Понятие силы в физике

Каждый житель Земли ежедневно наблюдает, как одни объекты воздействуют на другие. С давних времен ученые изучали эти явления, чтобы понять их природу и свойства. В итоге физикам удалось представить доказательства того, что причиной любого движения являются силы.

Что такое сила в физике

Важной характеристикой является разновидность результата такого воздействия:

• движение тела;
• изменение скорости или направления;
• остановка объекта;
• другие варианты.

Прикладывая к телу силу, человек может не только контролировать скорость его перемещения или форму, но и менять направление движения. Ярким примером процесса является игра в теннис, бильярд или бадминтон. С помощью приспособления игроки влияют на направление движения шара или мяча. Меняется скорость, направление этого объекта под воздействием приложенной силы. Тело также может деформироваться.

Опытным путем можно наблюдать растяжение пружины под действием силы подвешенного груза. При увеличении массы закрепленных предметов пружина будет растягиваться сильнее.

При этом сила не существует самостоятельно. Приложение силы проявляется в процессе воздействия одного тела на другое. Если оно прекращается, объект будет пребывать в состоянии покоя. В реальных условиях, как правило, тело испытывает воздействие не одного, а сразу нескольких тел.

Формула силы в физике

Величина обозначается буквой F. Сила в физике является способом и количественной мерой взаимодействия тел. Она представляет собой причину, по которой скорости тел меняются. Согласно механике Ньютона, силы отличаются по физической природе:

• сила трения;
• сила тяжести;
• упругая сила и другие.

Сила представляет собой векторную величину. В СИ принято обозначать ее в Ньютонах:

\(H\left[F \right]=H,\)

\(H = 1kg * \frac{m}{c^{2}}.\)

Параметры, определяющие силу:

• величина (модуль);
• направление в пространстве;
• точка приложения.

Корректное изображение силы на схеме предусматривает отметку с точкой приложения этой силы. Вектор обозначается от того объекта, на который оказывается воздействие. Векторной суммой всех сил, воздействующих на тело, называют равнодействующую силу. Эта величина имеет следующее обозначение: $$\vec{R}$$ Ее можно выразить формулой:

\(\vec{R} = \vec{F_{1}}+\vec{F_{2}}+\vec{F_{3}}+...\)

Характеристика силы давления

Давление — физическая величина, которая определяется как отношение силы давления, приложенной к данной поверхности, и площади этой поверхности. Выглядит формула давления следующим образом:

\(p=\frac{F}{S},\)

где p обозначает давление, F — силу давления, S — площадь поверхности.

Согласно исходной формуле, давление будет больше в условиях одинаковой силы, когда площадь опоры меньше. И наоборот: чем больше площадь опоры, тем меньше давление

Расчет давления заключается в делении силы давления на площадь поверхности, к которой приложена сила. Если сила давления равна весу, который находится на поверхности объекта (т.е. \(F = P = mg\)), то давление рассчитывают по формуле:

\(p=\frac{mg}{S}\)

При известных значениях давления \(p\) и площади \(S\) представляется возможным вычислить силу давления \(F\). Для этого необходимо найти произведение давления и площади по формуле: \(F = pS\). Сила давления измеряется согласно системе СИ. Как и другая сила, она выражается в Ньютонах.

Характеристика силы упругости

Характер силы упругости описан в законе Гука. Согласно утверждению, сила упругости, которая возникает при упругой деформации растяжения или сжатия тела, пропорциональна абсолютному значению изменения длины  тела.

Объяснение действия силы упругости представил Роберт Гук в 1660 году в возрасте 25 лет. В честь английского ученого был назван Закон Гука

Удлинение тела можно обозначить \(х\). Сила упругости обозначается как \(F_{упр}\). В таком случае закон Гука можно записать в следующем виде:

\(F_{упр}=-k\ast x\),

где \(k\) — коэффициент пропорциональности, обозначающий жесткость тела.

С помощью знака минус перед формулой определяется противоположность направлений силы упругости и удлинения \(х\). Жесткость, согласно системе СИ, выражается в Ньютонах на метр, или 1 Н/м.

Разным телам соответствует неодинаковая жесткость. Чем больше эта величина для пружины, проволоки, стержня и других объектов, тем меньшее изменение длины тела можно наблюдать во время приложения силы.

Закон Гука применяется лишь в случаях упругой деформации. Правило выполнимо в случаях малых деформационных изменений. Если в системе происходит большая деформация, то пропорциональность изменения длины и приложенной силы не действует. При высоких деформационных нагрузках возрастают риски разрушения тела.

Характеристика силы Лоренца

Обознается как \(F_л\). Для понимания этой величины необходимо узнать о природе магнитного поля. Явление объясняется двумя процессами:

• заряды, двигаясь, приводят к образованию магнитного поля;
• магнитное поле оказывает воздействие на движущиеся заряды.

Модуль силы Лоренца \(F_л\) рассчитывается как произведение модуля индукции магнитного поля \(В\), в котором пребывает заряженная частица, модуля \(q\) заряда частицы, ее скорости \(V\) и синуса угла \(\alpha\) между направлениями скорости и вектора индукции магнитного поля. Формула имеет такой вид:

\(F_{L}= B\times \left|q \right|\times V\times \sin \alpha\)

Определить силу Лоренца, а точнее, ее направление, можно с помощью правила левой руки. Действовать необходимо таким образом:

• левая рука должна располагаться так, чтобы вектор индукции магнитного поля входил в ладонь;
• 4 вытянутых пальца определяют направление скорости движения положительно заряженных частиц;
• 4 вытянутых пальца располагаются противоположно движению отрицательно заряженных частиц;
• большой палец под углом 90° к ладони покажет направление силы Лоренца.

Учитывая, что \(B\times \sin \alpha\) является модулем компонента вектора индукции, которая перпендикулярна скорости движения заряда, то положение ладони необходимо определять именно с помощью этого компонента. Таким образом, в открытую ладонь левой руки входит перпендикулярная составляющая к скорости заряженной частицы. Сила Лоренца действует перпендикулярно вектору скорости заряженной частицы. В этом случае подобное воздействие не меняет скорость движущейся частицы, а лишь меняет ее направление в пространстве, т.е. не совершает работы.

Сила тока

Заряженные частицы перемещаются по проводнику. Для металлов характерно перемещение электронов. Во время такого движения некоторый заряд перемещается. С увеличением количества заряженных частиц увеличивается скорость движения и величина заряда, который они переносят за определенный промежуток времени. Сила тока в цепи определяется электрическим зарядом, который проходит через поперечное сечение проводника в течение 1 секунды. Сила тока рассчитывается по формуле:

\(I = qt,\)

где \(I\) определяет силу тока, \(q\) является зарядом, \(t\) — временем.

Сила тока, согласно стандартной системе измерений, выражается в Амперах (А).

В 1948 году появилось предложение определять единицу силы тока с помощью явления взаимодействия двух проводников с током:

• если ток проходит по двум проводникам, расположенным параллельно, в одном направлении, то между данными проводниками возникнет притяжение;
• если ток проходит по этим же проводникам, но в противоположенных направлениях, они будут отталкиваться друг от друга.

Единица силы тока — 1А. Такая сила действует на два проводника в вакууме, которые расположены параллельно, составляют в длину 1 метр и удалены друг от друга на 1 метр. 

Единица измерения силы тока получила название в честь французского ученого А.М. Ампера. Исследователь дал определение электростатике, электродинамике, соленоиду, напряжению

Человек постоянно сталкивается с воздействием сил. Понимание их природы и возможностей служит основой научных открытий. Более углубленные знания о физических процессах можно получить в университете или колледже. А получить образование помогут авторы Феникс.Хелп.