Что такое сила?

Один ньютон примерно равен силе тяжести, действующей на небольшое яблоко у тебя в руке.

Толкать и тянуть

В повседневной речи действие силы означает, что что-то толкают или тянут. Ты толкаешь дверь, выдвигаешь ящик, бьёшь по мячу, опираешься на стену. В физике сила способна изменить движение или форму тела: привести его в движение, остановить, ускорить, замедлить, повернуть, сжать или растянуть. Сила всегда возникает при взаимодействии двух тел. Рука толкает дверь, Земля притягивает яблоко, дорога действует на шины. Если ты не можешь назвать второе тело, скорее всего, ты ещё не нашёл настоящую силу.

Некоторые силы возникают только при контакте: трение между ящиком и полом, натяжение верёвки, сила реакции пола, удерживающая тебя (её называют нормальной, потому что она направлена перпендикулярно поверхности), сопротивление воздуха или воды. Другие действуют через пустое пространство: тяготение, электрическая сила между зарядами и магнитная сила между магнитами. Притяжение Солнца действует через 150 миллионов километров почти пустого пространства и удерживает Землю на орбите.

Измеряем силу в ньютонах

Силу измеряют в ньютонах (N), названных в честь Исаака Ньютона. Один ньютон сообщает телу массой 1 kg ускорение 1 m/s², поэтому 1 N = 1 kg·m/s². Звучит отвлечённо, но это небольшая сила, с которой мы сталкиваемся каждый день. На Земле на яблоко массой около 100 g действует сила тяжести примерно 1 N. Чтобы удержать пакет сахара массой 1 kg, нужна сила около 9.8 N. Пружинный динамометр, похожий на весы для багажа, измеряет силу напрямую: удлинение пружины пропорционально силе натяжения.

Складываем силы как стрелки

Сила является вектором, поэтому её направление важно. Два человека тянут тележку в одну сторону с силами 30 N и 20 N, и в сумме получается 50 N. Если они тянут в противоположные стороны, результат равен 30 − 20 = 10 N в сторону более сильной тяги. Сумма всех сил, действующих на тело, называется равнодействующей. Взаимно перпендикулярные силы складывают как стороны прямоугольного треугольника: 3 N на восток и 4 N на север дают по теореме Пифагора 5 N на северо-восток.

Когда силы компенсируют друг друга, равнодействующая равна нулю, а силы уравновешены. Хороший пример: книга лежит на столе, сила тяжести тянет её вниз, а стол с такой же силой толкает вверх. В перетягивании каната, когда никто не сдвигается с места, каждая команда может тянуть с силой в сотни ньютонов, но равнодействующая сил на канате равна нулю. Неуравновешенные силы изменяют движение. Об этом пойдёт речь в следующем уроке о законах Ньютона.

Схемы сил

Чтобы разобраться с силами, физики рисуют схему: изображают тело прямоугольником или точкой, затем проводят от него стрелку для каждой действующей силы в направлении её действия. Длина стрелки показывает величину силы. Для ящика, который толкают по полу, нужны четыре стрелки: сила тяжести W вниз, реакция опоры N вверх, сила твоего толчка F и сила трения f против движения.