Силы в механике наиболее часто проявляют себя в таком ее подразделе, как динамика. Именно там изучается движение тел с учетом сил, действующих на них. О том, что представляют собой силы в механике, какую природу они имеют и как их можно рассчитать, мы сегодня и поговорим.
Что является основой динамики
Как было сказано ранее, силы в механике проявляют себя наиболее часто именно в этом подразделе. А раз так, то не будет лишним знать, что вообще является теоретической основной существования динамики. Быть может, кто-то уже догадался о том, что речь идет о знаменитом Исааке Ньютоне, а точнее, о законах, выведенных им. Единица силы в механике, кстати, именно поэтому и носит его фамилию.
Что позволяют сделать законы Ньютона?
Они позволяют нам решить основную задачу в том случае, если доподлинно известны все силы, действующие в данный момент времени на исследуемое тело. Допустим, что это действительно так, и мы знаем их. Тогда без особого труда можно найти ускорение, применимое к телу. А вот знание того, каким по модулю и направлению является ускорение, откроет перед нами перспективы поиска скорости тела в любой нужный момент времени. В итоге мы можем определить положение материальной точки тогда, когда захотим. Здесь можно подчеркнуть важность и обратной задачи. Получается, что для решения задач изначально следует правильно расставить силы в механике, формулы которых будут приведены ниже.
Природа сил
Если мы откроем учебник, задачник по физике или другой справочный материал и обратимся к разделу с механикой, то увидим множество задач из динамики, где наиболее часто сталкиваемся только с тремя силами. Они имеют отношение к всемирному тяготению, трению и упругости. Давайте поговорим о каждой из них подробнее. И начнем, пожалуй, с первой.
Тело падает с высоты, не имея начальной скорости
Подобные случаи называются свободным падением. Все, что окружает нас, притягивается к нашей планете. В том числе и мы сами. Здесь обусловить подобный факт можно силами всемирного тяготения. Сейчас мы можем пренебречь сопротивлением воздуха, хотя этот подход не всегда разумен. Но что же получим? Тогда выйдет, что все тела имеют примерно одно и то же ускорение при свободном падении. Бросим ли маленький камушек или настоящий булыжник вниз – скорость и время падения будут примерно одинаковыми.
Добавим к системе пружину
Представьте себе, что на пружину подвесили грузик. Он, подобно любому другому телу, будет стремиться упасть на землю. В это время на него действует сила притяжения нашей планеты. Однако если пружина крепкая, то она будет растягиваться до определенного момента. После этого падение тела прекратится, а система придет в состояние так называемого механического равновесия. Оно имеет место тогда, когда на тело действуют несколько сил, но их сумма равна нулю. Иными словами, действия сил скомпенсированы.
Здесь начинает напрашиваться логичный вывод. Получается, что кроме силы тяжести на грузик со стороны пружины действует еще одна сила, численно равная притяжению. Она имеет очень простое название, данное благодаря явлению. Называют ее силой упругости. Единица силы в механике универсальна, и тут она тоже равна одному Ньютону.
Разве ускорение – причина изменения скорости?
Возможно. На первый взгляд все так и выглядит. Но если копнуть глубже, дело примет достаточно интересный оборот. Есть замечательный закон Ньютона (второй), который гласит, что сила равна произведению массы на ускорение, сообщаемого телу. Сперва может показаться (исключительно математически), что сила есть результат. Но нет, на деле все наоборот.
Представьте себе футбольный мяч, по которому бьют. Ему сообщают силу, после чего он приобретает определенное ускорение. Точно так же и в случае движения тела. Оно, пройдя то или иное расстояние, остановится. Ускорение будет иметь отрицательное значение до тех пор, пока скорость не сравняется с нулем. Мы моментально можем выдвинуть предположение, что здесь имеет место некая сила, которая замедляет тело, то есть является причиной этого самого отрицательного ускорения. И она действительно существует. Это сила трения.
Момент силы. Механика: теоретическая и техническая
Моментом силы будет называться вращательное усилие, создаваемое в результате вращения вектора силы относительно подразумеваемой точки или тела. Он имеет размерность Ньютон на метр. Условия возникновения достаточно просты. Для этого достаточно, чтобы точка не лежала на линии действия силы. Определить момент можно как произведение силы и плеча. Простейшим примером будет закручивание гайки при помощи ключа. Сила в теоретической механике почти ничем не отличается от аналогов в классическом разделе, поэтому нет смысла углубляться туда для более подробного рассмотрения. Вернемся к основам, поскольку они намного важнее.
Снова о силе упругости
Читатель всегда может лично проверить то, что будет сейчас сказано. Предположим, у нас есть твердое тело. Любое твердое тело оказывает сопротивление при попытках изменить форму, размеры. Но ведь эти операции есть не что иное, как обыкновенная деформация, верно? А вот какие существуют ее виды? Есть пять основных типов деформации: растяжение, сжатие, изгибание, кручение, сдвиг.
Что будет при попытке изменить форму и размеры?
Это уже зависит от природы тела. Вообще, деформация бывает упругой и не упругой. Но следует знать, что при любых попытках изменить форму и размеры тела оно будет пытаться вернуть их обратно. В том случае, если деформация мала по сравнению с оригинальными размерами, силам упругости это удастся сделать. Другое дело, если все обстоит с точностью до наоборот. А вот изучением подобных процессов уже занимался ученый Роберт Гук. Свои эксперименты, которые дали широкое освещение процесса деформации в телах, он провел в 1660 году.
Что сделал этот ученый?
Он взял твердый стержень, который начал растягивать. При этом внутри самого стержня возникала, как можно догадаться, сила упругости. Она измерялась в процессе растяжения. Чтобы описать процессы в количественном плане, ввели новую величину, впоследствии названную удлинением. Это есть не что иное, как разность линейных размеров тела в обыкновенном и растянутом состояниях. Результаты эксперимента даже удивили некоторых. Как оказалось, в случае малых деформаций между удлинением и силой упругости есть прямопропорциональная связь. Здесь имеет место еще одна величина, которую мы называем коэффициентом упругости. Она зависит от того, из какого материала изготовлено тело, а также от того, какие линейные размеры оно имеет.
