Си́ла — физическая векторная величина, являющаяся мерой воздействия на данное тело со стороны других тел или внешнего поля. Приложение силы может приводить к изменению скорости тела или к деформациям и механическим напряжениям (в самом теле, если оно имеет конечные размеры, и в фиксирующих его объектах, например, пружинах).
Взаимодействие тел, в том числе при их контакте, всегда осуществляется посредством создаваемых телами полей. Различные взаимодействия сводятся к четырём фундаментальным; согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, эти фундаментальные взаимодействия (слабое, электромагнитное, сильное и, предположительно, гравитационное) реализуются путём обмена калибровочными бозонами.
Для обозначения силы обычно используется символ F — от (сильный).
В современных учебниках физики сила рассматривается как причина ускорения. Важнейший физический закон, в который входит сила, — второй закон Ньютона. Он гласит, что в инерциальных системах отсчёта ускорение материальной точки по направлению совпадает с равнодействующей силой, то есть суммой сил, приложенных к данной точке, а по модулю прямо пропорционально модулю равнодействующей и обратно пропорционально массе материальной точки.
Слово «сила» в русском языке является многозначным и нередко используется (само или в сочетаниях, в науке и обиходных ситуациях) в смыслах, отличных от физической трактовки термина.
Общая информация
Об определении силы Для силы не существует стандартизированного определения — ни достаточно информативного словесного, ни в виде математической формулы. Данное положение вещей является предметом дискуссий с участием крупнейших учёных со времён Ньютона. Отсутствие консенсусного семантического определения силы может быть восполнено изложением способов её измерения и создания, в сочетании с описанием свойств обсуждаемой величины — в терминах логики этим конструируется так называемое операциональное определениеА. А. Ивин, А. Л. Никифоров, Словарь по логике (см. «определение операциональное» ). — М.: Туманит, изд. центр ВЛАДОС (1997)..
В физических величинах сила выражается как произведение массы на ускорение согласно второму закону Ньютона или как произведение коэффициента упругости на деформацию ( — орт) согласно закону ГукаЛандсберг Г. С. Элементарный учебник физики. Том 1 // Изд-во ТГУ, 2013, 624 с.. Приведённые выражения часто являются базовыми для измерения силы, но служить её дефиницией не могут — иначе соответствующие законы превратились бы в тавтологию.
Характеристики силы Сила является векторной величиной. Она характеризуется модулем, направлением и точкой приложения. Также используют понятие линия действия силы, означающее проходящую через точку приложения силы прямую, вдоль которой направлена сила.
Зависимость силы от расстояния между телами может иметь различный вид, однако, как правило, при больших расстояниях сила стремится к нулю — поэтому отдалением рассматриваемого тела от других тел с хорошей точностью обеспечивается ситуация «отсутствия внешних сил». Исключения возможны в некоторых задачах космологии, касающихся тёмной энергии.
Кроме разделения по типу фундаментальных взаимодействий, существуют иные классификации сил, в том числе: внешние—внутренние (то есть действующие на материальные точки (тела) данной механической системы со стороны материальных точек (тел) не принадлежащих этой системе и силы взаимодействия между материальными точками (телами) данной системыТарасов В. Н., Бояркина И. В., Коваленко М. В., Федорченко Н. П., Фисенко Н. И. Теоретическая механика. — М., ТрансЛит, 2012. — C. 24-25), потенциальные и нет (потенциально ли поле изучаемых сил), упругие—диссипативные, сосредоточенные—распределённые (приложены в одной или многих точках), постоянные или переменные во времени.
При переходе из одной инерциальной системы отсчёта в другую преобразование сил осуществляется так же, как и полей соответствующей природы (например, электромагнитных, если сила электромагнитная). В классической механике сила является инвариантом преобразований Галилея.
Системой сил называется совокупность сил, действующих на рассматриваемое тело или на точки механической системы. Две системы сил называют эквивалентными, если их действие по отдельности на одно и то же твердое тело или материальную точку одинаково при прочих равных условиях.
Уравновешенной системой сил (или системой сил, эквивалентной нулю) называется система сил, действие которой на твердое тело или материальную точку не приводит к изменению их кинематического состояния.
Размерность силы Размерность силы в Международной системе величин (), на которой базируется Международная система единиц (СИ), и в системе величин LMT, используемой в качестве основы для системы единиц СГС, — LMT−2. Единицей измерения в СИ является ньютон (русское обозначение: Н; международное: N), в системе СГС — дина (русское обозначение: дин, международное: dyn).
Примеры величин сил
+ПримерСила (Н)Сила притяжения между Солнцем и ЗемлёйКабардин О. Ф., Орлов В. А., Пономарёва А. В. Факультативный курс физики. 8 класс. — М.: Просвещение, 1985. — 3-е изд., перераб. — 208 c. — Тираж 143500 экз.Сила притяжения между Землёй и ЛунойСила тяги двигателей первой и второй ступеней ракеты-носителя «Союз»Данные взяты из статьи Википедии Союз (ракета-носитель)Сила тяги тепловоза 2ТЭ70Данные взяты из статьи Википедии ТЭП70Сила притяжения между электроном и протоном в атоме водородаСила звукового давления в ухе человека у порога слышимости
Равнодействующая системы сил Если к незакреплённому телу приложено несколько сил, то каждая из них сообщает телу такое ускорение, какое она сообщила бы в отсутствие действия других сил. Это утверждение, основанное на опытных фактах, носит название принципа независимости действия сил (принципа суперпозиции). Поэтому при расчёте ускорения тела все действующие на него силы заменяют одной силой, называемой равнодействующей, а именно векторной суммой действующих сил. В частном случае равенства равнодействующей сил нулю ускорение тела как целого также будет нулевым. Для материальной точки нулевое значение равнодействующей означает, что система сил является уравновешенной; для тела конечных размеров достижение уравновешенности сил дополнительно требует равенства нулю суммы их моментов (иначе тело сможет приобретать угловое ускорение, см. подробнее).
Измерение сил Для измерения сил используются два метода: статический и динамический. Статический метод заключается в уравновешивании измеряемой силы другой силой, значение которой известно. Например, в качестве уравновешивающей силы может выступать сила упругости, возникающая в градуированной пружине, деформированной исследуемой силой. На использовании статического метода основаны приборы, называемые динамометрами. Динамический метод основан на использовании уравнения второго закона Ньютона . Уравнение позволяет найти силу , действующую на тело, если известны масса тела и ускорение его поступательного движения относительно инерциальной системы отсчёта (ИСО).
Исторический аспект понятия «сила»
В древнем мире Человечество вначале стало воспринимать понятие силы через непосредственный опыт передвижения тяжёлых предметов. «Сила», «мощность», «работа» при этом были синонимами (как и в современном языке за пределами естествознания). Перенос личных ощущений на объекты природы привёл к антропоморфизму: все предметы, которые могут воздействовать на другие (реки, камни, деревья) должны быть живыми, в живых существах должна содержаться та же сила, которую человек чувствовал в себе.
С развитием человечества сила была обожествлена, причём как египетский, так и месопотамский боги силы символизировали не только жестокость и мощь, но и наведение порядка во вселенной. Всемогущий Бог Библии также несёт в своих именах и эпитетах ассоциации с силой.
В античности Когда греческие учёные стали задумываться о природе движения, понятие силы возникло как часть учения Гераклита о статике как балансе противоположностей. Эмпедокл и Анаксагор пытались объяснить причину движения и пришли к понятиям, близким к понятию силы. У Анаксагора «ум» движет внешней по отношению к нему материей. У Эмпедокла движение вызывается борьбой двух начал, «любви» (филии) и «вражды» (фобии), которые Платон рассматривал как притяжение и отталкивание. При этом взаимодействие, по Платону, объяснялось в терминах четырёх элементов (огня, воды, земли и воздуха): близкие вещи притягиваются, земля к земле, вода к воде, огонь к огню. В древнегреческой науке каждый элемент также имел своё место в природе, которое старался занять. Таким образом, сила тяжести, например, объяснялась двумя способами: притяжением подобных вещей и стремлением элементов занять своё место. В отличие от Платона, Аристотель последовательно занимал вторую позицию, что отложило концепцию общей силы тяготения, которая бы объясняла движение земных и небесных тел, до времён Ньютона.
Для обозначения понятия силы Платон использовал термин «динамис» («возможность» движения). Термин употреблялся в расширенном смысле, близком к современному понятию мощности: химические реакции, тепло и свет все также представляли собой динамисы.
Аристотель рассматривал две разные силы: присущую самому телу («природу», физис) и силу, с которой одно тело тянет или толкает другое (при этом тела должны быть в контакте). Именно это понятие о силе и легло в основу аристотелевой механики, хотя дуализм и препятствовал количественному определению силы взаимодействия двух тел (так как вес был природной силой, не связанной с взаимодействием, и потому не мог использоваться в качестве стандарта). В случае природного движения (падения тяжёлого или подъёма лёгкого тела) Аристотель предложил формулу для скорости в виде отношения плотностей движущегося тела A и среды, сквозь которую происходит движение, B: v=A/B (очевидная проблема для случая равных плотностей была отмечена уже в VI веке).
Изучением сил в процессе конструирования простых механизмов занимался в III в. до н. э. Архимед. Архимед рассматривал силы в статике и чисто геометрически, и потому его вклад в развитие понятия силы незначителен.
Вклад в развитие понятие силы внесли стоики. Согласно их учению, силы неразрывно связывали два тела через дальнодействующую «симпатию» или (у Посидония) через всеобщее напряжение, пронизывающее всё пространство. Стоики пришли к этим выводам путём наблюдения за приливами, где взаимодействие Луны, Солнца и воды в океане было трудно объяснить с позиции Аристотелева близкодействия (сам Аристотель считал, что Солнце, садясь в океан, вызывает ветры, приводящие к приливам).
В доклассической механике Бэкон и Оккам вернули в науку идею о дальнодействии.
Бэкон называл дальнодействующие силы species (обычно этот специфичный для Бэкона термин не переводится) и рассматривал их распространение в среде как цепочку близких взаимодействий. Такие силы, по Бэкону, имели вполне телесный характер, ближайшим эквивалентом в современной физике является волна.
Оккам первым отказался от аристотелевского описания взаимодействия как непосредственного контакта и декларировал возможность движителя воздействовать на движимое на расстоянии, приведя в качестве одного из примеров магниты.
Ревизии подвергалась и аристотелевская формула v=A/B. Уже в VI веке Иоанн Филопон рассматривал в качестве правой части разность A-B, что кроме проблемной ситуации с одинаковыми плотностями позволило также описать движение в вакууме. В XIV веке Брадвардин предложил формулу v=log(A/B).
У Кеплера