§ 16. Статическое и динамическое проявления сил

В теоретической механике обычно принимают схематизированное представление о силах и о телах, находящихся под действием сил, а именно, считают, что сила приложена или к материальной точке, или к абсолютно твердому телу (под абсолютно твердым телом

понимают тело, совершенно несжимаемое и совершенно неизменяемое по форме). При такого рода упрощении единственным проявлением силы является ее динамическое действие, т. е. сообщаемое ею ускорение. Если какое-либо тело не испытывает ускорения, то отсюда заключают, что на это тело не действует сила.

С более широкой физической точки зрения это упрощение не всегда является уместным. Какой-либо груз, лежащий на платформе, находится под действием двух уравновешивающихся на нем сил: силы веса и равного, но обратно направленного противодавления опоры. Вещество груза сжато этими силами, и состояние его отлично от того, которое имелось бы, если бы на груз не действовали никакие силы. Чтобы применить выводы теоретической механики к исследованию существующих внутри тела давлений или натяжений, возникающих в результате уравновешивания на этом теле двух равных, но противоположно направленных сил, надо рассматривать тело как совокупность материальных точек, а для этого необходимо сделать особые гипотезы о строении тела.

Имея в виду только одни абсолютно твердые тела и системы материальных точек, можно придерживаться представления о силе как о произведении массы на ускорение (без учета статического действия силы); однако это представление вносит в механику только чисто математические упрощения; с точки зрения физики им следует пользоваться с некоторой осторожностью.

По ньютонову пониманию, сила может проявляться двояко: динамически, сообщая телу ускорение, и статически, побуждая тело оказывать давление на другие тела, препятствующие движению рассматриваемого тела. Чтобы пояснить отличие этого понимания силы от того, которое учитывает только динамическое действие, мы рассмотрим с обеих точек зрения несколько простых примеров движений.

Некоторый груз положен на платформу, которую удерживают канатом (рис. 20). К грузу приложена сила его веса Когда платформа неподвижна, а также и тогда, когда платформу опускают с постоянной скоростью (без ускорения), вся приложенная к грузу сила веса проявляется статически в давлении, которое груз оказывает на платформу (на этом рисунке, как и на остальных в данном параграфе, извилистая стрелка изображает статическое проявление силы).

Когда канат отпускают так, что платформа падает ускоренно, то сила веса частью проявляется динамически, сообщая грузу ускорение остальная ее часть проявляется в статическом давлении груза на платформу: Следовательно, в этом случае груз давит на платформу с меньшей силой, чем когда груз опускают равномерно. С точки зрения наблюдателя, удерживающего канат, груз, опускаемый с ускорением, тем более «теряет в весе», чем с большим ускорением он падает. Если груз падает вместе с

платформой «свободно» (т. е. имеет полное ускорение которое способна сообщить телу сила тяжести, целиком проявляющаяся динамически), то груз не будет оказывать никакого давления на платформу и канат совершенно не будет натянут.

Рассмотрим тот же пример «несвободного» падения груза иначе. Будем рассуждать так. Сила веса сообщает грузу ускорение направленное вниз; когда канат натянут с силой полной тяжести груза, то давление платформы на груз сообщает грузу ускорение направленное вверх; геометрическая сумма ускорений, получаемых грузом, равна нулю; следовательно, груз будет неподвижен.

Рис. 20. Статическое и динамическое проявление веса («потеря веса» при падении с ускорением).

Если груз падает с ускорением вместо то это означает, что давлением платформы ему было сообщено ускорение вверх следовательно, натяжение каната равно Груз будет падать с ускорением когда платформа не оказывает на него давления, т. е. когда канат не натянут.

В пределах обычных задач механики обе точки зрения математически равноправны.

При несвободном падении груза статическое проявление веса, т. е. давление груза на платформу, вызывает, по третьему закону, противодавление (реакцию) платформы. Когда груз неподвижен, реакция уравновешивает вес. Когда груз падает с некоторым ускорением, реакция платформы уравновешивает ту часть веса груза, которая проявляется статически; остальная часть веса (равная как раз равнодействующей приложенных к телу сил) остается неуравновешенной и сообщает грузу ускорение.

Представим себе, что на совершенно гладкую наклонную плоскость положено некоторое тело. Геометрическая составляющая

веса, перпендикулярная к наклонной плоскости, проявляется статически в давлении, которое тело будет оказывать на плоскость; другая составляющая веса, параллельная направлению плоскости, проявляется динамически: она сообщает телу ускорение (рис. 21).

Рис. 21. Статическая и динамическая слагающие силы

Рис. 22. Движущая сила есть равнодействующая приложенных к телу сил: силы реакции опоры

Статическое проявление силы — это геометрическая составляющая силы приложенной к телу, но вместе с тем это сила, развиваемая телом и приложенная к опоре; динамическая составляющая приложена только к рассматриваемому телу. Статическое проявление силы вызывает равную по величине, но противоположную по направлению реакцию опоры. Тело будет двигаться под действием равнодействующей двух приложенных к нему сил: веса и реакции (рис. 22), но эта равнодействующая и есть та сила, которую мы обозначили как динамическое проявление тяжести рассматриваемого тела.