Сложение сил. Измерение силы

Как правило, движение точечного тела с ускорением в ИСО происходит при действии нескольких тел. Например, пусть тележка движется с ускорением по реальной горизонтальной дороге. На нее оказывает действие человек, который толкает тележку, и дорога, которая тормозит движение тележки. Изучая движение тела при действии на него нескольких тел, Ньютон пришел к двум выводам:

1. Действия, которые оказывают на точечное тело другие тела, не зависят друг от друга.
2. Силы, характеризующие эти действия, можно складывать.

Сформулируем правила сложения сил, действующих на точечное тело вдоль одной прямой.

1. Если на точечное тело действуют две силы F₁ и F₂, направленные в одну сторону (рис. 73), то их действие равно действию одной силы F. При этом:
– сила F направлена в ту же сторону, что и силы F₁ и F₂;
– модуль силы F равен сумме модулей сил F₁ и F₂.

2. Если на точечное тело действуют две силы F₁ и F₂, направленные в противоположные стороны (рис. 74, а, б), то их действие равно действию силы F, которая:
– направлена в сторону большей по модулю силы;
– имеет модуль, равный разности модулей большей и меньшей сил.

Если на точечное тело действуют три силы (или больше), то вначале нужно сложить две из них. Потом к полученной в результате силе прибавить третью силу и т. д.

Из правила 2 можно сделать очень важный вывод: если на точечное тело действуют только две равные по модулю, но противоположно направленные силы, то общее действие этих сил равно нулю (рис. 75). В этом случае говорят, что силы F₁ и F₂ компенсируют (уравновешивают) друг друга. Понятно, что тогда ускорение этого тела в инерциальной системе отсчета будет равно нулю и его скорость будет постоянной. Это значит, что тело будет покоиться в данной ИСО или двигаться равномерно прямолинейно.

Верно и обратное утверждение:
если тело в инерциальной системе отсчета движется равномерно прямолинейно или покоится, то либо на тело не действуют никакие другие тела, либо сумма действующих на тело сил равна нулю.

Отметим, что в этом случае экспериментально невозможно определить, какое из этих двух условий выполняется: равна ли нулю сумма всех действующих на точечное тело сил, или на него вообще ничто не действует.

Точно так же экспериментально невозможно различить, действуют ли на точечное тело одна сила F, или на это тело действуют несколько сил, сумма которых равна F.

Используем правила сложения сил для выработки рецепта измерения силы.

Прежде всего введем эталон силы. Для этого выберем конкретную пружину. Растянем ее на определенную величину и прикрепим к телу. Будем считать, что в этом случае на тело со стороны пружины действует сила, модуль которой равен единице (рис. 76). В результате тело приобретет ускорение в ИСО.

Чтобы этого не произошло, присоединим к этому телу вторую пружину с противоположной стороны, как показано на рис. 77. При этом вторую пружину растянем таким образом, чтобы ее действие уравновесило (скомпенсировало) действие первой (эталонной) пружины. Тогда тело, на которое одновременно действуют обе пружины, будет оставаться в покое. Следовательно, модуль силы, с которой действует на тело вторая пружина, будет в точности равен модулю силы единичной величины. Зафиксируем растяжение второй пружины. растянутая до такой длины, она тоже станет эталоном силы. Таким образом, можно получить сколько угодно эталонов силы.

Создадим силу, модуль которой равен, например, половине единицы силы. Для этого уравновесим действие на тело эталонной пружины двумя одинаковыми пружинами, растянутыми на одну и ту же длину (рис. 78). При этом модуль силы, с которой действует на тело любая из двух одинаковых пружин, будет равен модулю половины единицы силы.

Аналогичным образом можно создать силу, модуль которой в заданное число раз (например, в 3, 10 и т. д.) меньше модуля единицы силы.

Так мы можем создать набор пружин, которые при известных растяжениях действуют с разными силами. Теперь для нас не составит труда измерить модуль любой неизвестной силы. Для этого будет достаточно уравновесить ее действие действием соответствующего набора пружин. Пример такого измерения показан на рис. 79. Измеренная таким способом сила, во-первых, равна по модулю сумме модулей сил, создаваемых набором пружин, и, во-вторых, направлена в сторону, противоположную направлению их действия.

Итоги

Правила сложения сил, действующих на тело вдоль одной прямой.

1. Если на точечное тело действуют две силы F₁ и F₂, направленные в одну сторону, то их действие равно действию одной силы F. При этом:
– сила F направлена в ту же сторону, что и силы F₁ и F₂;
– модуль силы F равен сумме модулей сил F₁ и F₂.

2. Если на точечное тело действуют две силы F₁ и F₂, направленные в противоположные стороны, то их действие равно действию силы F, которая:
– направлена в сторону большей по модулю силы;
– имеет модуль, равный разности модулей большей и меньшей сил.

Если сумма всех сил, действующих на точечное тело, равна нулю, то говорят, что эти силы уравновешивают (компенсируют) друг друга. В этом случае тело в ИСО движется равномерно прямолинейно или покоится, т. е. не изменяет своего механического состояния.

Для измерения неизвестной силы ее действие надо уравновесить (скомпенсировать) действием набора эталонных пружин.

Вопросы

1. Сформулируйте правила сложения сил, действующих вдоль одной прямой.
2. В каком случае говорят, что силы уравновешивают друг друга?

Упражнения

1. Определите, чему равна и куда направлена сумма двух действующих на точечное тело сил, если первая сила направлена в положительном направлении оси X, а вторая – в противоположном направлении. Модули сил, измеренные в эталонных единицах, равны: |F₁| = 3, |F₂| = 5.

2. Определите, чему равна и куда направлена сумма трех действующих на точечное тело сил, если первая сила направлена в положительном направлении оси X, а вторая и третья – в противоположном направлении. Модули сил, измеренные в эталонных единицах, равны: |F₁| = 30, |F₂| =5, |F₃| = 15.

3. Найдите, чему равна и куда направлена сила F, действующая на точечное тело, если сумма трех действующих на это тело сил F, F₁ и F₂ равна нулю. При этом F₁ направлена в положительном направлении оси Х, а F₂ – в противоположном направлении. Модули сил, измеренные в эталонных единицах, равны: |F₁| = 30, |F₂| = 5.

4. Лежащий на дороге камень (рис. 80) неподвижен в системе отсчета, связанной с Землей. Ответьте на вопросы:
а) чему равна сумма сил, действующих на камень?
б) изменяется ли со временем скорость (равно ли нулю ускорение) камня в системе отсчета, связанной:
– с прямолинейно равномерно едущим по дороге автобусом;
– с ускоряющимся относительно дороги автомобилем;
– с шишкой, которая свободно падает с дерева с ускорением g?
в) какие из этих систем отсчета являются инерциальными, а какие – неинерциальными?