Вера Максимова
Механика без формул

Статика

Статика – изучает силы и условия нахождения тел в состоянии покоя или неподвижности.

Под состоянием покоя или неподвижностью понимается, что тело в любой момент времени будет находиться в одном и том же месте пространства относительно условно неподвижной системы отчета.

Сила является одним из основных понятий в механике, но и во всей физике. Что такое сила и каковы основные свойства силы? Сила F (читается эф, рисунок 2) определяется тремя характеристиками: точкой приложения – точка О, численной величиной – длиной стрелки L (читается эль), направлением стрелки.

Рисунок 2

Сила – это мера взаимодействия между телами. Например, камень лежит на столе. Какими основными свойствами обладает камень как предмет, изучаемый в механике. Один камень поднять легко, другой тяжелее, а третий вообще поднять невозможно. Это свойство связано, с какой силой Земля притягивает любые предметы к себе. Почему тело, находящееся на поверхности Земли никуда не улетают? Дело в том, что их притягивает Земля. Великий английский физик Исаак Ньютон (1642–1727) открыл закон Всемирного тяготения. По легенде находясь в саду, на его голову упало яблоко.

– Эврика! – воскликнул Ньютон, – Я понял, что все тела притягиваются Землей!

Так это было или не совсем так, но суть в том, что Ньютон открыл один из основных законов природы – закон всемирного тяготения. Согласно этому закону все тела притягиваются между собой с определенной силой. Отчего зависит эта сила? Тела притягиваются вследствие того, что они материальные, то есть имеют массу. А что такое масса тела? Это то, что

Рисунок 2. Исаак Ньютон (1642–1727).

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/39/GodfreyKneller-IsaacNewton-1689.jpg

может создавать вокруг себя гравитационное поле. Чем больше масса тела, тем на большее расстояние распространяется его гравитационное поле и тем, оно сильнее. Сила взаимодействия гравитационного поля очень сильно убывает с увеличением расстояния между телами. Причем два тела независимо от массы и расстояния между ними притягиваются между собой с одинаковой силой (рисунок 3). На рисунке 3 сила F₁ (читается эф один) действует со стороны первого тела на второе. Сила F₂ (читается эф два) действует со стороны второго тела на первое. Тот факт, что величины сил F₁ и F₂ одинаковые в математике записывается: F₁ = F₂. А словами это равенство сил можно сформулировать так: с какой силой первое тело действует на второе, с такой же силой второе тело действует на первое. В физике это утверждение называется третьим законом Ньютона.

Кроме этого определения, массу как меру гравитационного взаимодействия, можно охарактеризовать как меру инерции. А что такое инерция и ее мера? Например, если качели пустые, то есть на них никто не

Рисунок 3.

сидит, то раскачать и потом остановить их сравнительно просто. Если на качелях будет сидеть ребенок, то раскачать или остановить будет их труднее. А если на качели сядет взрослый человек, то и раскачать и остановить их уже совсем будет сложно. Вот это и есть проявление свойств инерции. Причиной движения тела является приложенная к нему сила. Рассмотрим изолированную систему, в которой на тело действует только одна сила. Изолированная система, это когда на тело действуют силы входящие в эту систему, а силы вне данной системы отсутствуют. Примером такой изолированной системы может служить Солнечная система (рисунок 4).

Рисунок 4.

Все тела входящие, в нее обладая массами, имеют гравитационные поля. С помощью этих полей тела взаимодействуют между собой. Вследствие огромных расстояний до ближайшей звездной системы – Альфы Центавры силы нашей Солнечной системы крайне малы вблизи этой звезды. И ими можно пренебречь. Они не более силы муравья. Справедливо и обратное утверждение, что в пределах Солнечной системы действие притяжения сил отдаленных звезд также крайне незначительно. Так вот если на тело в изолированной системе подействовала сила, то оно придет в движение. Но если потом убрать эту силу, то на тело больше не будут действовать никакие силы, так как их просто нет. Что будет с телом? Тело будет продолжать двигаться по инерции. Если в замкнутой системе нет сил, а тело находилось в состоянии покоя, то оно будет продолжать оставаться в состоянии покоя. Это тоже есть проявление свойства инерции.

Таким образом, инерция – это свойство тела сохранять свое состояние покоя или движения. Причем движение по инерции будет равномерным и прямолинейным. А мера инерции – это есть масса тела. Масса тела измеряется в килограммах.

С понятием инерции связан один из основных законов природы который называется принципом или законом Галилея. Этот закон впервые установил великий итальянский ученый Галилео Галилей (1564–1642 г.) Формулируется закон следующим образом: если на тело не действуют никакие силы, то оно находиться в состоянии покоя или если оно раньше двигалось, то продолжает равномерное прямолинейное движение.

Рисунок. 5. Галилео Галилей (1564–1642 г.)

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f7/Galileo-picture.jpg.

Теперь можно дать точное определение единицы измерения силы – ньютону. Один ньютон – это сила, с которой Земля притягивает тело массой в один килограмм, находящееся на расстоянии одного метра от ее поверхности.

На тело может действовать много сил. Вспомните басню Ивана Андреевича Крылова (1769–1844 г.) как Лебедь, Рак и Щука захотели тянуть воз и что из этого вышло. Как вы помните, старания их были тщетны и как бы они не старались воз и ныне там.

Но вернемся к нашему примеру, когда тело находится на столе (рисунок 6). На это тело действует сила тяжести (обозначена на рисунке 5 буквой Р, читается пэ), направленная вертикально вниз к поверхности земли.

Рисунок 6

Но мы знаем, если на тело действует сила, оно должно двигаться. Тогда почему оно не движется? Дело в том, что со стороны столешницы стола к телу приложена сила, направленная противоположно силе тяжести тела, то есть вертикально верхи по величине равная ей (обозначена на рисунке 6 буквой N, английская буква, читается эн). Называется эта сила – реакцией опоры. В этом случае к телу будет проложены две силы равные по величине, но противоположны по направлению. По одной из аксиом статики в этом случае тело будет находиться в состоянии покоя или равновесия. Аксиома – это утверждение, которое принимается без доказательств, так как оно подтверждается всеми случаями обыденной жизни. В этом случае говорят, что силы взаимно уравновешивают друг друга и суммарное действие этих сил будет равно нулю. Так как на воз из басни Крылова действует три силы, а воз находиться в состоянии покоя, то в этом случае уже суммарное действие трех сил будет равно нулю.