Сила: в чому вимірюється і як її обчислюють

Сила — це одна з основних фізичних величин, яка відіграє важливу роль у фізиці та інженерії. У повсякденному житті ми постійно стикаємось із діями сили, від штовхання дверей до підняття важких предметів. Але що таке сила науково, в чому вона вимірюється та як її обчислюють? Давайте розглянемо ці питання докладніше.

Визначення сили

Сила визначається у фізиці як вплив, який може призвести до зміни руху об’єкта. Формально, сила є векторною величиною, що має напрямок і величину (модуль). Основною одиницею вимірювання сили в системі SI є ньютон (Н), який визначається так:

1 Н = 1 кг·м/с²

Це означає, що одна ньютон — це сила, яка надає тілу масою 1 кг прискорення 1 м/с².

Одиниці вимірювання сили

Основні одиниці

1. Ньютон (Н) — основна одиниця в системі SI.
2. Кілоньютон (кН) — 1000 Н.
3. Фунт сила (lbs) — використовується в англійській системі одиниць, 1 фунт сила ≈ 4.448 Н.

Перетворення одиниць

Для здійснення різних обчислень може знадобитись перетворення одиниць. Наприклад:

• 1 кН = 1000 Н
• 1 фунт сила = 4.448 Н
• 1 Н = 0.2248 фунт сила

Типи сил

Сили можна класифікувати за різними критеріями:

За характером дії

1. Контактні сили — виникають при безпосередньому контакті між об’єктами. Наприклад, сила тертя, нормальна сила, сила пружності.

2. Далекі сили — діють на відстані. Наприклад, гравітаційна сила, електрична та магнітна сили.

За походженням

1. Природні сили — такі як гравітація, електромагнітні сили.

2. Штучні сили — виникають внаслідок діяльності людини, наприклад, механічні, термічні, електричні сили.

За напрямком дії

1. Сили, які діють у одному напрямку (наприклад, тяга).

2. Опозиційні сили — сили, що протидіють одна одній, наприклад, сила тяжіння і сила підтримки.

Основні закони механіки

Для розуміння сили необхідно ознайомитися з основними законами механіки, сформульованими Ісааком Ньютоном:

Перший закон Ньютона

Закон інерції стверджує, що тіло залишиться в спокої або буде рухатися рівномірно прямолінійно, якщо на нього не діють сили.

Другий закон Ньютона

Закон прискорення: прискорення тіла прямо пропорційне силі, що на нього діє, і обернено пропорційне масі тіла.

[ F = m \cdot a ]

де:
F — сила,
m — маса,
a — прискорення.

Третій закон Ньютона

Закон дії та протидії: на кожну дію є рівна і протилежна реакція.

Як обчислюють силу

Обчислення сили залежить від конкретної ситуації. Зазвичай використовують другу новтонівський закон:

[ F = m \cdot a ]

де F — сила, m — маса об’єкта, а a — його прискорення.

Приклади обчислень

1. Приклад з прискоренням:

   • Дано: маса тіла m = 10 кг, прискорення a = 2 м/с².

   • Розрахунок сили:

     [ F = 10 \, \text{кг} \cdot 2 \, \text{м/с²} = 20 \, \text{Н} ]

2. Приклад з рухом:

   • Якщо на тіло діє сила тяжіння (гравітація) та сила підтримки, можна обчислити результуючу силу:

     • Сила тяжіння: ( F_{g} = m \cdot g ) (де g ≈ 9.81 м/с² — прискорення вільного падіння на Землі).
     • Якщо m = 5 кг, то:

     [ F_{g} = 5 \, \text{кг} \cdot 9.81 \, \text{м/с²} = 49.05 \, \text{Н} ]

Сили в статичних системах

У статичній рівновазі, коли об’єкт не рухається, всі сили, що діють на нього, повинні врівноважувати одна одну. Наприклад, при піднятті блоком вантажу на нього діятимуть:

• Сила тяжіння (вниз)
• Нормальна сила (вгору)

У такому випадку, якщо вантаж має масу m, то сила тяжіння дорівнює:

[ F_{г} = m \cdot g ]

А нормальна сила F_n буде дорівнювати силі тяжіння:

[ Fn = F{г} ]

Поняття моменту сили

Момент сили (або момент) — це величина, яка описує здатність сили викликати обертальний рух. Момент сили визначається за формулою:

[ M = F \cdot r ]

де:
M — момент сили,
F — сила,
r — відстань до осі обертання (плече сили).

Обчислення моменту сили

1. Приклад з плечем:

   • Дано: сила F = 10 Н, плече r = 0.5 м.
   • Розрахунок моменту:

   [ M = 10 \, \text{Н} \cdot 0.5 \, \text{м} = 5 \, \text{Н·м} ]

Вимірювання сили

Для практичного вимірювання сили використовуються спеціальні пристрої — динамометри. Вони можуть бути:

1. Механічними — засновані на пружинному принципі.
2. Електронними — забезпечують точні вимірювання завдяки електроніці.

Різновиди динамометрів

1. Силоміри — вимірюють силу в статичних та динамічних умовах.
2. Тензометри — використовуються для вимірювання деформацій, що може бути пов’язано зі силовим впливом.

Застосування сили в техніці та науці

Сила має велике значення не тільки в фізиці, а й в техніці, медицині, будівництві та багатьох інших сферах діяльності. Декілька прикладів:

1. Механіка: розрахунки частин машин, механізмів, щоб забезпечити їх безпечну експлуатацію.
2. Будівництво: розрахунки навантажень на конструкції, щоб забезпечити їхню стійкість.
3. Спорт: аналіз біомеханіки рухів, застосування тренувальних програм на основі сили.
4. Медицина: розрахунки сил, що впливають на тілесні тканини, що важливо для ортопедії та реабілітації.