Сила - одно из фундаментальных понятий физики. Но как ее измерить численно? С появлением системы СИ появилась и единица измерения силы - ньютон. Что же такое ньютон? Сколько в нем килограммов? Давайте разберемся!
Определение ньютона как единицы измерения силы
Ньютон был введен как единица измерения силы в Международной системе единиц (СИ) в честь великого английского физика Исаака Ньютона. Он открыл законы движения и установил связь между понятиями силы, массы и ускорения.
Официальное определение ньютона звучит так: ньютон - это сила, которая сообщает телу массой 1 кг ускорение 1 м/с2. Обозначается ньютон буквой N.
1 N = 1 кг · м/с2
Из этого определения видно, что ньютон - производная единица, выраженная через основные единицы СИ: килограмм, метр, секунда. При использовании в формулах ньютон обозначается заглавной буквой N, а в тексте пишется со строчной - ньютон.
Ньютон связан с другими единицами измерения силы следующими соотношениями:
- 1 Н = 0,10197 кгс
- 1 кгс = 9,80665 Н
- 1 фунт силы = 4,44822 Н
Как рассчитать ньютон? Формула и примеры
Чтобы рассчитать силу в ньютонах, используется хорошо известный из курса физики второй закон Ньютона:
F = m · a
где:
F - сила, Н (ньютон) m - масса тела, кг a - ускорение тела, м/с2
Рассмотрим пример. Сила тяжести, действующая на тело массой 1 кг на Земле, придает ему ускорение свободного падения g = 9,8 м/с2. Подставляя в формулу, получаем:
F = 1 кг · 9,8 м/с2 = 9,8 Н
Значит, 1 кг создает силу тяжести в 9,8 Н.
Другой пример: вес среднестатистического мужчины - 80 кг. Каков его вес в ньютонах? Опять подставляем значения в формулу:
F = 80 кг · 9,8 м/с2 = 784 Н
Итак, вес 80-килограммового мужчины равен 784 Н.
Сколько килограммов в одном ньютоне?
Чтобы узнать, сколько килограммов содержится в 1 ньютоне, нужно произвести обратный пересчет. Из формулы второго закона Ньютона:
1 Н = 1 кг · a
Если а = 9,8 м/с2 (ускорение свободного падения), получаем:
1 Н = 0,10197 кг · 9,8 м/с2
Следовательно, 1 ньютон эквивалентен 0,10197 кг. Или иначе:
1 Н = 101,97 г
Масса в 102 грамма на Земле испытывает силу тяжести ровно в 1 Н.
Кратные и дольные единицы ньютона
Помимо ньютона, для измерения силы используются его кратные и дольные единицы. Это позволяет измерять как очень большие, так и очень малые силы.
Для измерения слабых сил применяются дольные единицы:
- миллиньютон (мН) - одна тысячная доля ньютона;
- микроньютон (мкН) - одна миллионная доля ньютона.
А для измерения больших сил используют кратную единицу - килоньютон (кН), равный 1000 ньютонам. Килоньютон широко применяется, например, при описании силы тяги двигателей, грузоподъемности кранов и другой мощной техники.
Измерение силы в быту и технике
Ньютон и его производные единицы активно используются для измерения самых разных сил, возникающих как в повседневной жизни, так и в промышленности. Рассмотрим несколько примеров.
Миллиньютоны измеряются силы нажатия на кнопки, прикосновения к сенсорным экранам, усилия механизмов в точных приборах.
К примеру, усилие для нажатия кнопки лифта составляет около 3 мН, клавиши компьютерной клавиатуры - около 0,5 мН. А усилие для активации сенсорного экрана смартфона обычно измеряется сотыми долями мН.
В килоньютонах часто измеряют:
- Силу тяги авиационного двигателя (например, у двигателя Роллс-Ройс TRENT 900 она составляет 340 кН)
- Грузоподъемность крана (до 2500 кН у самых мощных кранов)
- Усилия мощных гидравлических систем
Любопытные факты про ньютон
Ньютон появился относительно недавно, но за это время успел прочно войти в физическую науку и инженерные расчеты. Приведем несколько интересных фактов об этой единице измерений.
- Собственный вес человека с Земли всегда измеряется в ньютонах, а не в килограммах. Поэтому правильнее говорить "мой вес - 800 Н", а не "я вешу 80 кг".
- Самое употребляемое выражение со словом "ньютон" - это "ньютон на квадратный метр". Оно используется для обозначения давления - ведь давление есть сила, действующая на единицу площади.
- Сила укуса человека достигает от 150 до 1400 Н в зависимости от возраста и пола. У некоторых животных укус еще мощнее: у волкодава - до 550 Н, у крокодила - в среднем 3000 Н.
Изменить ньютон нельзя
Несмотря на широкое использование ньютона в физике и технике, саму единицу нельзя изменить. Как и все производные единицы СИ, ньютон жестко определен фундаментальными физическими константами.
И если когда-нибудь, скажем, гравитация на Земле изменится, то масса тела в 1 кг будет весить не 9,8 Н, а какое-то другое количество ньютонов. Но сама единица измерения силы останется прежней.
Приборы для измерения силы
Для практических измерений силы в ньютонах используются специальные приборы - динамометры (от греческих слов dynamis – сила и metro – измерять). Они бывают разных типов.
Механические динамометры
В таких приборах используется принцип деформации пружины. Сила деформирует пружину, степень деформации показывает величину силы в ньютонах. Бывают механические динамометры стрелочные и циферблатные. Точные лабораторные динамометры позволяют измерять микроньютоны.
Электронные динамометры
Вместо механической деформации они используют тензодатчики - электрические датчики деформации. Преимущество - высокая точность измерения. Современные электронные динамометры способны измерить тысячные и даже миллионные доли ньютона. Результат выводится на дисплей в цифровом виде.
Гидравлические
Гидравлические динамометры работают за счет передачи давления жидкости. Они способны измерить огромные силы в десятках и сотнях тонн - то есть в сотнях и тысячах килоньютонов. Гидравлические динамометры используются в промышленности для испытания прочности материалов, измерения тяги и подъемной силы мощных механизмов.
Использование ньютона на практике
Знание того, что такое ньютон и как с ним работать, позволяет решать множество практических инженерных задач:
- Расчет оптимальной силы затяжки болтов в конструкции
- Оценка прочности деталей машины на разрыв или изгиб
- Выбор нужного типа датчика давления
- Подбор оптимального двигателя по тяге
Владение единицами измерения силы необходимо специалистам многих инженерных профессий.
