Wielokrotnie w życiu codziennym posługujemy się terminem „siła”. Czym ona jednak jest i jak należy rozumieć jej znaczenie? Siłą, w ogólności, nazywamy wielkość wektorową, będącą miarą oddziaływania pomiędzy dwoma ciałami. Stwierdzenie, iż jest to wielkość wektorowa sprawia, że do opisu siły należy wykorzystać trzy podstawowe właściwości wektora: wartość, kierunek oraz zwrot.
RgXEJBQWSr7jY
Siła jest równa iloczynowi masy oraz przyspieszenia:
Jednostką siły w układzie SI jest niuton, oznaczany symbolem N, przy czym
Jednym z efektów działania sił może być brak ruchu lub ruch ze stałą prędkością. Na początku rozważmy przypadek klocka umieszczonego na płaskiej powierzchni i przeanalizujmy siły działające w kierunkach pionowym oraz poziomym.
R1UqzYNRY7dUQ
W przypadku A siła ciężkości równoważona jest przez siłę reakcji podłoża , wobec czego klocek nie doznaje przemieszczenia w kierunku pionowym. Analogiczna sytuacja zaprezentowana jest w przykładzie B, gdzie siły oraz mają takie same wartości oraz kierunki, ale przeciwne zwroty. W obu przypadkach wypadkowa siłasiła wypadkowawypadkowa siła działająca na klocek jest wektorem zerowym.
Przykład 1.
W pewnym mieście odbywają się zawody w przeciąganiu liny. Naprzeciw siebie stają dwaj najsilniejsi zawodnicy. Jeden z nich ciągnie linę w swoją stronę siłą o wartości 1000 N. Zawody zakończyły się remisem. Wyznacz siłę, z jaką drugi z zawodników ciągnął linę w swoją stronę.
R11kdEwslB0ip
Rozwiązanie:
Z treści zadania wiemy, iż zawody nie zostały rozstrzygnięte, zatem środek liny nie zmienił swojego położenia pod wpływem działania obu zawodników. Taki przypadek jest możliwy wtedy i tylko wtedy, gdy obie siły równoważą się, tzn.
Wobec tego wartość siły = 1000 N. (Oczywiście zwroty tych sił muszą być przeciwne.)
Odpowiedź: Drugi z zawodników ciągnął linę siłą o takiej samej wartości jak pierwszy, tj. 1000 N.
W opisanym przykładzie mamy do czynienia z dwoma źródłami sił (zawodnik 1 i zawodnik 2), których działania znoszą się, co oznacza, że siły wzajemnie się równoważą. Możemy zatem stwierdzić, że jednym z warunków koniecznych do pozostania ciała w bezruchu jest równowaga siłRównowaga (równoważenie się) siłrównowaga sił. W praktyce oznacza to, że wypadkowa siłasiła wypadkowawypadkowa siła działająca na ciało musi być równa 0 N.
Rozpatrzmy inny przypadek, w którym mamy do czynienia z więcej niż dwoma siłami, a obiekt tym razem porusza się ze stałą prędkością.
Przykład 2.
Dany jest samochód napędzany silnikiem generującym siłę o wartości , konieczną do wprawienia go w ruch. Samochód porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym z szybkością . Siła tarcia opon samochodu o jezdnię ma wartość . Wyznacz wartość siły oporu powietrza działającej na samochód.
R19oSSi4M1Tj9
Z warunków zadania wiemy, że pojazd poruszał się ze stałą prędkością. Aby tak się stało, musi dojść do zrównoważenia się sił, wobec tego siła wypadkowasiła wypadkowasiła wypadkowa działająca na samochód musi wynosić 0 N,
Uwzględniając zwroty wektorów sił, możemy stwierdzić że siła działająca w prawo i wywołująca ruch musi zostać zrównoważona przez sumę sił tarcia i oporu powietrza , czyli
Przekształcając powyższe wyrażenie, możemy wyznaczyć wartość siły oporu powietrza
co po wykorzystaniu wartości podanych w treści zadania daje wynik
Odpowiedź: Siła oporu powietrza ma w tym przypadku wartość 30 kN.
Analizując zaprezentowane przykłady można stwierdzić, że:
Jeśli na ciało nie działa żadna siła lub siły działające równoważą się, to ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym.
Jest to treść I zasady dynamiki Newtona.
Układ, w którym spełniony jest ten warunek, nosi nazwę układu inercjalnegoukład inercjalnyukładu inercjalnego. Możemy stwierdzić, iż I zasada dynamiki jest postulatem istnienia układu inercjalnego.
Słowniczek
Siła wypadkowa
Siła wypadkowa
(ang.: resultant force) – suma wszystkich sił działających w rozpatrywanym układzie.
Równowaga (równoważenie się) sił
Równowaga (równoważenie się) sił
(ang.: balance of forces) – ma miejsce, gdy wypadkowa wszystkich sił działających w rozpatrywanym układzie wynosi 0.
Układ inercjalny
Układ inercjalny
(ang.: inertial reference system) – układ odniesienia, w którym ciało, dla którego wypadkowa wszystkich działających sił wynosi zero, pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym.