§ 8. Механічна взаємодія тіл. Сила. Маса

Фундаментальні взаємодії. Усі природні явища пояснюються на основі чотирьох фундаментальних взаємодій (табл. 1). Гравітаційна взаємодія полягає у взаємному притяганні тіл. Електромагнітна взаємодія зв’язує електрони і ядра в атомах і молекулах.

Сильна взаємодія забезпечує зв’язок нуклонів у ядрі й визначає ядерні сили. Нарешті, слабка взаємодія описує деякі види ядерних процесів, зокрема, характеризує всі види бета-перетворень.

Таблиця 1

Взаємодії та сили в механіці. Під взаємодіями в механіці розуміють такі дії тіл одне на одне, результатом яких є зміна руху цих тіл або їх деформації. Принципово важливо, що під час взаємодії змін зазнають обидва тіла, але часто, коли вивчають рух лише одного тіла, не зазначають, яке тіло і як саме діє на нього, а говорять, що на тіло діє сила або до тіла прикладена сила. Причому інтенсивність взаємодії між тілами може бути різною, тому й сила, яка відповідає цій взаємодії, може мати різні значення.

Сила в механіці — це фізична величина, яка кількісно характеризує механічну взаємодію.

Позначають силу

Одиницею сили є ньютон¹: 1 Н.

¹ Про зв’язок 1 Н з основними одиницями СІ — у наступному параграфі.

Сила — векторна величина, і в кожний момент часу сила, що діє на тіло, характеризується модулем, напрямком у просторі й точкою прикладання.

Пряма, уздовж якої напрямлена сила, називається лінією дії сили (мал. 41).

Мал. 41. Характеристики сили як векторної величини

Сила як кількісна характеристика застосовна для опису лише гравітаційних й електромагнітних взаємодій, дія яких виявляється на великих порівняно з розмірами тіл відстанях, тобто які є далекобійними. У тих дуже малих зонах простору і в тих процесах, у яких проявляються сильні й слабкі взаємодії, такі поняття, як точка прикладання, лінія дії, а разом з ними й поняття сили втрачають зміст.

У механіці розглядають гравітаційні сили, а також два різновиди електромагнітних сил — сили пружності та сили тертя.

Діючи на тіло, розглянуті сили змінюють швидкість його руху (тобто надають тілу прискорення) і (або) деформують його. Якщо на тіло діє тільки одна сила, вона обов’язково спричинює і прискорення, і деформацію цього тіла. Якщо ж на тіло одночасно діє кілька сил, то можлива їх взаємна компенсація, і тіло може не набувати прискорення.

Одночасна дія на тіло кількох сил може бути замінена дією однієї сили (рівнодійної). Це можливо тому, що для сил справджується принцип суперпозиції (незалежності дії сил): якщо на тіло діють одночасно кілька сил, дію кожної з них можна розглядати незалежно від дії інших.

Сила, якою можна замінити дію кількох сил, прикладених до тіла в одній точці, називається рівнодійною.

Рівнодійна дорівнює векторній сумі всіх сил, що діють на тіло.

Дуже важливо навчитися правильно зображати на малюнку напрямки діючих на тіло сил, а також розкладати їх на складові (проекції на координатні осі), або знаходити рівнодійну сил. Сили пружності, тертя, тяжіння мають відповідні точки прикладання, на що ми звертатимемо увагу під час детального їх вивчення.

Оскільки сила здатна і надати тілу прискорення, і деформувати його, то обидві ці дії можна використовувати для вимірювання сили. Деформацію, наприклад пружини, застосовують у динамометрах — приладах для вимірювання сил.

Інертність тіл. Маса. Миттєво змінити швидкість тіла неможливо — дія на нього іншого тіла має тривати певний час.

Властивість тіл зберігати швидкість свого руху за відсутності зовнішніх дій на нього з боку інших тіл називають інертністю.

Що інертнішим є тіло, то менше змінює його швидкість деяка сила за певний час. Це означає, що в результаті дії даної сили більш інертне тіло набуває меншого прискорення, ніж менш інертне.

Кількісну міру інертності тіла називають його масою. Що більшу інертність має тіло, то більшою є його маса. І, як нам відомо, маса характеризує гравітаційну взаємодію. Що більшою є маса тіла, то сильніше воно притягує до себе інші тіла.

Отже, маса — це скалярна фізична величина, що є кількісною характеристикою інертності та гравітації.

У сучасній фізиці доведено рівність значень гравітаційної та інертної мас тіла (m_т = m_i), тому ми не будемо їх розділяти й говоритимемо просто про масу тіла m.

Маса тіла — величина інваріантна, тобто вона не залежить від вибору системи відліку.

Маса тіла — величина адитивна, тобто маса тіла дорівнює сумі мас усіх частинок, із яких складається тіло, а маса системи тіл дорівнює сумі мас тіл, що утворюють систему.

У задачах механіки більшість взаємодіючих тіл вважаються матеріальними точками. Нагадуємо, матеріальна точка — це тіло, розмірами й формою якого в певній задачі можна знехтувати. Тоді всю масу тіла можна вважати зосередженою в точці, яку називають центром мас (згодом ми встановимо точне визначення цього поняття). Виконуючи малюнок до задачі, вектори сил, що діють на тіло, паралельним перенесенням розташовуватимемо так, щоб початки векторів були прикладені до цієї точки.

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

1. Які види фундаментальних взаємодій розрізняють у фізиці? Які з них проявляються в механіці?
2. Що таке сила? Які її основні характеристики? Які види сил розглядаються в механіці?
3. Що таке маса? Яку властивість тіл вона характеризує?
4. Поясніть способи вимірювання маси тіла.

ВПРАВА 8

1. Яке значення мають модулі сил, напрямлених перпендикулярно одна до одної, якщо їх можна замінити рівнодійною 250 Н, яка утворює кут 30° з однією із цих сил?

2. Визначте рівнодійну двох сил