных тел (к примеру, чемодан в резко затормозившем поезде всегда слетает с полки, то есть получает относительно поезда определенное ускорение).
Различие в закономерности движения в рамках неинерциальной и инерциальной систем кроется в том, что, учитывая все силы, действующие со стороны остальных тел на данное тело, второй закон Ньютона будет работать относительно инерциальных систем и не будет - для неинерциальных.
В неинерциальных системах, дополнительно к реальным силам вводятся силы инерции, и в таком случае тогда можно считать законы Ньютона выполнимыми (к примеру, поездка в лифте и его движение с ускорением).
Для сил инерции, зачастую, указывается тело, на которое воздействует сила, однако, при этом невозможно указать ни одного тела, со стороны которого подобная сила начинает действовать. В этом и заключается принцип действия силы инерции.
