Урівноважуючі сили

Про спокої тіла і про рух за інерцією. Якщо на тіло діє тільки одна сила, то воно обов’язково отримує прискорення. Але якщо на тіло діє не одна, а дві чи більше число сил, то іноді може виявитися, що тіло прискорення не отримає, т. Е. Або залишиться в спокої, або буде рухатися рівномірно і прямолінійно. У таких випадках кажуть, що всі сили взаємно врівноважуються і що кожна з них урівноважує всі інші, або що їх рівнодіюча дорівнює нулю (див. §39).

Найпростішим є випадок, коли на тіло діють дві врівноважують один одного сили: при їх спільній дії тіло не отримує прискорення. Такі сили, як показує досвід, діючи на тіло кожна окремо, повідомили б йому рівні прискорення, спрямовані протилежно. Діючи спільно на яке-небудь інше тіло, ці сили знову взаємно зрівноважилися б, а діючи окремо, повідомили б йому прискорення іншої величини, але також рівні один одному і спрямовані протилежно. Тому урівноважуючі сили вважають рівними за величиною і протилежними за напрямком. Наприклад, на гирю, підвішену на пружині, діє сила тяжіння Землі (вниз) і рівна їй сила пружності пружини (вгору), що врівноважують один одного.

Отже, якщо прискорення тіла дорівнює нулю, це означає, що або на нього не діють сили, або рівнодіюча всіх сил, що діють на тіло, дорівнює нулю: всі сили взаємно врівноважуються.

Тут треба мати на увазі наступне. Серед сил, що діють на рівномірно і прямолінійно рухаються тіла, зазвичай є сили, що діють в напрямку руху, які ми створюємо навмисно, наприклад сила тяги гвинта літака, що обертається мотором, або сила мускулів людини, що везе санки. Часто говорять навіть: «літак летить, так як на нього діє сила тяги гвинта»; «Санки ковзаючи, так як на них діє зусилля тягне людини», і т. Д.

При цьому, однак, часто не беруть до уваги сили, спрямовані протилежно руху: опір повітря для літака, тертя полозів об лід для санок і т. Д. Для рівномірності і прямолінійності руху необхідно, щоб навмисно створені сили якраз врівноважували сили опору. Іноді кажуть, що тіло рухається рівномірно і прямолінійно, якщо на нього не діють ніякі сили. Ми бачимо, що правильніше говорити: «тіло рухається рівномірно і прямолінійно, якщо рівнодіюча всіх сил, на нього діють, дорівнює нулю». У попередніх параграфах, говори про рух за інерцією або про спокій тіл, ми розглядали саме такі випадки; наприклад, при коченні кульки по склу сила тяжіння врівноважувалася пружністю скла, сила тяжіння підвішеного тіла врівноважувалася пружністю нитки і т. д.

Причина того, що сили опору часто вислизають від уваги учня на противагу впадає в очі «рушійним» силам, полягає в наступному. Щоб створити силу тяги гвинта, на літак потрібно поставити мотор, витрачати на нього бензин, масло; щоб рухати санки, потрібно тягнути за мотузку, втомлювати свої м’язи. У той же час сили опору виникають, так би мовити, «безкоштовно», завдяки лише наявності руху. Для їх виникнення при русі тіла не потрібно ні моторів, ні мускульних зусиль: їх джерело або в невидимому повітрі, або в частинках льоду, що стикаються з полозами. Щоб звернути на ці сили увагу, їх потрібно ще виявити, в той час як «рушійні» сили – предмет нашої спеціальної турботи і витрат зусиль і матеріалів.

До досліджень Галілея вважалося, що якщо на тіло буде діяти одна сила, то воно буде рухатися рівномірно в напрямку цієї сили; тут, звичайно, обійти увагою сила тертя. Дія сили, спрямованої вперед, дійсно необхідно для рівномірності руху, але саме для того, щоб врівноважувати силу тертя.

Тіло рухається без прискорення як у випадку, коли на нього не діють ніякі сили, так і у випадку, коли діючі сили врівноважують один одного. Однак прийнято говорити, що тіло рухається «за інерцією» тільки в тому випадку, якщо в напрямку руху сили відсутні: сили, спрямованої вперед, немає, а силою тертя або опору середовища можна знехтувати.

Для кращого з’ясування сказаного розглянемо ще, як виникає рівномірний прямолінійний рух зі стану спокою. Візьмемо для прикладу електровоз, який везе поїзд. У перший момент, коли мотор включений, але поїзд ще не рушив, сила тяги електровоза, діюча через сцепку на склад, вже велика і перевершує силу тертя коліс вагонів об рейки (як виникає сама сила тяги, буде пояснено в §66). Тому поїзд починає рухатися вперед з прискоренням. У міру збільшення швидкості сили опору (тертя коліс і опір повітря) ростуть, але, поки вони залишаються менше сили тяги, швидкість поїзда продовжує зростати. При подальшому збільшенні швидкості надлишок тяги в порівнянні з силами опору робитиметься все менше і менше, і нарешті ці сили зрівняються один з одним. Тоді зникне і прискорення: подальший рух буде рівномірним. Якщо збільшити тягу (збільшивши струм, що проходить через мотор), то рівновага сил порушиться, і поїзд знову отримає прискорення вперед. Швидкість знову почне рости, поки зростаюче зі збільшенням швидкості опір не врівноважує нову, збільшену силу тяги. Назад, якщо зменшити силу тяги, послаблюючи струм, що проходить через мотор, то рівновага сил знову порушиться, поїзд отримає негативне прискорення (так як тепер сила опору буде більше тяги електровоза) і буде сповільнювати свій рух. Але при цьому буде зменшуватися і сила опору, і, коли вона зрівняється зі зменшеною силою тяги, рух знову стане рівномірним, але вже при меншій швидкості. Нарешті, при виключенні струму тяга зникне, і швидкість поїзда буде безперервно спадати внаслідок триваючого дії сил опору, поки поїзд не зупиниться.

Посилання на основну публікацію