Итак, что такое Сила?
Физика характеризует Силу следующим образом:
«Сила – это мощность, энергия, заряд, способность противостоять прилагаемым нагрузкам и напряжениям».
«э нергия» – это количественная мера, отражающая силу, т.е. скорость движения, с помощью которой определяется взаимодействие всех видов материи.
В соответствии с различными формами материи - рассматриваются разные формы энергии (движения): - механическая, внутренняя, электромагнитная, химическая, ядерная и др.
Следующая формула и является выражением количества энергии или силы:
Е = m с 2 ;
Где Е – энергия, m – масса, с - скорость.
Исходя из формулы, сила и энергия зависят не столько от массы, сколько от скорости движения этой массы, а вернее от первичного действия (импульса силы).
Двигаться могут не только материальные тела, такие как летящая пуля или брошенный камень, о движении можно также сказать относительно солнечного зайчика, перемещающегося по стене при повороте зеркальца, или о движении тени, отбрасываемой освещенным предметом. Поэтому движение может быть связано как с перемещением материальных тел, так и с передачей из одного места в другое какого-либо сигнала, например звукового, светового или радиосигнала.
Для изучения движения, прежде всего, необходимо научиться описывать движения материальных тел по отношению к любым другим физическим телам.
Всякое движение, а также покой тела (как частный случай движения) относительны. Отвечая на вопрос, покоится тело или движется и как именно движется, необходимо указывать, относительно каких тел рассматривается движение данного тела, иначе никакое высказывание о движении не может иметь смысла.
Во всех случаях, физические тела, относительно которых рассматривается движение, называют системой отсчета, а само движение тел носит название «перемещение».
При изучении движений на поверхности Земли за систему отсчета, как правило, принимают саму Землю. Изучая движение Земли или других планет в Космосе, за систему отсчета принимают Солнце и звезды.
Такая система отсчетов принята при изучении законов динамики.
Если же мы не будем выяснять причину возникновения движений, то в этом случае мы будем рассматривать кинематику этих движений.
Для того, чтобы знать перемещение тела, достаточно знать начальное его положение, а также численную величину и знак пройденного пути. Точно так же, зная начальное положение тела, численное значение его скорости и направление движения этого тела, мы можем ответить на вопрос, где будет находиться это тело через одну секунду, через две секунды и т. д. Но если тело будет двигаться как угодно, то этих данных нам уже недостаточно.
Рис. 1. Разметка криволинейной траектории.
Перемещение АВ точки между ее положениями А и В
не лежит на траектории.
сли траектория движения тела - кривая линия, то перемещением тела мы по-прежнему будем называть отрезок, соединяющий его начальное и конечное положения. Если произвести разметку криволинейной траектории и «привязку» отдельных положений движущейся точки к соответственным моментам времени (см. рис. 1), то окажется, криволинейное движение состоит из большого количества прямолинейных, а общая скорость криволинейного движения будет определяться средней скоростью, которая является производной от участков с прямолинейным движением, скорость движения на которых неравномерна и зависит от кривизны (угла) движения.
Однако это лишь грубое, приближенное понятие о характере движения. Дело состоит в том, что, определяя среднюю скорость, мы как бы заменяем движение в течение каждого промежутка времени равномерным движением и считаем, что скорость меняется скачком от одного промежутка времени к другому. Однако, на самом деле, эти участки могут иметь различную длину и направление и соответственно скорость на них будет сильно различаться.
Как правило, среднюю скорость равномерного движения называют мгновенной скоростью или просто скоростью. Если движение равномерно, то его мгновенная скорость в любой момент времени равна скорости этого равномерного движения, другими словами: - мгновенная скорость равномерного движения постоянна. Мгновенная же скорость неравномерного движения - является переменной величиной, принимающей различные значения в разные моменты времени. Отсюда становится ясно, что мгновенная скорость криволинейного движения является изменяющейся во все время движения.
Если мгновенная скорость движущегося тела растет, то движение называют ускоренным; если мгновенная скорость уменьшается, то движение называют замедленным.
Среди разнообразных ускоренных движений часто встречаются движения, в которых мгновенная скорость за любые равные промежутки времени увеличивается на одну и ту же величину. Такие движения называют равномерно-ускоренными. Равномерно-ускоренные движения нарушаются трением и сопротивлением воздуха
Равномерно-ускоренное движение количественно характеризуется изменением скорости с течением времени, которое носит название - ускорение.
Если движение не является равномерно-ускоренным, то вводится понятие среднего ускорения, которое характеризует изменение скорости за определенный промежуток времени на пройденном за этот промежуток времени участке пути. На отдельных же отрезках этого участка среднее ускорение может иметь разные значения.
Как правило, траектории движения разных точек тела бывают различными.
Наиболее простое движение тела представляет собой такое движение, при котором все точки тела движутся одинаково, описывая одинаковые траектории. Такое движение называется поступательным.
При поступательном движении любая прямая, проведенная в теле, остается параллельной самой себе.
Другой простой тип движения - это вращательное движение тела, или вращение. При вращательном движении все точки тела движутся по окружностям, центры которых лежат на прямой, которую называют осью вращения.
Как возвратно-поступательное, так и вращательные движения имеют свои определенные границы (края), направление (ось, вектор) и ритм (амплитуду, частоту) движений.
Рис. 2. Незатухающие колебания
Именно эти 2 движения и лежат в основе всех видов движений, будь то механические, звуковые, электрические, световые и др. электромагнитные, химические и т.п.
Именно эти движения и представляют собой колебания маятника, которые могут быть незатухающими или затухающими.
Н 
рис. 3. Затухающие колебания
езатухающие колебания происходят в колебательной системе в отсутствие трения и носят название - собственные колебания системы (рис. 2).
Однако, в Природе существуют разного рода силы трения, сопротивление воздуха и т. п., которые тормозят процесс движения и являются причиной затухания колебаний (остановки движения) (рис. 3).
У 
Рис. 4. Апериодические движения
величивая тем или иным способом трение, можно дойти до столь больших затуханий, при которых система останавливается после первого же размаха, или даже до первого перехода через положение равновесия (рис. 4). Такие сильно затухающие движения колебательной системы называются апериодическими.
Рассматривая колебания груза на пружине, легко наблюдать рост затухания при увеличении трения. Если груз поместить в воду, то затухание колебаний резко возрастет по сравнению с затуханием на воздухе, в масле оно будет еще больше, чем в воде: движение получится апериодическим или близким к апериодическому.
Итак, подытожим:
Сила и есть Энергия.
Скорость движения материи – определяет количество Силы (Энергии).
В основе любого движения лежит начальный импульс, который называется мгновенной скоростью.
Количественное выражение мгновенной скорости называется ускорением.
Существует только 2 основополагающих видов движений - поступательное и вращательное, все остальные движения – их различные комбинации.
Эти движения могут быть незатухающими, затухающими и апериодическими.
Механические, звуковые, электромагнитные, химические и т.п. явления, которые принято отображать понятием Энергия – являются движением материи, находящейся в различных агрегатных состояниях.
Итак, в любом случае, при любом виде движений, за систему отсчетов следует принимать какое – либо материальное тело или вещество.
Человеческий организм не является особым исключением из правил, он также является материальным телом, имеющем сложноорганизованную комбинацию веществ от мельчайших клеток до крупнотканных структур. Поэтому рассматривать наш организм следует, исходя из тех законов Природы, по которым и существует наш Мир.
Механическое взаимодействие – один из видов взаимодействия материи, способный вызвать изменение механического движения материальных тел.
Сила характеризует количественную сторону механического взаимодействия. Таким образом, когда говорят, что на тело действуют силы, то это значит, что на него воздействуют другие тела (или физические поля). Не всегда, впрочем, сила действительно приводит к изменению движению тела; такое изменение может блокироваться действием других сил. С учетом сказанного запишем:
Сила (ньютонова) – мера механического воздействия на некото- рое материальное тело со стороны другого материального тела (или физического поля); она характеризует интенсивность и направление этого воздействия. Это, разумеется, не определение, а лишь пояснение к понятию силы. Поскольку понятие силы – фундаментальное, то его точный смысл раскрывается в аксиомах механики.
Пока же мы отметим вот что. Оговорка “ньютонова” сделана потому, что в динамике мы встретимся с другими величинами, также именуемыми силами, которые, однако, не являются мерами механического взаимодействия. В этом же семестре речь будет идти именно о ньютоновых силах, и мы для краткости будем называть их просто силами.
Далее, под словом “мера” в механике и в физике понимается физическая величина, которая служит для количественного описания какого-либо свойства или отношения. В данном случае речь идет об описании именно механического взаимодействия (а бывают еще, как Вы знаете, и другие взаимодействия – тепло- вые, химические и прочие).
В физике элементарных частиц выделяют четыре фундаментальных взаимодействия: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Эти четыре взаимодействия лежат в основе всех наблюдаемых явлений – относящихся как к механике, так и к другим разделам естествознания.
Однако в макромире фундаментальные взаимодействия проявляются, как правило, опосредованно, и нам приходится иметь дело со значительно более широким перечнем взаимодействий (уже не обязательно фундаментальных). Если говорить о механических взаимодействиях, то речь может идти о силах различного происхождения.
Примеры сил: силы тяжести, силы упругости, архимедовы силы, силы сопротивления среды и др. В большинстве задач механики, впрочем, физическая природа тех или иных сил обычно интереса не представляет.
Ещe мы, поясняя понятие силы, говорили об интенсивности и направлении воздействия. Это означает, что сила является векторной величиной. Именно, это – вектор, приложенный к определeнной точке материального тела. Поэтому можно говорить о таких характеристиках силы.
Сила характеризуется:
1) величиной (модулем);
3) точкой приложения.
К сожалению, на экзамене нередко приходится встречаться с полным пренебрежением к этому правилу. В лучшем случае экзаменатор в этой ситуации поступит так: вздохнет и попросит студента быстренько проставить обозначения векторов в тексте ответа на поставленный вопрос. Если студент не сумеет правильно проставить обозначения – это первый шаг на пути к получению “двойки”. Поэтому, пожалуйста, не игнорируйте в своих конспектах черту, если она написана на доске.
Круглые скобки с запятой в середине обозначают скалярное произведение векторов (запятая при этом разделяет сомножители). Обратите внимание: во многих книгах скалярное произведение обозначается иначе – точкой между век- торами, причем точку обычно можно опустить.
Но мы будем придерживаться именно таких обозначений (они тоже достаточно распространены). Помимо всего прочего, они позволяют избежать путаницы (ведь скалярное произведение векторов нужно отличать от обычного произведения двух скаляров).
Пока мы говорили только о векторе силы. Но понятие силы не сводится к понятию ее вектора. Важна еще и точка приложения силы: ведь если тот же по величине и направлению вектор силы приложить в другой точке тела, то его движение может измениться.
В геометрии принята следующая терминология. Свободный вектор (или просто вектор) – вектор, характеризуемый только модулем и направлением. Связанный вектор – вектор, характеризуемый еще и точкой приложения. Иногда используют такие обозначения.
Через u---.A обозначается связанный вектор, получаемый, если свободный вектор u--- приложить в точке A. Обратите внимание: здесь точка пишется не в середине строки (как при умножении чисел), а на ее нижней линии. Таким образом, можно сделать следующий вывод. Итак, сила – связанный вектор (полное обозначение: F----.A).
Там, где нам потребуется подчеркнуть наличие у силы определенной точки приложения, мы будем пользоваться именно этим полным обозначением. Там, где точка приложения силы будет заранее оговорена, мы будем применять сокращенное обозначение, обозначая силу просто F---- (т.е. так же, как и вектор силы). О точке приложения силы нужно сказать следующее: Если сила действует на материальную точку, то точкой приложения служит сама эта точка.
Если сила действует на материальное тело, то точкой приложения служит точка тела (она может меняться с течением времени). В общем случае точка приложения силы не может лежать вне тела. Если тело – абсолютно твердое, то данное ограничение можно снять; но об этом мы будем говорить позже.
Возникает вопрос: а как можно на практике задать точку приложения силы? Любую точку можно задать, например, ее радиус-вектором, проведенным из некоторого полюса. Полюс – произвольно выделенная точка (положение которой обычно предполагается известным).
Раз здесь говорится “обычно”, то текст в скобках Вы вполне можете игнорировать. Часто бывает так: взяли некоторую точку и объявили ее полюсом (и будет она с этого времени считаться таковым). Но для задания положения точки приложения силы нам как раз нужно знать положение полюса. Можно – но не обязательно – принять за полюс начало системы координат.
Употребляют оба обозначения, но первое предпочтительнее: вектор обозначается одной буквой, а буква “r” напоминает, что речь идет именно о радиус- векторе, или шестью скалярами (Fx , Fy , Fz , xA , yA , zA). Это – удобно, и так поступают часто. Но задать силу можно также иным способом, который мы рассмотрим в следующем пункте.
1. Сила - действие одного тела на другое, вследствие чего возникает ускорение. Т.е. сила является мерой взаимодействия сил, в результате которого тела деформируются или приобретают ускорение. Сила - величина векторная; она характеризуется числовым значением, направлением действия и точкой приложения к телу.
2. Можно ли, исходя из формулы F = ma, утверждать, что сила, приложенная к телу, зависит от массы тела и его ускорения?
2. Нет, нельзя.
3. Можно ли, исходя из выражения m = F/a, утверждать, что масса тела зависит от приложенной к нему силы и от его ускорения?
3. Нет, нельзя.
4. Можно ли, исходя из равенства а = F/m, утверждать, что ускорение тела зависит от приложенной к нему силы и от массы тела?
4. Да. Только для инерциальных систем отсчета.
5. Как формулируется первый закон Ньютона, если пользоваться понятием силы?
5. Существуют такие системы отсчета, относительно которых поступательно движущееся тело сохраняет свою скорость постоянной, если результирующая всех сил, приложенных к телу, равна нулю.
6. Что такое результирующая сила?
6. Сила, равная геометрической сумме всех приложенных к телу (точке) сил, называется равнодействующей или результирующей силой.
2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОНЯТИЯ "СИЛА"
2.1 История понятия "сила"
Си́ла - векторная физическая величина, являющаяся мерой интенсивности взаимодействия тел. Приложенная к массивному телу сила является причиной изменения его скорости или возникновения в нем деформаций.
Сила, как векторная величина, характеризуется модулем и направлением. Второй закон Ньютона гласит, что в инерциальных системах отсчета ускорение движения материальной точки совпадает по направлению с приложенной силой; по модулю прямо пропорционально модулю силы и обратно пропорционально массе материальной точки. Или, что эквивалентно, в инерциальных системах отсчета скорость изменения импульса материальной точки равна приложенной силе. Деформации являются следствием возникновения в теле внутренних напряжений.
Понятие силы использовали еще ученые античности в своих работах о статике и движении. Изучением сил в процессе конструирования простых механизмов занимался в III в. до н. э. Архимед. Представления Аристотеля о силе, связанные с фундаментальными несоответствиями, просуществовали в течение нескольких столетий. Эти несоответствия устранил в XVII в. Исаак Ньютон, используя для описания силы математические методы. Механика Ньютона оставалась общепринятой на протяжении почти трехсот лет. К началу XX в. Альберт Эйнштейн в теории относительности показал, что ньютоновская механика верна лишь в при сравнительно небольших скоростях движения и массах тел в системе, уточнив тем самым основные положения кинематики и динамики и описав некоторые новые свойства пространства-времени.
С точки зрения Стандартной модели физики элементарных частиц фундаментальные взаимодействия (гравитационное, слабое, электромагнитное, сильное) осуществляются посредством обмена так называемыми калибровочными бозонами. Эксперименты по физике высоких энергий, проведенные в 70−80-х гг. XX в. подтвердили предположение о том, что слабое и электромагнитное взаимодействия являются проявлениями более фундаментального электрослабого взаимодействия.
Размерность силы в системах величин LMT - dim F = L M T−2, единица силы в Международной системе единиц (СИ) - ньютон (N, Н).
2.2 Законы Ньютона
Исаак Ньютон задался целью описать движение объектов, используя понятия инерции и силы. Сделав это, он попутно установил, что всякое механическое движение подчиняется общим законам сохранения. В 1687 г. Ньютон опубликовал свой знаменитый труд "Математические начала натуральной философии", в котором изложил три основополагающих закона классической механики (знаменитые законы Ньютона).
2.2.1 Первый закон Ньютона
Первый закон Ньютона утверждает, что существуют системы отсчета, в которых тела сохраняют состояние покоя или равномерного прямолинейного движения при отсутствии действий на них со стороны других тел или при взаимной компенсации этих воздействий. Такие системы отсчета называются инерциальными. Ньютон предположил, что каждый массивный объект имеет определенный запас инерции, который характеризует "естественное состояние" движения этого объекта. Эта идея отрицает взгляд Аристотеля, который рассматривал покой "естественным состоянием" объекта. Первый закона Ньютона противоречит аристотелевской физике, одним из положений которой является утверждение о том, что тело может двигаться с постоянной скоростью лишь под действием силы. Тот факт, что в механике Ньютона покой физически неотличим от равномерного прямолинейного движения, является обоснованием принципа относительности Галилея. Среди совокупности тел принципиально невозможно определить какие из них находится "в движении", а какие "покоятся". Говорить о движении можно лишь относительно какой-либо системы отсчета. Законы механики выполняются одинаково во всех инерциальных системах отсчета, другими словами все они механически эквивалентны. Последнее следует из так называемых преобразований Галилея.
Например, законы механики абсолютно одинаково выполняются в кузове грузовика, когда тот едет по прямому участку дороги с постоянной скорость и когда стоит на месте. Человек может подбросить мячик вертикально вверх и поймать его через некоторое время на том же самом месте вне зависимости от того движется ли грузовик равномерно и прямолинейно или покоится. Для него мячик летит по прямой. Однако для стороннего наблюдателя, находящегося на земле, траектория движения мячика имеет вид параболы. Это связано с тем, что мячик относительно земли движется во время полета не только вертикально, но и горизонтально по инерции в сторону движения грузовика. Для человека, находящегося в кузове грузовика не имеет значения движется ли последний по дороге, или окружающий мир перемещается с постоянной скоростью в противоположном направлении, а грузовик стоит на месте. Таким образом, состояние покоя и равномерного прямолинейного движения физически неотличимы друг от друга.
2.2.2 Второй закон Ньютона
Хотя второй закон Ньютона традиционно записывают в виде: F=ma, сам Ньютон записывал его несколько иначе, используя дифференциальное исчисление.
Второй закон Ньютона в современной формулировке звучит так: в инерциальной системе отсчета скорость изменения импульса материальной точки равна векторной сумме всех сил, действующих на эту точку.
Считается, что это "вторая самая известная формула в физике", хотя сам Ньютон никогда явным образом не записывал свой второй закон в этом виде.
Поскольку в любой инерциальной системе отсчёта ускорение тела одинаково и не меняется при переходе от одной системы к другой, то и сила инвариантна по отношению к такому переходу.
Во всех явлениях природы сила, независимо от своего происхождения, проявляется только в механическом смысле, т.е. как причина нарушения равномерного и прямолинейного движения тела в инерциальной системе координат. Обратное утверждение, т.е установление факта такого движения, не свидетельствует об отсутствии действующих на тело сил, а лишь о том, что действия этих эти сил взаимно уравновешиваются. Иначе: их векторная сумма есть вектор с модулем, равным нулю. На этом основано измерение величины силы, когда она компенсируется силой, величина которой известна.
Второй закон Ньютона позволяет измерять величину силы. Например, знание массы планеты и ее центростремительного ускорения при движении по орбите позволяет вычислить величину силы гравитационного притяжения, действующую на эту планету со стороны Солнца.
симметрия. В последние десятилетия появилось большое количество новых приборов для измерения внутриглазного давления. Цель этой работы заключалась в оценке достоверности и объективности показаний нового отечественного прибора – цифрового портативного тонометра внутриглазного давления через веко ТГДц–01 «ПРА» (рис. 1). Рис. 1. Цифровой портативный тонометр внутриглазного давления через веко...
Электромеханического класса. Измерение силы тока Амперметр – прибор для измерения силы тока в амперах (рис.1). Шкалу амперметров градуируют в микроамперах, миллиамперах, амперах или килоамперах в соответствии с пределами измерения прибора. В электрическую цепь амперметр включается последовательно с тем участком электрической цепи (рис.2) , силу тока в котором измеряют; для увеличения...
Страница 1 из 8
Понятие «сила» прежде всего физическое. В механике оно выражает меру взаимодействия тел, причину их движения. Поэтому в физическом смысле – как векторная величина – сила понимается в том случае, когда рассматривается количественная сторона взаимодействия человека, скажем, с опорой, снарядом или другим внешним объектом. Иными словами, в данном случае через силу оценивается результат движения, его рабочий эффект.
Если же речь идет об источнике движения, то, говоря о силе, имеют в виду способность человека производить работу, и эта способность выступает как причина перемещения тела или его отдельных звеньев. В данном случае имеется в виду сила тяги мышц человека, то есть явление физиологическое.
И, наконец, понятие «сила» используется как одна из качественных характеристик произвольных движений человека, решающих конкретную двигательную задачу. Здесь сила вместе с такими критериями, как быстрота, выносливость, ловкость и т. п., выступает в качестве педагогического понятия, оценивающего качественную сторону выполняемого движения (Ю. В. Верхошанский, 1977).
Сила человека определяется как его способность преодолевать внешнее сопротивление посредством мышечных усилий (Теория и методика физического воспитания, 1976). То есть под понятием «сила» подразумевают любую способность человека напряжением мышц преодолевать механические и биомеханические силы, препятствующие действию, противодействовать им, обеспечивая тем самым эффект действия (вопреки препятствующим силам тяжести, инерции, сопротивления внешней среды и т.п.).
В зависимости от условий, характера и величины проявления мышечной силы в спортивной практике принято различать несколько разновидностей силовых качеств.
В том случае, когда усилия спортсмена движением не сопровождаются говорят о статическом (изометрическом) режиме работы мышц («статическая сила»). В статическом режиме напряженные мышцы не изменяют своей длины. Статическая сила характеризуется двумя ее особенностями проявления (В. В. Кузнецов, 1975; цит. по: Ж. К. Холодов, В. С. Кузнецов, 2003):
1) при напряжении мышц за счет активных волевых усилий человека (активная статическая сила);
2) при попытке внешних сил или под воздействием собственного веса человека насильственно растянуть напряженную мышцу (пассивная статическая сила).
Но чаще всего сила проявляется в движении, в так называемом динамическом режиме («динамическая сила»).
Динамическая работа мышц происходит либо в преодолевающем режиме , либо в уступающем . В первом случае работающие мышцы сокращаются и укорачиваются (например, при выжимании штанги), во втором - находясь в напряженном состоянии, они растягиваются и удлиняются (например, при амортизационном сгибании ног в момент приземления после прыжка). Кроме того, динамическая работа может происходить с разной скоростью, с различными ускорениями и замедлениями, а также с равномерным проявлением силы. Последнее при разной скорости движения называют изотоническим режимом , а при постоянной скорости движения - изокинетическими (Н. Г. Озолин, 2003).
По характеру усилий в динамической силе выделяют три разновидности (по В. Кузнецову; цит. по: С. М. Вайцеховский, 1971):
- взрывную силу – проявление силы с максимальным ускорением, что характерно, например, для так называемых скоростно-силовых упражнений: прыжков, метаний, спринтерского бега, отдельных элементов борьбы, бокса, спортивных игр и пр.;
- быструю силу – проявление силы с немаксимальным ускорением, например, при выполнении быстрых (но не предельно быстрых) движений в беге, плавании, велосипедном спорте и др.;
- медленную силу , проявляемую при сравнительно медленных движениях, практически без ускорения. Типичными примерами являются жим штанги, выход в упор силой на кольцах или перекладине.
Оценивая величину усилия в том или ином упражнении или простом движении, применяют термины «абсолютная» и «относительная» сила .
