Рассматривая уравнения кинематики, мы решали основную задачу механики. Однако кинематика, которая описывает движение ничего не говорит о том, почему вообще возникает движение и почему при движении возникает ускорение. На эти вопросы отвечает раздел механики под названием «Динамика». Ключевыми понятиями здесь служат понятия силы и массы. Попробуем разобраться, что означает каждое из них, какой физический смысл несет каждое из этих понятий.
Наблюдения из повседневной жизни и эксперимент показывают, что если одно тело действует на другое, то и второе тело действует на первое, т.е. тела действуют друг на друга взаимно.
Пример 1. Мяч, летящий в футбольные ворота, ударяется о сетку. В результате сетка прогибается. Мы можем с уверенностью сказать, что мяч подействовал на сетку. Но, в результате такого взаимодействия, мяч останавливается, т.е. его останавливает сетка, тормозит его. Значит сетка подействовала на мяч.
Пример 2. Мальчик стоит на батуте. Под действие веса мальчика батут прогибается (деформируется), т.е. мальчик действует на батут. С другой стороны, батут удерживает мальчика, т.е. тоже действует на него.
Пример 3. Пример, который иногда вводит в ступор некоторых учеников. Как может стул давить на сидящего на нем человека? Давайте разберемся. То что человек давит на стул, когда сидит на нем, не вызывает ни каких сомнений. Как известно, у человека есть несколько каналов восприятия информации, среди которых осязание. Когда на кожу оказывается какое-либо действие (давление создаваемое ветром или одеждой, неважно), то мы это чувствуем. Сидя на стуле, мы чувствуем его, значит стул оказывает давление на поверхность кожи. Опять же мы пришли к тому, что тела действуют взаимно.
Исаак Ньютон, основоположник классической механики, первый из ученых понял, что в природе нет одностороннего действия, тела действуют друг на друга взаимно, т.е. всегда происходит взаимодействие тел. И вот тут мы подходим к понятию силы, суть которого попробуем раскрыть далее. Будем говорить, что если тела взаимодействуют, то они действуют друг на друга с некоторыми силами или, если мы хотим сконцентрировать внимание на действии одного тела на другое, то будем говорить что оно действует с некоторой силой (или на тело действует сила) на другое тело. То есть понятие силы характеризует процесс взаимодействия тел. Как понять что тела взаимодействуют? Как понять что на тело действует сила? Рассмотренные нами примеры и множество других наблюдений взаимодействия тел объединяют две вещи: во-первых, в результате взаимодействия тел (или в результате действия силы на тело) изменяется скорость тел (или тела на которое действует сила); во-вторых, в результате взаимодействия тела могут деформироваться. Деформация и изменение скорости — не только признаки того, что на тело действует сила, в принципе деформация и изменение скорости возникают в результате действия на тело силы. При изменении скорости возникает ускорение, т.е. сила — это причина ускорения. Это очень важный вывод, который пригодится нам в дальнейшем.
Рассмотрим еще один пример и будем вести рассуждения на «бытовом» языке, что позволяет лучше уяснить понятие «силы». Представьте ситуацию. Играя в футбол, вам нужно сделать пас своему товарищу. В первом случае он находится на расстоянии 3 метров от вас, а во втором — на расстоянии 30 метров от вас. И в первом и во втором случае вам нужно изменить скорость мяча, т.е. подействовать на него с некоторой силой. Во втором случае, по сравнению с первым, скорость мяча должна измениться более значительно, т.е. мяч должен приобрести большее ускорение. В таком случае вы можете говорить о том, что должны пнуть мяч «сильнее», т.е. подействовать на него с большей силой. Это означает, что величина ускорения будет зависеть от величины силы, которая подействовала на тело. Обобщая все вышесказанное мы можем теперь дать определение понятию «сила» смысл которого, я думаю, вам будет ясен. Итак, сила — количественная характеристика взаимодействия тел.
Сила — векторная величина. Вы всегда можете указать направление действия силы. Сила характеризуется тремя параметрами:
1. модулем;
2. направлением;
3. точкой приложения.
Если вы хотите задать силу, действующую на тело, то должны указать все три параметра. В случае первого параметра можно указать способ нахождения модуля, т.е. написать формулу для его вычисления. Это минимальный набор, который нужно знать про каждую силу, изучаемую в школьном курсе физики. На рисунке ниже показано тело, на которое действует некоторая сила $\vec{F}$.
Сила обозначается латинской буквой $F$ (эф). Единица измерения силы — ньютон (Н). Прибор для измерения — динамОметр (ударение падает на предпоследний (третий) слог). На рисунке ниже показаны школьные динамометры с различной ценой деления и пределом измерения.
В общем случае на тело может действовать не одна сила, а несколько. В таких случаях, эти несколько сил бывает возможным заменить одной, действие которой равноценно действию всех сил, действующих на тело. Такая сила называется равнодействующей. Замена нескольких сил равно действующей называется сложением сил. Для того чтобы найти равнодействующую силу, необходимо найти векторную сумму всех сил, действующих на тело
$\vec{F}=\vec{F}_1+\vec{F}_2+…+\vec{F}_n$.
Как мы уже сказали выше, в результате действия силы на тело его скорость меняется, т.е. оно приобретает ускорение. Думаю излишне доказывать, что в результате действия на разные тела одинаковых сил, эти тела могут приобретать разные ускорения (но если вам хочется проверить это утверждение, то можете попробовать подкинуть вверх, например, мяч и тяжелый камень и посмотреть какое из тел получит в момент броска большее ускорение). Ускорение характеризует быстроту изменения скорости. То тело, которое в результате действия силы приобретает меньшее ускорение медленнее меняет свою скорость, более неподатливо к изменению скорости, оно более инертно. Инертность — это свойство тела, проявляющееся в том, что разные тела при действии на них одинаковых сил неодинаково быстро изменяют свою скорость, т.е. приобретают разные ускорения. Из двух тел более инертно то, которое медленнее меняет свою скорость, т.е. приобретает меньшее ускорение при действии на них одинаковых сил. Инертность — это характеристика свойств самого тела. Характеристикой инертности тела выступает физическая величина называемая массой тела. Из двух тел более инертное имеет большую массу, менее инертное — меньшую. Кстати, из этого определения следует, что масса и ускорение также связаны друг с другом: чем больше масса (чем более инертно тело), тем меньше изменяется его скорость при действии на тела одинаковой силы, т.е. тем меньшее ускорение получает такое тело.
Масса обозначается латинской буквой $m$ (эм). Единица измерения силы — килограмм (кг). Прибор для измерения — весы.
Тела, окружающие нас, состоят из различных веществ. Масса любого тела зависит не только от его размеров, но и от того, из какого вещества это тело состоит. При этом тела, имеющие равные объёмы, но изготовленные из разных веществ, имеют разные массы. В то же время тела с равными массами, изготовленные из разных веществ, имеют разные объёмы. Физическая величина характеризующая зависимость единицы объема от вещества из которого изготовлено тело называется плотностью. Плотность — это физическая величина, которая равна отношению массы тела к его объёму
$\rho =\frac{m}{V}$.
Греческая буква «ро» в этой формуле — обозначение плотности. Единица измерения — кг/м3 (другая распространенная единица — г/см3). Физический смысл плотности заключается в том, что она показывает массу 1 м3 вещества. Например плотность алюминия 2700 кг/м3. Это означает, что 1 м3 алюминия будет иметь массу 2700 кг.