Что такое сила?
Прежде чем рассматривать вопрос единицы измерения силы в системе СИ, разберемся с самим понятием силы.
В классической физике под ней понимают величину, которая способна изменять характер движения некоторого объекта, например направление его движения или скорость. Эта физическая величина вместе с энергией определяет интенсивность любых взаимодействий, которые существуют в природе.
Когда говорят о силе, то принято ее рассматривать с двух точек зрения:
- Природа происхождения силы, например гравитационная, электрическая или механическая.
- Результат ее действия, то есть как она повлияла на движение объекта. В данном понимании имеют в виду использование второго закона Ньютона.
Примерами проявления силы в действии являются движение автомобиля (механическая сила, заставляющая вращать его колеса) или падение мяча с некоторой высоты (сила земного притяжения).
Определение работы силы
Силовое воздействие на вещество сопровождается совершением работы. Работа силы – физическая величина, численно равная произведению силы на перемещение, пройденное под ее действием, и косинус угла между направлениями силы и перемещения.
Искомая работа силы, формула которой имеет вид A = FScosα, включает величину силы.
Действие тела сопровождается изменением скорости тела или деформацией, что говорит об одновременных изменениях энергии. Работа силы напрямую зависит от величины.
Историческая справка
Появление концепции силы относится ко временам философов Древней Греции. В частности, Архимед полагал, что любое тело пребывает в состоянии покоя, если на него не оказывают воздействие остальные тела, то есть философ рассматривал силу в статике.
Первое определение этой физической величины с динамических позиций приписывается Галилею (XVII век), который, в отличие от Архимеда, полагал, что отсутствие взаимодействия с другими объектами рассматриваемого тела не будет менять его инерционное движение.
Современную концепцию силы развил в своих трудах Исаак Ньютон. Он подробно определил это понятие, включив его во все законы классической механики. Так, Ньютон определил, что интенсивность взаимодействия абсолютно любых тел, имеющих конечную массу, уменьшается, как квадрат расстояния (закон всемирного тяготения). Только спустя один век (конец XVIII в.) Генри Кавендиш, используя крутильные весы, смог измерить гравитационную постоянную, которая была введена Ньютоном. За перечисленные заслуги Ньютона в физике, единица измерения силы в системе СИ получила название по его фамилии.
В современной физике понятие силы используется главным образом для описания макроскопических объектов. В квантовой механике и физике элементарных частиц чаще оперируют концепцией «энергия».
Ньютон
Единицей измерения силы в Международной системе единиц (СИ) является ньютон. Он назван в честь Исаака Ньютона, в знак признания его работ по классической механике, в частности, по второму закону движения Ньютона.
Один ньютон — это сила, необходимая для ускорения одного килограмма массы со скоростью один метр в секунду в квадрате в направлении приложенной силы.
Международная система единиц и Ньютон
Под этим названием понимают систему мер и величин, которая кратко обозначается СИ (с франц. Système International). В ее основу положены 7 основных физических величин (ампер, кельвин, секунда, кандела, килограмм, метр и моль). СИ была принята в 1960 году, а в 1971 году в нее была добавлена последняя фундаментальная величина «моль».
В системе СИ единица измерения силы — ньютон. Под ним понимают такую категорию, которая, действуя на тело с массой 1 кг, ускоряет его движение на 1 м/с за каждую секунду времени. В русском языке принято обозначение ньютона [Н], на латинице же оно записывается как [N].
Применение утвержденных в СИ приставок к основным единицам измерения позволяет получить их дробные или большие значения. Для силы это могут быть, например, мкН (микроньютон, 1 мкН = 10-6 Н), мН (миллиньютон, 1 мН = 10-3 Н) или кН (килоньютон, в ньютонах это 1000 Н).
Любопытно отметить, что ньютон не входит в число 7 фундаментальных единиц измерения силы в системе СИ, поэтому он является производной единицей. В частности, 1 [Н] = 1 [кг*м/с2], то есть он выражается через килограмм (масса), метр (расстояние) и секунду (время).
Повседневный Джоуль
Единица измерения величины силы в повседневной жизни — это:
- Энергия, необходимая для поднятия томата среднего размера на 1 метр (3 фута 3 дюйма). Предположим, масса помидора составляет приблизительно 100 г (3,5 унции).
- Энергия, выделяемая, когда тот же помидор падает на метр вниз.
- Энергия, необходимая для ускорения массы 1 кг за 1 м с-2 на расстояние 1 м.
- Тепло, необходимое для повышения температуры 1 г воды на 0,24 ° С.
- Обычная энергия, выделяемая человеком в состоянии покоя, каждые 1/60 с (приблизительно 17 мс).
- Кинетическая энергия от 50 кг человек (0,2 м / с или 0,72 км / ч).
- Кинетическая энергия теннисного мяча 56 г, движущегося со скоростью 6 м / с (22 км / ч).
- Кинетическая энергия объекта с массой 1 кг движется при√2 ≈ 1,4 м / с.
- Количество электричества, необходимое для освещения 1 Вт светодиода в течение 1 с.
Так как джоуль также является ватт-секундой, а общая единица продажи электроэнергии домам — это кВт-ч (киловатт-час), то кВт-ч, таким образом, составляет 1000 Вт × 3600 с = 3,6 МДж (мегаджоуля).
Работа силы в системе СИ
Выше уже было упомянуто, что концепции силы и энергии тесно связаны друг с другом. Эту связь наглядно можно выразить через работу. В физике работа — это величина, получаемая в результате произведения модуля силы, которая действует на тело в направлении его перемещения, на это самое перемещение. В математическом виде можно записать: A = F*l, где F — модель силы, l — расстояние, на которое переместилось тело в результате действия F.
В СИ сила в ньютонах измеряется, а расстояние в метрах, поэтому работа будет выражаться в Н*м. Однако эта величина имеет собственное название: джоуль (Дж), то есть она выражается в тех же единицах, что и энергия.
Закон силы тяжести
Замечание 1
Сила тяжести является одним из случаев проявления действия гравитационных сил.
Силу тяжести представляют в виде такой силы, которая действует на тело со стороны планеты и придает ему ускорение свободного падения.
Свободное падение можно рассмотреть в виде $mg = G\frac{mM}{r^2}$, откуда получаем формулу ускорения свободного падения:
$g = G\frac{M}{r^2}$.
Формула определения силы тяжести будет выглядеть следующим образом:
Помощь со студенческой работой на тему Законы силы, формулы
Курсовая работа 460 ₽ Реферат 240 ₽ Контрольная работа 200 ₽
Получи выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту Узнать стоимость
${\overline{F}}_g = m\overline{g}$
Сила тяжести имеет определенный вектор распространения. Он всегда направлен вертикально вниз, то есть по направлению к центру планеты. На тело действует силы тяжести постоянно и это означает, что оно совершает свободное падение.
Траектория движения при действии силы тяжести зависит от:
- модуля начальной скорости объекта;
- направления скорости движения тела.
С этим физическим явлением человек сталкивается ежедневно.
Силу тяжести можно также представить в виде формулы $P = mg$. При ускорении свободного падения учитываются также дополнительные величины.
Если рассматривать закон всемирного тяготения, который сформулировал Исаак Ньютон, все тела обладают определенной массой. Они притягиваются друг к другу с силой. Ее назовут гравитационной силой.
$F = G\frac{m_1m_2}{r^2}$
Эта сила прямо пропорциональна произведению масс двух тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
$G = 6,7\cdot {10}^{-11}\ {H\cdot m^2}/{{kg}^2\ }$, где $G$ — это гравитационная постоянная и она имеет по международной системе измерений СИ постоянное значение.
Требуется консультация по учебной работе? Задай вопрос преподавателю и получи ответ через 15 минут! Задать вопрос
Определение 1
Весом называют силу, с которой тело действует на поверхность планеты после возникновения силы тяжести.
В случаях, когда тело находится в состоянии покоя или равномерно движется по горизонтальной поверхности, тогда вес будет равен силе реакции опоры и совпадать по значению с величиной силы тяжести:
$Р = тg$
При равноускоренном движении вертикально вес будет отличаться от силы тяжести, исходя из вектора ускорения. При направлении вектора ускорения в противоположную сторону возникает состояние перегрузки. В случаях, когда тело вместе с опорой двигаются с ускорением $а = g$, тогда вес будет равен нулю. Состояние с нулевым весом называют невесомостью.
Напряженность поля тяготения высчитывается следующим образом:
$g = \frac{F}{m}$
Величина $F$ — сила тяготения, которая действует на материальную точку массой $m$.
Тело помещается в определенную точку поля.
Потенциальная энергия гравитационного взаимодействия двух материальных точек, имеющих массы $m_1$ и $m_2$, должны находиться на расстоянии $r$ друг от друга.
Потенциал поля тяготения можно найти по формуле:
$\varphi = \Pi / m$
Здесь $П$ — потенциальная энергия материальной точки с массой $m$. Она помещена в определенную точку поля.
Каким прибором измеряют силу?
Для измерения силы в ньютонах, килоньютонах, миллиньютонах используют прибор, который называется динамометр. Изобретен он был еще Исааком Ньютоном. Прибор представляет собой пружину, закрепленную на градуированной линейке. Поскольку растяжение пружины описывается законом Гука, то есть является упругим, то сила всегда прямо пропорциональна величине удлинения пружины. Этот факт и используется в динамометре при его градуировке.
Помимо динамометра для измерения слишком маленьких сил используют крутильные весы, основным элементом работы которых является так называемый крутильный маятник. Измерение силы с помощью этих весов основано на упругой сдвиговой деформации рабочего элемента.
Сила в других системах единиц
Система СИ используется во всем мире и во всех областях исследования, тем не менее, в некоторых сферах в виду исторических причин или простого удобства применения продолжают указываться единицы измерения из других систем. Перевод всех их в единицы СИ также стандартизированы.
Одной из популярных является система СГС (сантиметр, грамм, секунда). Эта система была предложена еще в 1832 году немецким ученым Гауссом. В ней сила измеряется в динах (дин), 1 дин эквивалентна 10-5 ньютонов. СГС часто используется для описания электромагнитных явлений, поскольку в ее форме представления многие законы выглядят проще, чем в единицах СИ.
Еще одна система единиц, которую принято называть технической, часто использовалась для описания процессов инженерии. В ней сила является фундаментальной единицей, через которую определяется масса. Называется она килограмм-силой или килопондом. Килограмм-сила представляет собой такую интенсивность воздействия на тело массой 1 кг, которая равна силе гравитационного притяжения этого тела Землей, то есть 1 килопонд = 9,81 ньютона. С появлением СИ техническая система единиц практически перестала использоваться.
