§ 36. Сила — вектор. Эталон силы.
Наблюдая
ускорения, получаемые каким-либо телом под действием различных сил, мы заметим,
что ускорения могут оказаться различными как по модулю, так и по направлению.
Значит, силы можно различать по модулю и по направлению: сила есть векторная
величина.
Для
измерения силы необходимо, во-первых, выбрать эталон силы и, во-вторых,
установить способ сравнения других сил с эталоном, т. е. сам способ измерения
сил. За эталон можно выбрать, например, какую-либо упругую силу. Так как
упругие силы зависят от деформации, за эталон можно принять силу, с которой
какая-либо определенная пружина, определенным образом растянутая, действует
на тело, прикрепленное к одному из ее концов.
Такой
эталон в принципе можно осуществить, например, в виде цилиндрической пружины,
снабженной указателем, позволяющим всякий раз устанавливать одно и то же
растяжение пружины (рис. 55). За направление силы примем ось пружины.
Следовательно, эталон определяет как модуль, так и направление силы.
Рис. 55. Простейший эталон силы — действие пружины,
растянутой до метки А
На практике,
однако, такой эталон силы неудобен: упругие свойства пружины зависят от
температуры, могут изменяться с течением времени и т. п. Поэтому стремятся выбрать
эталон таким образом, чтобы изменчивость свойств пружины не могла сказываться.
Это можно сделать так. Возьмем какую-нибудь пружину и подвесим к ней гирю. Гиря
начнет опускаться, растягивая пружину, пока та не растянется до определенной
длины, после чего растяжений пружины прекратится и гиря остановится: сила
тяжести, действующая на гирю окажется уравновешенной силой упругости пружины.
Рис. 56. При подвешивании одной и той же гири к разным
пружинам пружины действуют на гирю с одинаковыми силами
Рис. 57. Получение эталонной силы, направленной под
любым углом к вертикали
Если
бы мы подвесили ту же гирю к другой пружине, то растяжение было бы другим. Но
сила, действующая со стороны новой пружины на гирю, будет равна силе, с
которой действовала первая пружина, так как в обоих случаях силы упругости
пружины уравновешивают силу тяжести, действующую на ту же гирю (рис. 56).
Пользуясь какой-либо определенной выбранной гирей, мы можем установить, как
надо растягивать любую пружину для того, чтобы она действовала с определенной
силой, т. е. могла служить эталоном силы. Для получения силы, равной эталону,
но направленной не по вертикали вверх, а по любому направлению, можно
использовать нить, перекинутую через блок, как показано на рис. 57 (сила
упругости со стороны нити всегда действует вдоль нее). Таким образом, трудную
задачу изготовления и сохранения эталонной пружины при определенном растяжении
мы заменяем гораздо более простой — изготовлением и сохранением эталонной гири.
