§ 28. Сила

Результат взаємодії тіл може бути різним. Коли іграшковий автомобіль натрапляє на стінку, він зупиняється. Пісок, розсипаний на його шляху, або килимок лише зменшують швидкість іграшки. Це означає, що дія стінки на іграшковий автомобіль більша, ніж дія килимка.

Тіла можуть діяти одне на одне не лише за безпосереднього контактування. Сталева кулька, що котиться повз магніт, на відстані зазнає його дії і змінює напрямок руху (мал. 3.20). Випущена з рук книжка, камінець або м’яч падають на Землю. З власного досвіду ми знаємо, що Земля притягує до себе всі тіла.

Якщо до пружини причепити тягарець (мал. 3.21) і відпустити, він спочатку почне падати. На нього діє Земля, притягуючи до себе. Тягарець, у свою чергу, починає діяти на пружину. Проте й пружина, розтягуючись, також починає діяти на тягарець. Врешті-решт дії пружини і Землі на тягарець компенсуються і він зупиниться. Це означає, що дія з боку тягарця на пружину стала рівною дії пружини на тягарець. Якщо причепити два тягарці, все повториться так само, але

пружина розтягнеться вдвічі більше. Очевидно, що дія Землі на два тягарці вдвічі більша. Вдвічі більшою стала й дія двох тягарців на пружину.

Фізична величина, яка кількісно характеризує дію

одного тіла на інше, називається силою.

Використовуючи поняття сили, про результат досліду з тягарцями можна сказати так: на два тягарці з боку Землі подіяла вдвічі більша сила.

Розглянувши у § 26 дію пружини на візок, ми з’ясували: чим більша маса візка, тим повільніше змінюється його швидкість. Повторимо досліди, збільшуючи розтяг пружини. Тим самим ми збільшуватимемо силу, з якою пружина діє на візок. Виявляється, що чим більша сила, тим більших швидкостей набуває візок за один і той самий час: сила тим більша, чим більшою є зміна швидкості тіла унаслідок їх дії.

Поставте на візок гирю масою, наприклад, 5 кг. Вдарте по ній молотком уздовж можливого напрямку руху візка. Він ледь зрушить з місця. Якщо ж просто штовхати візок пальцем протягом кількох секунд, ви надасте йому значно більшої швидкості. З подібними явищами ми часто зустрічаємось у повсякденному житті. Цю закономірність використовують спортсмени. Щоб кинути спортивне ядро, маса якого більша за 7 кг, на значну відстань, атлет намагається якомога довше діяти на нього. Чемпіон Олімпійських ігор у Пекіні укра-

їнський атлет Ю. Білоног штовхнув ядро за відмітку 21 м (мал. 3.22). Поштовх ядра рукою і поштовх візка пальцем тривають значно довше, ніж удар молотком чи ногою. Тому тіло, навіть великої маси, встигає набути значної швидкості.

Результат прикладання сили значною мірою визначається часом її дії.

Чим триваліша дія, тим менша сила потрібна для зміни швидкості тіла, і, навпаки, чим менше часу потрібно для зміни швидкості тіла, тим більшою повинна бути прикладена сила.

Двигуни вантажного й легкового автомобілів (мал. 3.23) можуть розвинути однакову силу тяги. Проте легковий автомобіль масою близько 1,4 т розганяється з місця до швидкості 100 км/год за 5 с, а вантажівці, маса якої у 20 разів більша, для досягнення такої самої швидкості потрібно кілька десятків секунд.

Значення сили тим більше, чим більшою є зміна швидкості тіла унаслідок її дії, чим більша його маса і менша тривалість її дії.

Силу, як правило, позначають латинською літерою F. У тих випадках, коли на тіло діють кілька сил, для їх позначення можуть використовуватися й інші літери або позначення у вигляді індексів.

Одиниця сили. Те, що числове значення сили, час її дії та маса тіла визначають зміну швидкості тіла, можна покласти в основу вимірювання сили як фізичної величини. Одиницею сили в СІ є ньютон (1 Н).

1 Н дорівнює силі, внаслідок дії якої тіло масою 1 кг за 1с змінює свою швидкість на

Наприклад, якщо тіло масою 1 кг змінило швидкість за 1 с від

то це означає, що на нього діяла сила 1 Н.

Для вимірювання сил використовують прилади, які називають динамометри (від грец. Suvapig— сила, цєтрєю — вимірюю). Вони можуть бути різні за конструкцією, принципом дії, призначенням. На мал. 3.24, а—в зображено динамометри, які використовують для вимірювання сил на уроках фізики.

Закон, який встановлює зв’язок між силою, з якою під час взаємодії одне тіло діє на інше, і зміною швидкості тіла під дією цієї сили відкрив І. Ньютон. Це другий основний закон механіки — другий закон Ньютона.

Другий закон Ньютона. Якщо узагальнити результати дослідів і спостережень, то можна дійти висновку: сила, внаслідок дії якої тіло змінює свою швидкість, є тим більшою, чим більші маса тіла і зміна його швидкості під дією сили та чим менший час має вона діяти для зміни швидкості тіла. Об’єднавши ці висновки, математично це можна записати так:

сила дорів

нює добутку маси тіла на зміну його швидкості, поділеному на час дії сили. Розкривши дужки, одержимо

Характеристики руху тіла значною мірою залежать від маси тіла та його швидкості. Тому величину, що дорівнює добутку маси тіла на швидкість, І. Ньютон назвав кількістю руху тіла. На сьогодні добуток mv у фізиці називають імпульсом тіла. Права частина у формулі показує, на скільки змінюється імпульс тіла за 1 с, або як швидко змінюється імпульс тіла під дією прикладеної до нього сили.

Наведена формула є скороченим записом другого закону Ньютона, який можна сформулювати так:

Сила, що діє на тіло, дорівнює швидкості зміни його імпульсу.

За масою тіла, часом дії сили, його початковою і кінцевою швидкостями можна легко визначити силу, яка діяла на тіло. Нехай на тіло масою m = 5 кг протягом часу t = 10 с діяла сила. За цей час швидкість тіла змінилася від швидкості v₀ = = 5 м/с (початкова швидкість) до v = 10 м/с (кінцева швидкість). Зміна швидкості становить: v — v₀ = 10 м/с —5 м/с = = 5 м/с. Тоді силу, що діяла на тіло, знаходять так:

Якщо ж відомо масу тіла, силу, що діє на нього, і час її дії, можна визначити, як зміниться швидкість тіла та знайти її числове значення у той чи інший момент часу.

Запитання та завдання

1.    У чому може виявлятися результат дії сили на тіло?

2.    В яких одиницях визначають силу в СІ?

3.    Як називаються прилади для вимірювання сил?

Це матеріал з підручника Фізика 7 клас Бойко, Венгер, Мельничук.