Дать определение веса тела


Вес и невесомость

Существует различие между силой тяжести mg→ и весом тела. Понятие веса широко используется в повседневной жизни.

Определение 1

Вес тела – это сила, с которой притягивается тело Землей и действует на опору или подвес, причем неподвижно и относительно опоры или подвеса.

На рисунке 1.11.1 изображено неподвижное тело.

Определение 2

Система отсчета, связанная с Землей, называется инерциальной.

Тело подвергается воздействию силы тяжести F→=mg→, направленной вертикально вниз, и силы упругости F→у=N→, действующей на него.

Реакция опоры

Определение 3

Силу N→ называют силой нормального давления или силой реакции опоры.

Действующие на тело силы всегда уравновешивают друг друга по формуле Fт→=-F→y=-N→. По третьему закону Ньютона имеем, что тело, подвергающееся воздействию силы P→ на опору, равняется по модулю силе реакции опоры направленной в противоположную сторону, тогда P→=-N→.

Из определения видно, что P→ называют весом тела. По соотношениям P→=Fт→=mg→ он равняется силе тяжести. Причем силы приложены к разным телам.

Рисунок 1.11.1. Вес тела и сила тяжести.  mg→ – сила тяжести, N→ – сила реакции опоры, P→– сила давления тела на опору (вес тела). mg→=-N→=P→.

Когда тело находится в неподвижном подвешенном состоянии на пружине, тогда роль силы реакции опоры относят к упругой силе пружины. При ее растяжении определяется вес тела и сила его притяжения Землей. Для этого применяют рычажные весы, сравнивая вес данного тела с весом гирь на равноплечем рычаге. Когда они находятся в равновесии, можно достичь равенства массы тела суммарной массой гирь. Значение ускорения свободного падения от этого не зависит.

Пример 1

Если поднять в гору на 1 км пружинные весы, то их показания изменятся на 0,0003 от начального значения. Но состояние равновесия сохраняется. Рычажные весы считают прибором для определения массы тела при помощи сравнения с массой гирь, то есть эталонов.

Если тело располагается на опоре или подвешено на пружине, д

zaochnik.com

Сила тяжести и вес тела

В § 2-а мы начали знакомство с явлением гравитации вообще и земным тяготением в частности. Теперь настало время более подробного изучения силы тяжести на Земле и других планетах.

На рисунке изображён опыт с двумя гирями и динамометрами. Вы видите, что при массе гири 200 г (то есть 0,2 кг) на неё действует сила тяжести 2 Н, а при массе 500 г (то есть 0,5 кг) – сила тяжести 5 Н. Обратим внимание на закономерность:

= 10 Н/кг    и= 10 Н/кг

Проделав опыты с многими телами, мы обнаружим ту же самую закономерность: отношение силы тяжести, действующей на тело, к массе этого тела является постоянной величиной, не зависящей ни от силы тяжести, ни от массы тела. Эту величину называют коэффициентом силы тяжести:

Формулу для вычисления коэффициента «g» можно преобразовать, поместив слева силу тяжести:

Fтяж – сила тяжести, Н
m – масса тела, кг
g – коэффициент, Н/кг

В опыте с двумя гирями мы выяснили, что вблизи поверхности Земли коэффициент «g» имеет значение 10 Н/кг (более точные значения 9,78 Н/кг и 9,83 Н/кг – см. далее в таблице).

Опыты показывают, что по мере удаления от Земли сила тяжести ослабевает. Например, на высоте 300 км значение коэффициента «g» уменьшается приблизительно до 9 Н/кг.

Повторяя опыт с гирями и динамометрами в различных местах Земли, а также на поверхности Луны, Марса и так далее, можно выяснить, что коэффициент «g» зависит от места наблюдения:

Коэффициенты силы тяжести, Н/кг

Луна1,7Земля:» 10
Марс3,8а) полюс9,83
Юпитер24б) экватор9,78

В обыденной жизни под словом «вес» мы зачастую подразумеваем массу тела, не делая различия между этими терминами. Однако это неверно.

Весом тела называют силу, с которой тело давит на опору или тянет подвес. Например, на рисунке медведь действует на опору – прогнувшуюся доску. Согласно определению, сила давления медведя на доску – вес медведя. На рисунке правее медведь действует на подвес – канат. Эта сила тоже является весом, но уже медведя вместе с доской.

Часто вес тела равен действующей на него силе тяжести. В виде формулы это записывается так:

W – вес тела, Н
Fтяж – сила тяжести, Н

Однако эта формула верна не всегда. Например, если тело погружено в жидкость или газ. В этом случае возникает выталкивающая сила, обычно приводящая к уменьшению веса. Многочисленные опыты показывают, что вес тела равен действующей на него силе тяжести, когда тело и его опора (подвес) покоятся или движутся вместе равномерно и прямолинейно, и не действуют другие силы, кроме силы тяжести. Это – границы применимости формулы W = Fтяж

Забегая вперед, скажем, что когда тело или его опора (подвес) движутся непрямолинейно или неравномерно, вес тела никогда не равен силе тяжести. Он может быть как больше, так и меньше неё, а также направлен в другую сторону.

questions-physics.ru

Сила веса, формулы

Определение 1

Вес представляет силу влияния тела на опору (подвес, или иную разновидность крепления), препятствующую падению, и возникающую в поле действия сил тяжести. Единицей измерения веса в СИ принят ньютон.

Понятие веса тела

Понятие «вес» как таковое в физике не считается необходимым. Так, больше говорится о массе или о силе тела. Более содержательной величиной считается сила воздействия на опору, знание которой может помочь, например, при оценке способности конструкции удержать исследуемое тело в заданных условиях.

Вес возможно измерить с помощью пружинных весов, служащих также для косвенного измерения массы при их соответствующем градуировании. В то же время, рычажные весы в этом не нуждаются, поскольку в такой ситуации сравнению подлежат массы, на которые воздействует равное ускорение свободного падения либо сумма ускорений в неинерциальных системах отсчета.

При взвешивании за счет технических пружинных весов, вариации ускорения свободного падения обычно не учитываются, поскольку из влияние зачастую оказывается меньше того, что требуется на практике в отношении точности взвешивания. В некоторой степени, на результатах измерений может отражаться сила Архимеда, при условии взвешивания на рычажных весах тел различной плотности и их сравнительных показателей.

Вес и масса в физике представляют различные понятия. Так, вес считается векторной величиной, с которой тело будет непосредственно воздействовать на горизонтальную опору либо вертикальный подвес. Масса в то же время представляет скалярную величину, меру инертности тела (инертную массу) или заряд гравитационного поля (гравитационную массу). У таких величин будут отличаться и единицы измерения (в СИ масса обозначена в килограммах, а вес— в ньютонах).

Возможны также ситуации с нулевым весом и также ненулевой массой (когда речь идет об одном и том же теле, к примеру, при невесомости вес каждого тела будет равным нулевому значению, а вот масса у всех окажется разной).

Важные формулы для расчета веса тела

Вес тела ($P$), которое покоится в инерциальной системе отсчёта, равнозначен силе тяжести, воздействующей на него, и пропорционален массе $m$, а также ускорению свободного падения $g$ в данной точке.

$P = mg$

Замечание 1

Ускорение свободного падения будет зависимым от высоты над земной поверхностью, а также от географических координат точки измерения.

Результатом суточного вращения Земли является широтное уменьшение веса. Так, на экваторе вес окажется меньшим, в сравнении с полюсами.

Другим фактором, влияющим на значение $g$, можно считать гравитационные аномалии, которые обусловлены особенностями строения земной поверхности. При местонахождении тела вблизи другой планеты (не Земли), ускорение свободного падения зачастую определяется за счет массы и размеров этой планеты.

Состояние отсутствия веса (невесомости) наступит в условиях отдаленности тела от притягивающего объекта или его пребывании в свободном падении, то есть в ситуации, когда

${g – w} = 0$.

Тело массой $m$, чей вес анализируется, может оказаться субъектом приложения определенных дополнительных сил, косвенно обусловленных фактом присутствия гравитационного поля, в частности, силы Архимеда и силы трения.

Отличие силы веса тела от силы тяжести

Замечание 2

Сила тяжести и вес представляют собой два различных понятия, участвующих непосредственно в теории гравитационного поля физики. Эти два совершенно разных понятия зачастую истолковывают неверно, используя их в неверном контексте.

Такая ситуация усугубляется еще и тем, что в стандартном понимании понятия массы (имеется в виду свойство материи) и веса также будут восприниматься как тождественные. Именно по этой причине правильное понимание тяжести и веса считается очень важным для научной среды.

Зачастую эти две практически аналогичные концепции применяются в формате взаимозаменяемых. Сила, которая направляется на объект со стороны Земли или другой планеты в нашей Вселенной (в более широком понимании - любого астрономического тела) будет представлять силу тяжести:

$Fт = mg$

Сила, с которой тело оказывает непосредственное воздействие на опору или вертикальный подвес и будет считаться весом тела, обозначаемым как $W$ и представляющим собой векторно направленную величину.

Атомы (молекулы) тела будут отталкиваться от частиц основания. Следствием такого процесса становится:

  • осуществление частичной деформации не только опоры, но и также объекта;
  • возникновение сил упругости;
  • изменение в определенных ситуациях (в незначительной степени) формы тела и опоры, что будет происходить на макроуровне;
  • возникновение силы реакции опоры при параллельном на поверхности тела возникновении силы упругости, что становится ответной реакцией на опору (это и будет представлять вес).

spravochnick.ru

Масса тела - это... Что такое Масса тела?

основная механическая величина, определяющая величину ускорения, сообщаемого телу данной силой. М. тел прямо пропорциональны силам, сообщающим им равные ускорения и обратно пропорциональны ускорениям, сообщаемыми им равными силами. Поэтому связь между М. (т), силой f, и ускорением a, можно выразить формулой

m = f/a

т. е. М. численно равна отношению между движущей силой и произведенным ею ускорением. Величина этого отношения зависит исключительно от двигаемого тела, поэтому величина М. вполне характеризует тело с механической стороны. Воззрение на реальное значение М. менялось с течением развития науки; в настоящее время, в системе абсолютных механических единиц, М. принимается за количество вещества, за основную величину, по которой затем уже определяется сила. С математической точки зрения безразлично, принять ли М. за отвлеченный множитель, на который надо помножить силу ускорительную, чтобы получить силу движущую, или за количество вещества: оба допущения приводят к одинаковым результатам; с физической же точки зрения, несомненно, предпочтительнее последнее определение. Во-первых, М., как количество вещества в теле, имеет реальное значение, ибо от количества вещества в теле зависят не только механические, но и многие физические и химические свойства тел. Во-вторых, основные величины в механике и физике должны быть доступны непосредственному, возможно точному измерению; силу мы можем измерять только пружинными силомерами — приборами не только недостаточно точными, но и недостаточно надежными, вследствие изменяемости упругости пружин с течением времени. Рычажные же весы не определяют сами по себе абсолютной величины веса, как силы, а лишь отношение или равенство веса (см. Вес и взвешивание) двух тел. Напротив, рычажные весы дают возможность измерять или сравнивать М. тел, так как вследствие равенства ускорения падения всех тел на одной и той же точке земли, равным весам двух тел соответствуют равные М. Уравновешивая данное тело требуемым числом принятых единиц М., найдем абсолютную величину М. его. За единицу М. принят в настоящее время в научных трактатах грамм (см.). Грамм почти равен М. одного кубического сантиметра воды, при температуре наибольшей плотности ее (при 4°С М. 1 куб. см воды = 1,000013 г). По единице М. определяется и единица силы — динама, или, сокращенно, — дина (см. Единицы мер). Сила f, сообщающая т граммам а единиц ускорения, равна (1 дине)×m×а = та динам. Также определяется и вес тела р, в динах, по M. m, и ускорению свободного падения g; p = mg дин. Однако, мы не имеем достаточно данных для непосредственного сравнения количеств различных веществ, например дерева и меди, для поверки, действительно ли равные М. этих веществ содержат равные количества их. Пока мы имеем дело с телами из одного и того же вещества, мы можем измерять количества вещества в них по их объемам, при равных. температурах, по весу тел, по силам, сообщающим им равные ускорения, так как эти силы, при равномерном распределении по телу, должны быть пропорциональны числу равных частиц. Эта пропорциональность количества одного и того же вещества его весу имеет место и для тел различных температур, так как нагревание не меняет веса тела. Если же мы имеем дело с телами из различных веществ (одно из меди, другое из дерева и т. д.), то не можем утверждать ни пропорциональности количеств вещества объемам этих тел, ни пропорциональности их силам, сообщающим им равные ускорения, так как различные вещества могли бы обладать различной способностью к восприятию движения подобно тому, как они имеют различную способность к намагничиванию, к поглощению теплоты, к нейтрализации кислот и т. п. Поэтому правильнее было бы сказать, что равные М. различных веществ содержат эквивалентные количества их по отношению к механическому действию — но безразлично относительно прочих физических и химических свойств этих веществ. Лишь под одним условием можно сравнивать количества разнородных веществ по их весу — это под условием распространения на них понятия относительной плотности тел, состоящих из одного и того же вещества, но различных температур. Для этого необходимо предположить, что все разнородные вещества состоят из совершенно одинаковых частиц, или первоначальных элементов, а все различные физические и химические свойства этих веществ суть следствие различной группировки и сближения этих элементов. Утверждать или отрицать это мы не имеем в настоящее время достаточно данных, хотя многие явления говорят даже в пользу такой гипотезы. Химические явления в сущности не противоречат этой гипотезе: многие тела, состоящие из различных простых тел, представляют сходные физические и кристаллические свойства, и наоборот, тела с одинаковым составом из простых веществ представляют различные физические и отчасти даже химические свойства, таковы, напр., изомерные тела, имеющие один и тот же процентный состав из одних и тех же простых тел, и аллотропические тела, представляющие разновидности одного и того же простого тела (каковы, например, уголь, алмаз и графит, представляющие различные состояния углерода). Сила тяжести, наиболее общая из всех сил природы, говорит в пользу гипотезы единства вещества, так как действует на все тела одинаково. Что все тела из одного и того же вещества должны падать одинаково скоро и вес их должен быть пропорционален количеству вещества, это понятно; но отсюда никак не следует, чтобы и тела из различных веществ падали также с одинаковой скоростью, так как тяжесть могла бы действовать иначе, например, на водяные частицы, чем на цинковые, подобно тому как магнитная сила действует различно на различные тела. Наблюдения показывают, однако, что все тела без исключения, в пустом пространстве на одном и том же месте поверхности Земли, падают одинаково скоро, и следовательно, тяжесть действует на все тела так, как будто бы они состояли из одного и того же вещества и различались только числом частиц и распределением их в данном объеме. В химических явлениях соединения и разложения тел суммы весов их остаются неизменными; видоизменяется строение их и вообще свойства, не принадлежащие самой сущности вещества. Независимость силы тяжести от строения и состава тел показывает, что эта сила глубже проникает в сущность вещества, чем все другие силы природы. Поэтому измерение количества вещества весом тел имеет полное физическое основание.

П. Фан дер Флит.

dic.academic.ru

Определение веса тела. Похудеть может каждый

Определение веса тела

Нормальный вес тела – трудно определяемое понятие. Если чувствуете себя бодрой, здоровой и физически привлекательной женщиной, если ощущаете комфорт во всем теле, значит, у вас все хорошо и с весом, и с формой физического тела. Каждому необходим индивидуальный подход для выявления значения своего истинного веса и причин появления ожирения.

Для начала определитесь: действительно ли у вас есть лишний вес. Или вы стремитесь подражать формам и пропорциям современных топ-моделей? В обиходе появилось новое понятие – анорексия – отсутствие аппетита и желания есть. Это обусловленное нарушением восприятия своего тела прогрессирующее самоограничение в еде при сохранности аппетита, с целью похудания в связи с убежденностью в чрезмерной полноте и опасением располнеть. Анорексия затрагивает с каждым годом все большее число молодых женщин.

Излишняя худоба, так же как и ожирение, – это нарушение работы пищеварительной системы и обмена веществ, а значит, патология.

Методик определения наличия избыточной массы тела в научной литературе изложено достаточно много, однако они имеют общие недостатки. Прежде всего, это невозможность учесть множество наследственно обусловленных факторов (конституционная особенность, в разной степени выраженные признаки наследственных заболеваний, общие и локальные формы ожирения, возрастные особенности эндокринных расстройств и т. д). Кроме этого, должны быть учтены приобретенные хронические заболевания и инфекции, состояния после оперативных вмешательств, заболевания крови и т. д.

Для ориентировочной оценки своего веса можно использовать следующие три рекомендации:

1.?Общеизвестна формула: идеальный вес равен росту в сантиметрах минус сто.

Но эта формула слишком неточная, дает приемлемый результат только для женщин среднего роста, не учитывает телосложение и накачанные мускулы. Помните, если ваш вес отличается от высчитанного по этой формуле на 5–10 % в ту или другую сторону, – это нормально и обусловлено индивидуальными особенностями организма. Если вы хорошо себя чувствуете, легко двигаетесь, у вас не перехватывает дыхание и не болят мышцы после подъема по лестнице на третий-четвертый этаж – с весом все в порядке.

2.?Измерить толщину складки кожи на животе – простейший и довольно точный способ диагностики ожирения.

Норма у женщин: до 2–4 см. Складка 5–10 см и более – ожирение налицо.

3.?Индекс массы тела (ИМТ). Индекс массы тела позволяет определить степень избыточности веса и, следовательно, риска развития заболеваний, в происхождении которых ожирение играет существенную роль. Формула определения индекса массы тела (ИМТ): вес тела в килограммах следует разделить на величину роста в метрах, возведенную в квадрат, то есть: ИМТ = вес (кг) : {рост (м)}2

Например, вес человека = 85 кг, рост = 164 см. Следовательно, ИМТ в этом случае равен: ИМТ = 85 : (1,64 ? 1,64) = 31,6.

Определив ИМТ, можно оценить степень риска развития заболеваний, связанных с ожирением, используя следующие рекомендации.

Если ИМТ равен:

20–25 – нормальный вес тела; риск для здоровья отсутствует;

25–30 – избыточная масса тела; риск для здоровья повышенный, рекомендуется снизить массу тела;

30–35 – ожирение, риск для здоровья высокий, необходимо снизить массу тела;

35 и более – резко выраженное ожирение; риск для здоровья очень высокий, необходимо проконсультироваться у врача и снизить массу тела.

Для более точного определения степени риска для своего здоровья с учетом возраста используйте данные таблицы, приведенной ниже.

Таблица 1

Классификация состояний здоровья в зависимости от ИМТ

ИМТ – можно применять только для примерной оценки, результат этого измерения не является для всех универсальным. Например, вычисление ИМТ у профессиональных спортсменов может дать неверный результат, высокое значение индекса в этом случае объясняется развитой мускулатурой, а не ожирением.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Читать книгу целиком

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

med.wikireading.ru

вес тела человека - это... Что такое вес тела человека?


вес тела человека
вес те́ла челове́ка

* * *

ВЕС ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА

Энциклопедический словарь. 2009.

  • вес
  • весенне-летний энцефалит

Смотреть что такое "вес тела человека" в других словарях:

  • ВЕС ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА — см. Масса тела человека …   Большой Энциклопедический словарь

  • Вес тела человека —         см. Масса тела человека …   Большая советская энциклопедия

  • ВЕС ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА — то же, что масса тела человека …   Естествознание. Энциклопедический словарь

  • Вес (масса) человека — Выраженная в единицах массы физическая величина. Является одним из относительных показателей физического развития индивида. Определяется полом, возрастом, типом телосложения, особенностями обмена веществ, образом жизни и состоянием здоровья… …   Адаптивная физическая культура. Краткий энциклопедический словарь

  • масса тела человека — (вес), в антропологии один из основных антропометрических признаков, определяющих физическое развитие. * * * МАССА ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА МАССА ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА (вес), в антропологии один из основных антропометрических признаков, определяющих физическое… …   Энциклопедический словарь

  • МАССА ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА — (вес) в антропологии один из основных антропометрических признаков, определяющих физическое развитие …   Большой Энциклопедический словарь

  • МАССА ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА — (вес), в антропологии один из осн. антропометрии, признаков, определяющих физ. развитие …   Естествознание. Энциклопедический словарь

  • ПОНИЖЕННЫЙ ВЕС ТЕЛА — Вообще – состояние, при котором вес тела 10% или более ниже нормы для типа институции человека и его возраста. Как и ожирение, этот термин используется довольно свободно, так как невозможно дать определение, которое в равной степени относится ко… …   Толковый словарь по психологии

  • Вес — У этого термина существуют и другие значения, см. Вес (значения). Гравитационные аномалии земли (по данным NASA GRACE  Gravity Recovery And Climate Change.) Вес  сила воздействия тела на опору (или подвес ил …   Википедия

  • Вес те́ла — (масса тела) один из показателей физического развития человека. В. т. зависит от возраста, морфологических и физиологических особенностей организма и позволяет косвенно судить о состоянии здоровья. Особое значение оценка В т. имеет в педиатрии, т …   Медицинская энциклопедия


dic.academic.ru

Сила — Википедия

Си́ла — физическая векторная величина, являющаяся мерой воздействия на данное тело со стороны других тел или полей. Приложение силы обусловливает изменение скорости тела или появление деформаций и механических напряжений. Деформация может возникать как в самом теле, так и в фиксирующих его объектах — например, пружинах.

Воздействие всегда осуществляется посредством полей, создаваемых телами и воспринимаемых рассматриваемым телом. Различные взаимодействия сводятся к четырём фундаментальным; согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, эти фундаментальные взаимодействия (слабое, электромагнитное, сильное и, возможно, гравитационное) реализуются путём обмена калибровочными бозонами[1].

Для обозначения силы обычно используется символ F — от лат. fortis (сильный).

Важнейший физический закон, в который входит сила, — второй закон Ньютона. Он гласит, что в инерциальных системах отсчёта ускорение материальной точки по направлению совпадает с приложенной силой, а по модулю пропорционально модулю силы и обратно пропорционально массе материальной точки.

Слово «сила» в русском языке является многозначным и нередко используется (само или в сочетаниях, в науке и обиходных ситуациях) в смыслах, отличных от физического определения термина.

Характеристики силы[править | править код]

Сила является векторной величиной. Она характеризуется модулем, направлением и точкой приложения. Также используют понятие линия действия силы, означающее проходящую через точку приложения силы прямую, вдоль которой направлена сила.

Зависимость силы от расстояния между телами может иметь различный вид, однако, как правило, при больших расстояниях сила стремится к нулю — поэтому отдалением рассматриваемого тела от других тел с хорошей точностью обеспечивается ситуация «отсутствия внешних сил»[2]. Исключения возможны в некоторых задачах космологии, касающихся тёмной энергии[3].

Кроме разделения по типу фундаментальных взаимодействий, существуют иные классификации сил, в том числе: внешние—внутренние (то есть действующие на материальные точки (тела) данной механической системы со стороны материальных точек (тел) не принадлежащих этой системе и силы взаимодействия между материальными точками (телами) данной системы[4]), потенциальные и нет (потенциально ли поле изучаемых сил), упругие—диссипативные, сосредоточенные—распределённые (приложены в одной или многих точках), постоянные или переменные во времени.

При переходе из одной инерциальной системы отсчёта в другую преобразование сил осуществляется так же, как и полей соответствующей природы (например, электромагнитных, если сила электромагнитная). В пределе малых скоростей можно считать силу инвариантом.

Системой сил называется совокупность сил, действующих на рассматриваемое тело или на точки механической системы. Две системы сил называют эквивалентными, если их действие по отдельности на одно и то же твердое тело или материальную точку одинаково при прочих равных условиях[4].

Уравновешенной системой сил (или системой сил, эквивалентной нулю) называется система сил, действие которой на твердое тело или материальную точку не приводит к изменению их кинематического состояния[4].

Размерность силы[править | править код]

Размерность силы в Международной системе величин (англ. International System of Quantities, ISQ), на которой базируется Международная система единиц (СИ), и в системе величин LMT, используемой в качестве основы для системы единиц СГС, — LMT−2. Единицей измерения в СИ является ньютон (русское обозначение: Н; международное: N), в системе СГС — дина (русское обозначение: дин, международное: dyn).

Равнодействующая системы сил[править | править код]

Если к не закреплённому телу приложено несколько сил, то каждая из них сообщает телу такое ускорение, какое она сообщила бы в отсутствие действия других сил. Это утверждение, основанное на опытных фактах, носит название принципа независимости действия сил (принципа суперпозиции). Поэтому при расчёте ускорения тела все действующие на него силы заменяют одной силой, называемой равнодействующей, а именно геометрической суммой всех действующих сил. В частном случае равенства равнодействующей сил нулю ускорение тела также будет нулевым. На этом основано измерение величины исследуемой силы, когда она компенсируется силой, величина которой известна.

Измерение сил[править | править код]

Для измерения сил используются два метода: статический и динамический[5].

  • Статический метод заключается в уравновешивании измеряемой силы другой силой, значение которой известно. Например, в качестве уравновешивающей силы может выступать сила упругости, возникающая в градуированной пружине, деформированной исследуемой силой. На использовании статического метода основаны приборы, называемые динамометрами.
  • Динамический метод основан на использовании уравнения второго закона Ньютона ma→=F→{\displaystyle m{\vec {a}}={\vec {F}}}. Уравнение позволяет найти силу F→{\displaystyle {\vec {F}}}, действующую на тело, если известны масса тела m{\displaystyle m} и ускорение a→{\displaystyle {\vec {a}}} его поступательного движения относительно инерциальной системы отсчёта.

В древнем мире[править | править код]

Человечество вначале стало воспринимать понятие силы через непосредственный опыт передвижения тяжёлых предметов. «Сила», «мощность», «работа» при этом были синонимами (как и в современном языке за пределами естествознания). Перенос личных ощущений на объекты природы привёл к антропоморфизму: все предметы, которые могут воздействовать на другие (реки, камни, деревья) должны быть живыми, в живых существах должна содержаться та же сила, которую человек чувствовал в себе.

С развитием цивилизации сила была обожествлена, причём как египетский, так и месопотамский боги силы символизировали не только жестокость и мощь, но и наведение порядка во вселенной[6]. Всемогущий Бог Библии также несёт в своих именах и эпитетах ассоциации с силой[7].

В античности[править | править код]

Когда греческие учёные стали задумываться о природе движения, понятие силы возникло как часть учения Гераклита о статике как балансе противоположностей[8]. Эмпедокл и Анаксагор пытались объяснить причину движения и пришли к понятиям, близким к понятию силы[8]. У Анаксагора «ум» движет внешней по отношению к нему материей[9]. У Эмпедокла движение вызывается борьбой двух начал, «любви» (филии) и «вражды» (фобии)[9], которые Платон рассматривал как притяжение и отталкивание[10]. При этом взаимодействие, по Платону, объяснялось в терминах четырёх элементов (огня, воды, земли и воздуха): близкие вещи притягиваются, земля к земле, вода к воде, огонь к огню[11]. В древнегреческой науке каждый элемент также имел своё место в природе, которое старался занять. Таким образом, сила тяжести, например, объяснялась двумя способами: притяжением подобных вещей и стремлением элементов занять своё место[12]. В отличие от Платона, Аристотель последовательно занимал вторую позицию, что отложило концепцию общей силы тяготения, которая бы объясняла движение земных и небесных тел, до времён Ньютона[12].

Для обозначения понятия силы Платон использовал термин «динамис» («возможность» движения). Термин употреблялся в расширенном смысле, близком к современному понятию мощности: химические реакции, тепло и свет все также представляли собой динамисы[13].

Аристотель рассматривал две разные силы: присущую самому телу («природу», физис) и силу, с которой одно тело тянет или толкает другое (при этом тела должны быть в контакте)[14]. Именно это понятие о силе и легло в основу аристотелевой механики, хотя дуализм и препятствовал количественному определению силы взаимодействия двух тел (так как вес был природной силой, не связанной с взаимодействием, и потому не мог использоваться в качестве стандарта)[15]. В случае природного движения (падения тяжёлого или подъёма лёгкого тела) Аристотель предложил формулу для скорости в виде отношения плотностей движущегося тела A и среды, сквозь которую происходит движение, B: v=A/B[16] (очевидная проблема для случая равных плотностей была отмечена уже в VI веке[17]).

Изучением сил в процессе конструирования простых механизмов занимался в III в. до н. э. Архимед[18]. Архимед рассматривал силы в статике и чисто геометрически, и потому его вклад в развитие понятия силы незначителен[19].

Вклад в развитие понятие силы внесли стоики. Согласно их учению, силы неразрывно связывали два тела через дальнодействующую «симпатию» или (у Посидония) через всеобщее напряжение, пронизывающее всё пространство. Стоики пришли к этим выводам путём наблюдения за приливами, где взаимодействие Луны, Солнца и воды в океане было трудно объяснить с позиции Аристотелева близкодействия (сам Аристотель считал, что Солнце, садясь в океан, вызывает ветры, приводящие к приливам)[20].

В доклассической механике[править | править код]

Бэкон и Оккам вернули в науку идею о дальнодействии.

Бэкон называл дальнодействующие силы species (обычно этот специфичный для Бэкона термин не переводится) и рассматривал их распространение в среде как цепочку близких взаимодействий. Такие силы, по Бэкону, имели вполне телесный характер, ближайшим эквивалентом в современной физике является волна[21].

Оккам первым отказался от аристотелевского описания взаимодействия как непосредственного контакта и декларировал возможность движителя воздействовать на движимое на расстоянии, приведя в качестве одного из примеров магниты[22].

Ревизии подвергалась и аристотелевская формула v=A/B. Уже в VI веке Иоанн Филопон рассматривал в качестве правой части разность A-B, что кроме проблемной ситуации с одинаковыми плотностями позволило также описать движение в вакууме[23]. В XIV веке Брадвардин предложил формулу v=log(A/B)[24].

У Кеплера[править | править код]

Взгляды Кеплера на силу претерпели быстрое изменение. Ещё в 1600 году Кеплер рассматривает силы как свойство, подобное душе, которое руководит движением небесных тел. Однако уже к 1605 году Кеплер пришёл к выводу, что притяжение — это не действие, а реакция, силы притяжения относятся к материальному миру и подлежат математическому изучению. В 1607 году Кеплер пришёл к выводу, что приливы вызываются воздействием силы притяжения Луны на океаны[25]. По мнению М. Дженнера, Кеплер пришёл к идее единой теории тяготения, охватывающей как падение тел, так и движение Луны, до Ньютона[26].

В классической механике[править | править код]

С зарождением классической механики Бекманом и Декартом был сформулирован закон сохранения количества движения. После осознания этого факта, который похоронил аристотелевскую связь силы и скорости, у исследователей оставалось два выхода: определить силу как причину изменения скорости или отбросить понятие силы как таковое. Сам Декарт вначале применял понятие силы, чтобы объяснить ускоренное падение тела на землю, но со временем в попытке геометризации физики пришёл к выводу, что понятие силы является искусственным, и в 1629 году описывал процесс свободного падения без упоминания «силы»[27]. С другой стороны, Галилей недвусмысленно рассматривал силу как причину увеличения скорости свободного падения[28].

У Ньютона[править | править код]

В трудах Ньютона понятие силы было тесно связано с тяготением, поскольку интерпретация кеплеровских результатов в области движения планет в то время занимала все умы[29]. Впервые понятие силы (лат. vis) встречается у Ньютона в «Началах» в двух контекстах: «присущей силы» (лат. vis insita), ньютоновской силы инерции и «приложенной силы» (лат. vis impressa), отвечающей за изменение движения тела. Ньютон также отдельно выделял центростремительную силу (к которой относил тяготение) с несколькими разновидностями: абсолютную силу (подобную современному полю тяготения), ускоряющую силу (эффект тяготения на единицу массы, современное ускорение) и движущую (произведение массы на ускорение)[30]. Ньютон не даёт общего определения силы. Как отмечает М. Дженнер, второй закон Ньютона не является определением силы у самого автора закона (который явно различал определения и законы), сила у Ньютона является пресуществующим понятием, интуитивно эквивалентным силе мускулов[31].

Современность[править | править код]

Конец XX века охарактеризовался спорами о том, необходимо ли в науке понятие силы и существуют ли силы в принципе — или это только термин, введённый для удобства[32].

Бигелоу с соавторами в 1988 году аргументировали, что силы по сути определяют причинно-следственные отношения и потому не могут быть отброшены[33]. М. Джеммер на это возразил, что в Стандартной модели и других физических теориях сила трактуется лишь как обмен моментом импульса, понятие силы потому сводится к более простому «взаимодействию» между частицами. Это взаимодействие описывается в терминах обмена дополнительными частицами (фотонами, глюонами, бозонами и, возможно, гравитонами)[32]. Джеммер приводит следующее упрощённое пояснение: два конькобежца скользят по льду плечо к плечу, у обоих в руках находится по мячу. Быстрый и одновременный обмен мячами приведёт к отталкивающему взаимодействию[34].

Стиннер отмечает, что эйнштейновский принцип эквивалентности сил гравитации и инерции по сути уничтожает понятие силы, в общей теории относительности внешние силы (F из уравнения F=ma) отсутствуют[35].

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 (законы Ньютона)[36][37].

Первый закон Ньютона[править | править код]

Первый закон Ньютона утверждает, что существуют системы отсчёта, 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[37]. Такие системы отсчёта называются инерциальными. Ньютон предположил, что каждый массивный (подразумевается: «обладающий массой», а не «громоздкий») объект имеет определённый запас инерции, характеризующий «естественное состояние» движения этого объекта. Эта идея отрицает взгляд Аристотеля, который рассматривал только покой «естественным состоянием» объекта. Первый закон 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 в инерциальных системах отсчёта покой неотличим от равномерного прямолинейного движения, является обоснованием принципа относительности Галилея. Среди совокупности тел принципиально невозможно определить, какие из них находятся «в движении», а какие «покоятся». Говорить о движении можно лишь относительно конкретной системы отсчёта. Законы механики выполняются одинаково во всех инерциальных системах, другими словами, все они механически эквивалентны. Последнее следует из так называемых преобразований Галилея[38].

Второй закон Ньютона[править | править код]

Второй закон Ньютона имеет вид:

ma→=F→.{\displaystyle m{\vec {a}}={\vec {F}}.}

где m{\displaystyle m} — масса материальной точки, a→{\displaystyle {\vec {a}}} − её ускорение, F→{\displaystyle {\vec {F}}} — равнодействующая приложенных сил. Считается, что это «вторая самая известная формула в физике», хотя сам Ньютон никогда явным образом не записывал свой второй закон в этом виде. Впервые данную форму закона можно встретить в трудах К. Маклорена и Л. Эйлера.

Поскольку в любой инерциальной системе отсчёта ускорение тела одинаково и не меняется при переходе от одной системы к другой, сила тоже инвариантна по отношению к такому переходу.

Во всех явлениях природы сила, независимо от своего происхождения, проявляется только в механическом смысле, то есть как причина нарушения равномерного и прямолинейного движения тела в инерциальной системе координат. Обратная ситуация, а именно установление факта такого движения, свидетельствует не об отсутствии действующих на тело сил, а лишь о том, что действия этих сил взаимно уравновешиваются. Иначе: их векторная сумма есть вектор с модулем, равным нулю.

Второй закон Ньютона не играет роль определения силы, но позволяет находить её величину. Например, знание массы планеты и её центростремительного ускорения при движении по орбите позволяет вычислить величину силы гравитационного притяжения, действующей на эту планету со стороны Солнца.

Третий закон Ньютона[править | править код]

Для любых двух тел (назовём их тело 1 и тело 2) третий закон Ньютона утверждает, что сила действия тела 1 на тело 2 сопровождается появлением равной по модулю, но противоположной по направлению силы, действующей на тело 1 со стороны тела 2[39]. Математически закон записывается так:

F→1,2=−F→2,1.{\displaystyle {\vec {F}}_{1,2}=-{\vec {F}}_{2,1}.}

Этот закон означает, что силы всегда возникают парами «действие-противодействие»[37]. Если тело 1 и тело 2 находятся в одной системе, то суммарная сила в системе, обусловленная взаимодействием этих тел, равна нулю:

F→1,2+F→2,1=0.{\displaystyle {\vec {F}}_{1,2}+{\vec {F}}_{\mathrm {2,1} }=0.}

Это означает, что в замкнутой системе не существует несбалансированных внутренних сил. Это приводит к тому, что центр масс замкнутой системы (то есть такой, на которую не действуют внешние силы) не может двигаться с ускорением. Отдельные части системы могут ускоряться, но лишь таким образом, что система в целом остаётся в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Однако, в случае, если внешние силы подействуют на систему, её центр масс начнёт двигаться с ускорением, пропорциональным внешней результирующей силе и обратно пропорциональным массе системы[1].

Кроме того, так как силы взаимодействия всегда направлены вдоль прямой, соединяющей взаимодействующие точки, равен нулю и суммарный момент этих сил (относительно любой точки):

(r→1−r→0)×F→1,2+(r→2−r→0)×F→2,1=(r→1−r→2)×F→1,2=0{\displaystyle ({\vec {r}}_{1}-{\vec {r}}_{0})\times {\vec {F}}_{1,2}+({\vec {r}}_{2}-{\vec {r}}_{0})\times {\vec {F}}_{\mathrm {2,1} }=({\vec {r}}_{1}-{\vec {r}}_{2})\times {\vec {F}}_{1,2}=0}

Все силы в природе основаны на четырёх типах фундаментальных взаимодействий. Максимальная скорость распространения всех видов взаимодействия равна скорости света в вакууме. Электромагнитные силы действуют между электрически заряженными телами, гравитационные — между массивными объектами. Сильное и слабое проявляются только на очень малых расстояниях, они ответственны за возникновение взаимодействия между субатомными частицами, включая нуклоны, из которых состоят атомные ядра.

Интенсивность сильного и слабого взаимодействия измеряется в единицах энергии (электрон-вольтах), а не единицах силы, и потому применение к ним термина «сила» объясняется существующей с античности традицией объяснять любые явления в окружаемом мире действием специфических для каждого явления «сил».

Понятие силы не может быть применено по отношению к явлениям субатомного мира. Это понятие из арсенала классической физики, ассоциирующейся (пусть даже только подсознательно) с ньютоновскими представлениями о силах, действующих на расстоянии. В субатомной физике таких сил уже нет: их заменяют взаимодействия между частицами, происходящие через посредство полей, то есть каких-то других частиц. Поэтому физики высоких энергий избегают употреблять слово сила, заменяя его словом взаимодействие[40].

Взаимодействие каждого типа обусловлено обменом соответствующими «переносчиками»: электромагнитное — виртуальными фотонами, слабое — векторными бозонами, сильное — глюонами (а на больших расстояниях — мезонами). В отношении гравитационного взаимодействия имеются теоретические предположения (например, в теории струн или М-теории), что с ним также может быть связан свой переносчик-бозон, называемый гравитоном, но его существование пока не доказано. Эксперименты по физике высоких энергий, проведённые в 70−80-х годах XX в., подтвердили идею о том, что слабое и электромагнитное взаимодействия являются проявлениями более глобального электрослабого взаимодействия[41]. В настоящее время делаются попытки объединения всех четырёх фундаментальных взаимодействий в одно (так называемая теория великого объединения).

Всё многообразие проявляющих себя в природе сил в принципе может быть сведено к этим четырём фундаментальным взаимодействиям. Например, трение − это проявление электромагнитных сил, действующих между атомами двух соприкасающихся поверхностей, и принципа запрета Паули[42], который не позволяет атомам проникать в область друг друга. Сила, возникающая при деформации пружины, описываемая законом Гука, также является результатом действия электромагнитных сил между частицами и принципа запрета Паули, заставляющих атомы кристаллической решётки вещества удерживаться около положения равновесия[1].

Однако на практике оказывается не только нецелесообразной, но и просто невозможной по условиям задачи подобная детализация рассмотрения вопроса о действии сил.

Гравитация[править | править код]

Гравитация (сила тяготения) — универсальное взаимодействие между любыми видами материи. В рамках классической механики описывается законом всемирного тяготения, сформулированным Ньютоном в уже упомянутом труде «Математические начала натуральной философии». Ньютон получил величину ускорения, с которым Луна движется вокруг Земли, положив при расчёте, что сила тяготения убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от тяготеющего тела. Кроме этого, им же было установлено, что ускорение, обусловленное притяжением одного тела другим, пропорционально произведению масс этих тел[43]. На основании этих двух выводов был сформулирован закон тяготения: любые материальные частицы притягиваются по направлению друг к другу с силой F{\displaystyle F}, прямо пропорциональной произведению масс (m1{\displaystyle m_{1}} и m2{\displaystyle m_{2}}) и обратно пропорциональной квадрату расстояния r{\displaystyle r} между ними:

F=Gm1m2R2.{\displaystyle F=G{\frac {m_{1}m_{2}}{R^{2}}}.}

Здесь G{\displaystyle G} − гравитационная постоянная[44], значение которой впервые получил в своих опытах Генри Кавендиш. Используя данный закон, можно получить формулы для расчёта силы тяготения тел произвольной формы. Теория тяготения Ньютона хорошо описывает движение планет Солнечной системы и многих других небесных тел. Однако, в её основе лежит концепция дальнодействия, противоречащая теории относительности. Поэтому классическая теория тяготения неприменима для описания движения тел, перемещающихся со скоростью, близкой к скорости света, гравитационных полей чрезвычайно массивных объектов (например, чёрных дыр), а также переменных полей тяготения, создаваемых движущимися телами, на больших расстояниях от них[45].

Более общей теорией гравитации является общая теория относительности Альберта Эйнштейна. В ней гравитация не характеризуется инвариантной силой, не зависящей от системы отсчёта. Вместо этого свободное движение тел в гравитационном поле, воспринимаемое наблюдателем как движение по искривлённым траекториям в трёхмерном пространстве-времени с переменной скоростью, рассматривается как движение по инерции по геодезической линии в искривлённом четырёхмерном пространстве-времени, в котором время в разных точках течёт по-разному. Причем эта линия в некотором смысле «наиболее прямая» — она такова, что пространственно-временной промежуток (собственное время) между двумя пространственно-временными положениями данного тела максимален. Искривление пространства зависит от массы тел, а также от всех видов энергии, присутствующих в системе[1].

Электромагнитное взаимодействие[править | править код]

Электростатическое поле (поле неподвижных зарядов)

Развитие физики после Ньютона добавило к трём основным (длина, масса, время) величинам электрический заряд с размерностью «кулон» (C). Однако, исходя из требований практики, в качестве основной единицы измерения стали использовать не единицу заряда, а единицу силы электрического тока. Так, в системе СИ основной единицей является ампер, а единица заряда — кулон — производная от него.

Поскольку заряд как таковой не существует независимо от несущего его тела, электрическое взаимодействие тел проявляется в виде рассматриваемой в механике силы, служащей причиной ускорения. Применительно к электростатическому взаимодействию двух точечных зарядов с величинами q1{\displaystyle q_{1}} и q2{\displaystyle q_{2}}, располагающихся в вакууме, используется закон Кулона. В форме, соответствующей системе СИ, он имеет вид:

F→12=14πε0⋅q1⋅q2r122r→12r12,{\displaystyle {\vec {F}}_{12}={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}\cdot {\frac {q_{1}\cdot q_{2}}{r_{12}^{2}}}{\frac {{\vec {r}}_{12}}{r_{12}}},}

где

ru.wikipedia.org


Смотрите также

Календарь мероприятий

Уважаемые родители и ребята, ждем вас на занятия со 2го сентября по расписанию. Расписание занятий Понедельник Среда Пятница Дети с 8-13 лет 16.50 - 18.15 16.50 - 18.15 16.50 -...
Итоги турнира: 1е место - Кравченков Сергей (Алтай), 2е место - Спешков Станислав(СПБ), 3е место - Набугорнов Николай (Алтай). Победители были награждены...

Новости

Поздравляем наших участников соревнования по кикбоксингу "Открытый кубок ГБОУ ДОД ДЮСШ Выборжанин"! Юрий Кривец и Давид Горнасталев - 1 место,...