Обозначение, определение и измерение равнодействующей силы в физике

Равнодействующая (результирующая) сила — это векторная величина, используемая в физической механике при изучении законов взаимодействия нескольких тел. Она была открыта английским физиком Исааком Ньютоном во второй половине XVII столетия. Эта величина равна сумме всех сил, оказывающих непосредственное воздействие на физическое тело. Она изучается на уроках физики в 9 классе.

Оглавление:

• Основные характеристики
• Сложение величин
• Условия равновесия рычага
• Фундаментальные взаимодействия
• Второй закон Ньютона
• Нахождение силы
• Пример решения задачи

Равнодействующая (результирующая) сила — это векторная величина, используемая в физической механике при изучении законов взаимодействия нескольких тел. Она была открыта английским физиком Исааком Ньютоном во второй половине XVII столетия. Эта величина равна сумме всех сил, оказывающих непосредственное воздействие на физическое тело. Она изучается на уроках физики в 9 классе.

Основные характеристики

Равнодействующую силу характеризуют три основных параметра:

• модуль;
• направление;
• точка приложения.

В системе СИ единицей измерения этой величины является Ньютон (H). Также она может измеряться в кг*м/с². Проекции равнодействующей силы на декартовой плоскости могут быть как положительными, так и отрицательными. Модуль и направление вектора не зависят от выбранной системы отсчета.

Для подробного описания данной векторной величины необходимо знать основные особенности нахождения векторной суммы и условия равновесия рычага.

Сложение величин

Если на физическое тело действуют одновременно два предмета, то оно начинает двигаться с ускорением. Они могут иметь разную массу и размер. В этом случае объекты, действующие на физическое тело, суммируются по правилу сложения векторных величин. Вектор суммы этих величин будет являться результирующей силой. Прямая, проходящая через точку соприкосновения векторов, называется линией действия. Если объекты действуют на физическое тело перпендикулярно друг другу, то равнодействующая сила будет приложена к их точке пересечения. В противном случае она будет рассчитываться по формуле: F 1 l 1 = F 2 l 2.

Условия равновесия рычага

При изучении основных условий равновесия рычага в физике вводится понятие «Момент силы». Оно характеризует меру механического воздействия, способного изменить траекторию поворота физического тела. Условия равновесия зависят от разновидности движения:

1. Поступательное: при перемещении объект не изменяет свою форму и размерные характеристики.
2. Вращение: движение тела по кругу. В этом случае траекторией всех точек движущегося объекта являются дуги окружностей с единым центром — точкой вращения.

Если во время движения тело сохраняет свою форму, то оно находится в равновесии. В этом случае вектор суммы равен 0. При вращении тело находится в покое, если соблюдается общее условие равновесия. Геометрическая и алгебраическая сумма всех моментов сил, приложенных к объекту, должны равняться 0.

Фундаментальные взаимодействия

Равнодействующая сила зависит от 4 видов фундаментальных взаимодействий:

1. Гравитационное: характерно для всех материальных объектов, имеющих вес. Оно основано на законе Всемирного тяготения, созданного Исааком Ньютоном. С помощью гравитационного взаимодействия описывается движение планет Солнечной системы. В этом случае между 2 телами действует сила притяжения. Гравитационное взаимодействие обуславливается гравитонами — элементарными частицами, из которых состоит большинство макрообъектов.
2. Электромагнитное: характерно для электрически заряженных объектов. При движении тел возникают электрическое и магнитное поля. В результате тела, находящие на близком расстоянии, начинают притягиваться или отталкиваться. Характер электромагнитного взаимодействия определяется знаком заряда. При изменении агрегатного состояния тела начинают двигаться в противоположных направлениях. Электромагнитное взаимодействие основано на законах электродинамики и электростатики, описывающих связь между магнитными и электрическими полями.
3. Сильное: возникает между адронами и кварками — фундаментальными бесструктурными частицами. Оно обеспечивает баланс между отрицательными и положительными частицами в ядерных реакциях. Сильное взаимодействие отличается небольшим радиусом действия, равным атому ядра.
4. Слабое: характеризует основные разновидности бета-взаимодействий. Радиус его действия составляет 10⁻¹⁸ м. В процессе слабого взаимодействия принимают участие лептоны и кварки, обладающих проникающей способностью. Они могут обмениваться тепловой энергией и квантами.

Интенсивность фундаментальных взаимодействий рассчитывается в единицах энергии, называемых электрон-вольтами.

Второй закон Ньютона

Второй закон Ньютона является одним из основных правил динамики. Он действует только в инерциальных системах отсчета. На основе этого закона ученый смог выявить следующие закономерности:

1. Ускорения тел, на которые воздействуют объекты с одинаковым весом, обратно пропорциональны их массам.
2. Если к физическому объекту приложены 2 силы с разными модулями и направлениями, то его ускорение будет прямо пропорционального его массе.

При помощи этих утверждений Ньютон сформулировал следующее определение: сила, воздействующая на тело, равна произведению его массы на ускорение.

На основе второго закона Ньютона была выявления формула равнодействующей силы: F = ma. В этом выражении m является массой, характеризующей инертные свойства физического тела, a — ускорение, определяющее интенсивность изменения скорости движения объекта. Результирующая сила равна 0, если она компенсируется иной мерой физического воздействия, противоположной по направлению и одинаковой по модулю. Если эта физическая величина не равна 0, то тело движется с ускорением. Это значит, что оно не находится в равновесии.

Нахождение силы

Чтобы найти результирующую силу, необходимо выполнить следующий алгоритм действий:

1. Обозначить все величины, оказывающие воздействие на физический объект. Для обозначения чаще всего используется латинская буква F. В физике основные переменные не могут обозначаться при помощи символов русского алфавита. Важно показать, что силы являются векторными величинами. Для этого нужно над буквой нарисовать стрелку.
2. Построить координатные оси и обозначить на них координаты тела.
3. Отметить проекции векторов на оси. На основе графика нужно записать уравнение движения.

Если на графике присутствуют участки, где тело движется равномерно или находится в равновесии, то сумма проекций равняется 0. Если есть участки, где объект снижает или повышает свою скорость, то результирующая сила должна определяться при помощи массы на ускорение. При знании этой величины человек сможет определить работу тела по формуле: W F = 0 n W (Fk).

Пример решения задачи

Даны силы тяжести, трения и реакции опоры. Также известна мера механического воздействия на тело. Объект движется по горизонтальной поверхности. Необходимо найти вектор направления результирующей силы.

Для решения этой задачи необходимо построить оси координат и обозначить на них все величины, воздействующие на тело. При черчении графика важно знать, в каком направлении движется объект. На следующем рисунке изображена координатная плоскость с обозначенными векторами.

После построения графика необходимо найти проекции на следующие оси:

1. Ox: F x = F, F x тр = -Fxтр, N x = 0, F т = 0.
2. Oy: F y = 0, F y тр = 0, N y = N, F т = - F т.

После этого необходимо записать уравнение:

1. Ox: F — F тр = 0.
2. Oy: N — F т = 0.

Тело движется с ускорением. Его прижимают силы тяжести, трения и упругости. Вектор ускорения направлен вниз. Это обусловлено мерой механического воздействия, оказывающего давление на объект. Из этого следует, что вектор равнодействующей силы также направлен вниз.