Читать книгу Фізика - Группа авторов - Страница 7

Слово «сила» ми чуємо й застосовуємо досить часто: і коли говоримо про силу волі, і коли посилаємося на силу звички, і коли скаржимося на те, що витратили на якусь справу багато сил… А хтось іще каже, що в нього «не вистачає сил»; а про когось скажуть: «сила є…», ну і так далі.

При цьому в таких випадках дуже важко визначити й порівняти ці сили. Однак слово «сила» є ще й одним з найважливіших понять фізики, тому саме як фізичне поняття воно має досить чітко визначений смисл, про що ми зараз і поговоримо.

Свого часу, коли Ньютон закладав основи класичної механіки, найважливішим науковим фактом стали уявлення про взаємодію тіл. Ідеться про те, що завжди причиною зміни стану якогось тіла, що рухається, є його взаємодія з іншим тілом (тілами). Для того щоб кількісно оцінити міру такої взаємодії, фізики й застосовують таку фізичну величину, як сила (символ цієї величини – р ).

Ця фізична величина є векторною, тобто такою, яка характеризується і числовим значенням, і напрямком. З тим, що це повинно бути саме так, легко погодитися, якщо подумати про результат дії сил, однакових за значенням, але різних за напрямком. Уявіть собі, що було б, якби земля діяла на вас із силою, що напрямлена не вниз, а вгору!..

А тепер погляньте довкола себе. Можливо, ви зараз бачите яблуко, яке нерухомо лежить на тарілці, і вам, можливо, здається, що зовсім ніякі тіла на нього не діють? Але це не так! На нього діють тарілка та Земля, а саме яблуко у свою чергу (у відповідь!..) теж діє на ці тіла. Тобто існує важлива особливість, про яку фізики так і говорять: дія одного тіла на інше має характер взаємодії – якщо одне тіло діє на інше, то й інше тіло обов’язково діє на це перше.

Великий Ньютон відкрив закони, за допомогою яких можна пояснити багато реальних механічних явищ, що відбуваються в природі. Ці закони сформульовані саме для сил. Тепер у сучасних шкільних підручниках знамениті закони Ньютона формулюються дещо інакше, ніж це робив сам учений. А чи не хотіли б ви дізнатися, як вони були записані в ті давні часи?

Виявляється, їх було записано латиною, яка в ті часи була міжнародною мовою вчених і відігравала таку ж роль, яку нині, напевно, відіграє англійська. (До речі, в Росії навіть у підручнику з фізики 1915 р. формулювання великих Ньютонових законів теж наводилося мовою оригіналу – латиною.)

Наприклад, закон, який виявляв взаємодію тіл, – третій закон – у книжці Ньютона мав такий вигляд (можливо, хтось із вас, вивчаючи латину, його прочитає в оригіналі):

Lex III

Actioni contrariam semper et aequalem esse reactionem: sive corporum duorum actions in se mutuo semper esse aequales et in partes contraries dirigi

У перекладі:

Дія завжди є рівною та протилежною протидії; інакше: взаємні дії двох тіл одне на одне рівні між собою та напрямлені у протилежні сторони.

Фізики часто не вказують на конкретне тіло, що діє на певний об’єкт: вони скажуть, наприклад, що на м’яч, який скочується з похилої площини, діють сили тяжіння та тертя. За цими словами насправді стоять Земля й та сама площина, з якої скочується м’яч.

Таким чином, ідеться передусім про реальні тіла, а те, що між ними відбувається, фізик опише за допомогою фізичних величин!

На честь Ісаака Ньютона одиниця сили в Міжнародній системі одиниць була названа ньютоном (позначається Н). Якщо ви захочете відчути, що це за сила в 1 Н, то насипте у легку одноразову склянку приблизно 100 г цукру (разом зі склянкою буде трохи більше 100 г). Сила, з якою «цукрова» склянка буде діяти на вашу долоню, дорівнюватиме приблизно 1 Н.

Для вимірювання сили застосовують спеціальні прилади, які називають динамометрами. Ця назва походить від грецького слова «dinamis» – сила. (Зауважмо, що існують ще й спеціальні медичні динамометри для вимірювання сили м’язів; ці прилади називають просто силоміри.)

Найпростіший пружинний динамометр улаштований так само, як пружинні побутові ваги, тільки в динамометра шкала проградуйована в одиницях сили. Існують також інші види динамометрів, які широко застосовують у техніці, наприклад, для вимірювання тягової сили різних машин.

Однак можна знайти й інші способи вимірювання сили. З другого закону Ньютона нині відомо, що сила, яка діє на певне тіло, змінює швидкість його руху на певне значення; при цьому що більша сила – то більше змінюється швидкість. Ми знаємо, що фізичну величину, яка характеризує зміну швидкості за одиницю часу, називають прискоренням (а). Таким чином, закон Ньютона говорить, що сила F , яка діє на певне тіло масою m, надає цьому тілу прискорення а:

Звідси випливає динамічний метод вимірювання сили: треба взяти тіло, наприклад масою 1кг, і подіяти на нього з такою силою, щоб прискорення тіла стало 1 м/с². Ця сила й буде дорівнювати 1Н! Внаслідок дії якоїсь іншої сили те саме тіло буде набувати іншого прискорення, за яким можна буде оцінити й силу.

Під час взаємодії різних об’єктів виникають різні за походженням та значенням сили (1 кН = 1000 Н):

Додамо, що в техніці силу тяги досить часто виражають не в ньютонах, а в кілограм-силах (кгс) або в тонна-силах (тс). Зв’язок між цими одиницями такий: 1 кгс = 9,8 Н. Тоді, наприклад, силу тяги трактора можна записати як 588 10³ кгс або 588 тс (1тс = 1000 кгс = 10³ кгс).

А ще цікаво порівняти середні значення сили м’язів рук людей різного віку (силу м’язів визначали за здавлюванням пружинного динамометра):

Коли в механіці досліджують рух якогось об’єкта та причини його зміни, перш за все виявляють, дія яких сил привела до цих змін (ми пам’ятаємо, що за словами «дія сил» ніби приховані ті тіла, які справді діють на досліджуваний об’єкт). І тут можуть говорити про силу тертя, силу тяжіння, вишто-вхувальну силу, силу реакції опори, силу тяги, силу тиску та інші. І хоча за своїм походженням ці сили різні, і нам, можливо, дуже цікаво дізнатися, яким саме чином вони виникли, ці питання доведеться надіслати до інших «царств» фізики, наприклад, до електромагнетизму. Тобто в механіці з’ясовують, що буде і як змінюється рух, коли діють ті чи інші сили, а сама природа сил не вивчається.

У природі, за сучасними даними, існують тільки чотири типи взаємодій і відповідно чотири типи сил: гравітаційні, електромагнітні, ядерні та слабка взаємодія. З проявами всіх чотирьох типів сил ми зустрічаємося, коли вивчаємо те, що відбувається в безмежних просторах Всесвіту, на нашій планеті, в будь-якому шматочку речовини і навіть в атомах.

Однією з найскладніших і найцікавіших проблем сучасної фізики є намагання побудувати певну Єдину теорію, яка б об’єднала всі чотири взаємодії. Ця проблема ще не вирішена, і, можливо, хтось із вас у майбутньому розв’яже цю велику загадку Природи!..