Siła w fizyce — rodzaje i zasady dynamiki

Siła jest jednym z podstawowych pojęć mechaniki, a trzy zasady dynamiki tłumaczą niemal wszystko, co dzieje się z poruszającymi się ciałami. Poniżej wyjaśnienie z przykładami z codziennego życia.

Czym jest siła

Siła to wielkość opisująca wzajemne oddziaływanie ciał. Jednostką jest niuton (N) — siła nadająca ciału o masie jednego kilograma przyspieszenie jednego metra na sekundę kwadrat.

Siła jest wielkością wektorową, więc oprócz wartości ma kierunek i zwrot. To istotne: dwie siły o tej samej wartości działające przeciwnie znoszą się nawzajem.

Trzy zasady dynamiki

Pierwsza (zasada bezwładności) — ciało pozostaje w spoczynku albo porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym, dopóki nie zadziała na nie niezrównoważona siła.

Druga — przyspieszenie jest wprost proporcjonalne do siły i odwrotnie proporcjonalne do masy: F = m · a.

Trzecia (akcji i reakcji) — każdej sile towarzyszy siła równa co do wartości i przeciwnie skierowana, przyłożona do drugiego ciała.

Zasady w praktyce

Pierwsza tłumaczy, dlaczego przy gwałtownym hamowaniu pasażerowie przechylają się do przodu — ciało dąży do zachowania dotychczasowego ruchu, mimo że pojazd zwalnia. To także powód, dla którego pasy bezpieczeństwa mają sens.

Druga wyjaśnia, dlaczego ta sama siła inaczej przyspiesza rower niż samochód. Przy większej masie przyspieszenie jest mniejsze.

Trzecia opisuje odrzut broni, ruch rakiety i to, że idąc, odpychamy się od ziemi — a ziemia odpycha nas z równą siłą.

Najczęstszy błąd przy trzeciej zasadzie

Skoro siły akcji i reakcji są równe i przeciwne, to dlaczego cokolwiek się porusza? Odpowiedź: działają na dwa różne ciała, więc się nie znoszą.

Gdy odpychamy się od ściany, nasza siła działa na ścianę, a jej reakcja na nas. Ruszamy z miejsca, bo siła przyłożona jest do nas. Ściana pozostaje nieruchoma, bo jest połączona z budynkiem i Ziemią — jej masa jest praktycznie nieskończona w porównaniu z naszą.

Rodzaje sił

• Grawitacji — przyciąganie między masami; jej skutkiem jest ciężar
• Tarcia — przeciwdziała ruchowi stykających się powierzchni
• Sprężystości — powstaje przy odkształceniu ciała
• Nacisku — działa prostopadle do powierzchni
• Elektromagnetyczna — między ładunkami i magnesami

Masa a ciężar

To rozróżnienie kosztuje wielu uczniów punkty. Masa to ilość materii, mierzona w kilogramach, taka sama wszędzie. Ciężar to siła, z jaką planeta przyciąga ciało — mierzona w niutonach i zależna od miejsca.

Człowiek o masie 70 kg ma na Ziemi ciężar około 687 N, a na Księżycu około 114 N, bo tamtejsze przyspieszenie grawitacyjne jest sześciokrotnie mniejsze. Masa pozostaje jednak identyczna — to wciąż 70 kg materii.

Dlatego w stanie nieważkości astronauta nie traci masy, tylko przestaje odczuwać ciężar.