Сила

На тіло, підвішене на пружині діє сила земного тяжіння і сила реакції пружини

Си́ла — фізична величина, що характеризує ступінь взаємодії тіл. При дії незрівноваженої сили на фізичне тіло його рух змінюється, тобто тіло набуває прискорення.

Сила є векторною величиною — крім числа, що позначає більшу чи меншу дію, вона характеризується ще й напрямком дії. Силу здебільшого позначають латинською літерою $\mathbf{F}$ (від англ. force), де жирний шрифт вказує, що це вектор. Вектор також позначають стрілочкою $\vec{F}$. Абсолютна величина сили позначається нежирним шрифтом: F.

Сили вивчаються в розділах механіки, які називаються динамікою і статикою. Динаміка вивчає питання, пов'язані з рухом тіл під впливом сил, а в статиці розглядаються умови рівноваги нерухомих тіл.

Історія поняття

Поняття сили використовували ще вчені античності у своїх роботах по статиці і динаміці. Вивченням сил в процесі конструювання простих механізмів займався в III в. до н. е. Архімед. Уявлення Аристотеля про силу, пов'язані з фундаментальними невідповідностями, проіснували протягом кількох століть. Ці невідповідності усунув в XVII столітті Ісаак Ньютон, використовуючи для опису сили математичні методи. Механіка Ньютона залишалася загальноприйнятою протягом майже трьохсот років. На початку XX стліття Альберт Ейнштейн в своїх роботах із теорії відносності показав, що ньютонівська механіка вірна лише в при порівняно невеликих швидкостях руху і масах тіл в системі, уточнивши тим самим основні положення кінематики та динаміки і описавши деякі нові властивості простору-часу.

Види сил

Фундаментальні взаємодії

У природі існує 4 види так званих фундаментальних взаємодій: гравітаційна, електромагнітна, сильна (ядерна) і слабка. Для опису двох із цих взаємодій класична фізика використовує поняття сили. Гравітаційна взаємодія описується законом всесвітнього тяжіння. Тіло з масою m₂ притягається до тіла з масою m₁ із силою:

$\mathbf{F}_{12} = - G \frac{m_1 m_2}{r_{12}^3} \mathbf{r_{12}}$,

де F₁₂ - сила, що діє на перше тіло з боку другого, $\mathbf{r_{12}}$ - вектор, що сполучає перше тіло з другим, G - гравітаційна стала.

Сила електромагнітної взаємодії називається силою Лоренца. Вона діє з боку електричного і магнітного полів на тіла, які мають електричний заряд. На тіло із зарядом q в електричному полі з напруженістю $\mathbf{E}$ і магнітному полі з магнітною індукцією $\mathbf{B}$ діє сила

$\mathbf{F} = q\mathbf{E} + \frac{q}{c} [\mathbf{v} \times \mathbf{B}]$,

де $\mathbf{v}$ - швидкість тіла, а c - фізична стала швидкість світла.

Два інші типи фундаментальних взаємодій — сильна і слабка, діють між елементарними частинками. Для опису цих взаємодій використовуються методи, які виходять за рамки класичної фізики. Поняття сили для характеристики цих взаємодій не застосовують.

Інші сили

Крім основних видів сил для опису взаємодії в макроскопічному світі вводяться інші різновиди сили, які за своєю природою зводяться здебільшого до електромагнітних. До таких сил належать сила реакції опори, сила тертя, сила Архімеда та інші.

Сили, при дії яких виконується закон збереження енергії називаються консервативними. Інші сили, наприклад, сила тертя, розсіюють енергію, перетворюючи її в тепло. Такі сили називаються неконсервативними або дисипативними. Серед консервативних сил є такі, які можна подати у вигляді градієнту певної функції координат. Такі сили називаються потенціальними.

Силами реакції називаються такі сили, значення яких неможливо визначити через характеристики взаємодії тіл і фізичні закони, але можна визначити, знаючи величину й напрямок інших сил у фізичній системі й прискорення, з якими рухаються тіла.

При розгляді динаміки механічних систем у неінерційних системах відліку виникає необхідність запровадження фіктивних сил, які називаються силами інерції.

Потенціальні та непотенціальні сили

Детальніше у статті Потенціальні сили

Розмірність сили

В системі СІ сила має розмірність: Н (Ньютон) = кг · м / с². В системі СГС сила вимірюється в динах = г · см / с².

Крім цих одиниць в літературі іноді зустрічаються застарілі одиниці сили, такі, як кілограм-сила, яка визначається як сила, що надає тілу масою 1 кг прискорення, рівне прискоренню вільного падіння.

Фізичний зміст одиниці вимірювання сили в СІ

Для інерціальних систем відліку в системі СІ за 1 Н взяли таку сталу силу, яка за час 1 с змінює швидкість тіла масою 1 кг на 1 м/c , при умові, що вектор сили та вектор швидкості лежать на одній лінії, що проходить через центр мас тіла.

Графічне представлення

Сили, які діють на тіло на похилій площині

Сили, які діють на тіла графічно зображаються стрілками. Зазвичай сили відкладають від центра маси. На рисунку праворуч для прикладу зображені сили, які діють на тіло на похилій площині. Таких сил три: сила тяжіння (позначена $m \vec{g}$), сила реакції опори (позначена $\vec{N}$) і сила тертя (позначена $\vec{I}$). Якщо тіло нерухоме, то всі ці сили зрівноважені: перпендикулярня до площини складова сили тяжіння — силою реакції опори, а паралельна — силою тертя.

Рівняння руху

За другим законом Ньотона, швидкість зміни імпульсу тіла $\mathbf{p}$ дорівнює рівнодійній прикладених до нього сил:

$\frac{d\mathbf{p}}{dt} = \mathbf{F}$.

Таким чином, сили, які діють на тіло, визначають його прискорення.

Вимірювання

Величину сили вимірюють зрівноважуючи її з якоюсь іншою силою, для якої існує градуйована шкала. Прилад для вимірювання сили називається динамометром або силоміром. Процедура вимірювання сили називається динамометрією.

4-сила

У теорії відносності силі відповідає 4-вектор

$f^i = \left( \frac{\mathbf{F}\cdot\mathbf{v}}{\sqrt{1 - v^2/c^2}}, \frac{\mathbf{F}}{\sqrt{1- v^2/c^2}} \right)$,

де c - швидкість світла у порожнечі, $\mathbf{v}$ - швидкість тіла, $\mathbf{F}$ - звичайна тривимірна сила. Нульова або часова складова 4-вектора сили є за своює суттю потужністю. При $v \ll c$, релятивістські поправки до сили малі.

Другий закон Ньотона в теорії відносності записується через 4-вектори майже аналогічним чином

$mc \frac{du^i}{ds} = f^i$,

де m - маса тіла, uⁱ - 4-вектор швидкості, а ds - просторово-часовий інтервал.

Інше

У фізиці існує чимало понять, для позначення яких використовується слово сила, хоча вони не є силами, як це розуміється в механіці. Їхні назви склалися історично. До таких понять належать електрорушійна сила, оптична сила, сила світла та інші.

Термін сила часто вживається в переносному значенні, наприклад, сила доказу, сила духу, політична сила.

Див. також

• Сила Лоренца

Джерела

• Федорченко А.М. Теоретична механіка, Київ: Вища школа, 1975., 516 с.
• Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Теоретическая физика. т. ІІ. Теория поля., Москва: Наука., 1974.
• О. П. Сук, В. А. Базакуца «Фізичні величини та одиниці». ([1])