§ 16. Сила — мера взаимодействия

В инерциальной системе отсчета изменение скорости тела может быть обусловлено только его взаимодействием с другими телами. Для описания взаимодействия между телами вводится физическая величина — сила, дающая количественную меру этого взаимодействия.

Виды сил. Физическая природа взаимодействия может быть различной: существуют гравитационные, электрические, магнитные и другие взаимодействия. В механике физическая природа сил, вызывающих ускорение тела, совершенно несущественна: вопрос о происхождении взаимодействий в механике не ставится и не выясняется. Но для всех видов взаимодействий количественная мера может быть выбрана единым образом — измерять силы различной природы можно в одних и тех же единицах с помощью одних и тех же эталонов. Благодаря такой универсальности механика успешно описывает движения под действием сил любой природы.

Таким образом, определение силы в механике должно отвечать только на вопрос, как измерить силу и каковы ее свойства.

Измерение сил. Существуют различные способы измерения сил. Один из наиболее распространенных способов основан на свойстве сил вызывать упругую деформацию твердых тел.

Деформация твердого тела, например пружины, называется упругой, если тело принимает первоначальные форму и размеры после снятия усилия, вызывающего деформацию. Простейший прибор для измерения сил — это пружинный динамометр. Некоторые модификации этого прибора, например крутильные весы, обладают очень высокой чувствительностью (см., например, рис. 93). Такие весы представляют собой один из самых совершенных физических приборов. С помощью крутильных весов равенство инертной и гравитационной масс, о которых будет идти речь ниже, было установлено с относительной погрешностью, равной 10-12. Такая точность эквивалентна возможности заметить изменение массы корабля водоизмещением в 1000 тонн при добавлении к нему 1 миллиграмма.

Для измерения сил на основе явления упругой деформации можно поступить следующим образом. Выберем и качестве эталона

некоторую пружину и по определению будем считать, что при растяжении на некоторую заданную длину пружина действует на прикрепленное к ее концу тело с силой направленной вдоль оси пружины. Будем также считать, что две любые силы равны и противоположно направлены, если при одновременном действии только этих двух сил тело в инерциальной системе отсчета остается в покое или движется равномерно и прямолинейно. В соответствии с этим определением эталон силы можно воспроизвести в любом числе экземпляров.

Градуировка динамометра. Имея в распоряжении эталонную пружину, можно установить, имеет ли измеряемая сила значение но еще нельзя измерить любую силу. Для того чтобы получить способ измерения любых сил, попробуем сначала добиться того, чтобы тело в инерциальной системе отсчета оставалось в покое при одновременном действии на него трех эталонных сил

Рис. 62. Равновесие при действии трех одинаковых сил

Опыт показывает, что это возможно только в том случае, когда пружины расположены симметрично: их оси лежат в одной плоскости, образуя углы 120° друг с другом (рис. 62 а). Отсюда можно сделать вывод, что действие двух сил под углом 120° друг к другу эквивалентно действию одной силы направленной по диагонали параллелограмма (ромба), построенного на этих силах (рис. 62 б). В этом параллелограмме длина меньшей диагонали равна длине стороны.

Обобщим этот результат и будем считать, что действие на тело двух эталонных сил расположенных под любым углом друг к другу эквивалентно действию одной силы, модуль и направление которой задаются диагональю параллелограмма, построенного на действующих силах как на сторонах. Другими словами, мы предполагаем, что две эталонные силы складываются, как векторы. Эта гипотеза дает возможность проградуировать прибор для измерения

сил — динамометр (рис. 63). Силе уравновешивающей совместное действие двух эталонных сил направленных под углом а друг к другу, мы приписываем модуль и направление, указанное на рисунке.

Сила — вектор. Имея в распоряжении проградуированный динамометр, остается только убедиться на опыте, что все силы, независимо от их физической природы, складываются, как векторы. Действительно, силы упругости, на основе которых создан прибор для измерения сил — динамометр, складываются, как векторы, по принятому определению. Для всех остальных сил такое свойство должно проверяться на опыте.

Пусть, например, на стальной шарик (рис. 64) действуют две силы: сила упругости со стороны динамометра и магнитная сила со стороны постоянного магнита М.

Рис. 63. Сложение сил и градуировка динамометра

Рис. 64. Сложение сил разной физической природы

Силу если бы она действовала отдельно, можно измерить с помощью динамометра. Поэтому можно считать, что в рассматриваемом опыте ее значение известно. При одновременном действии сил и опыт покажет, что шарик будет оставаться в покое, если на него подействовать еще и третьей силой со стороны другого динамометра которая удовлетворяет равенству

На основании описанных свойств можно заменять несколько сил их равнодействующей, равной их векторной сумме, и наоборот,

всякую силу можно раскладывать на составляющие, векторная сумма которых равна данной силе.

Введенный способ измерения сил дает возможность изучать на опыте свойства сил разной физической природы. При этом оказывается, что некоторые виды сил зависят от взаимного расположения взаимодействующих тел. К таким силам относятся, например, гравитационные силы, силы взаимодействия неподвижных электрических зарядов, силы взаимодействия постоянных магнитов и т. д. Другие виды сил зависят от относительной скорости взаимодействующих тел. К таким силам относятся, например, сила трения, силы, действующие со стороны постоянного магнита на движущиеся электрические заряды, и т. д. Однако независимо от этих специфических для каждого вида сил свойств все силы обладают одним универсальным свойством — сообщать ускорение телам, на которые они действуют.

• В каком случае действующие на тело силы считаются одинаковыми?

• Какими достоинствами обладает метод измерения сил, основанный на упругой деформации твердых тел?

• Как можно на опыте установить, что действующая на стальной шарик со стороны постоянного магнита сила является вектором?

• Что значит разложить силу на составляющие? Когда это можно делать? Как могут быть направлены эти составляющие?