Siła jest podstawowym konceptem dynamiki. Pozwala nam przewidzieć w jaki sposób będzie poruszało się ciało. Znając siły działające na ciało możemy przewidzieć jego ruch w przyszłości. Bez wątpienia siły są istotnym pojęciem będącym w centrum dynamiki. Zatem postarajmy się zrozumieć ich działanie.
Czym jest siła?
Pojęcie siły zostało wprowadzone przez Newtona za pomocą II Zasady dynamiki. Siła została zdefiniowana jako miara oddziaływania. Im większa jest siła, tym większe jest wzajemne oddziaływanie na siebie dwóch ciał.
W jaki sposób można zobaczyć oddziaływanie? Jak już ustaliliśmy siła (oddziaływanie) jest związane z ruchem ciała. Zatem jeśli chcemy ustalić, czy dane dwa ciała oddziałują ze sobą - możemy zapytać jak ciało A będzie się zachowywało w sytuacji, gdy obecne jest ciało B. Następnie należy porównać wynik z sytuacją, w której ciało B usuniemy.
Przykładowo siedząc na krześle oddziałujemy z nim ponieważ gdybyśmy nagle pstryknęli palcami i je magicznie zniknęli to nasze zachowanie uległo by zdecydowanej zmianie.
Tracąc podparcie krzesła zaczęliśmy spadać na ziemię.
Jak czujemy siłę?
Powyższy eksperyment myślowy pozwolił nam ustalić istnienie oddziaływania, a co za tym idzie siły. Czy możemy jednak poczuć siłę (oddziaływanie) bez odnoszenia się do eksperymentów myślowych? Jak najbardziej. Nasze ciała są wyposażone w zmysł dotyku, który pozwala nam między innymi na wyczucie nacisku na nasze ciało. Za każdym razem, gdy jakieś ciało będzie na nas oddziaływało (będzie na nas działało siłą) nasze receptory będą wyczuwały nacisk.
Czuję oddziaływanie Nie czuję oddziaływania
Przykładowo, gdy kulka leży na naszej dłoni - czujemy jej nacisk. Oznacza to, że kulka oddziałuje na nas. Gdy kulka nie dotyka naszego ciała - nie czujemy nacisku, co możemy interpretować jako brak oddziaływania.
W przypadku kulki leżącej na naszej ręce możemy potwierdzić istnienie oddziaływania wykorzystując opisany wcześniej eksperyment myślowy.
- “Czy kulka będzie zachowywała się inaczej, gdy pstrykniemy palcami i znikniemy dłoń?”
- Tak
- “To znaczy, że istnieje oddziaływanie między ręką a kulką”
Wnioski:
Z przedstawionego powyżej rozumowania możemy wyciągnąć bardzo ważne wnioski dotyczące siły:
- Siła jako miara oddziaływania musi występować między dwoma ciałami. Jeśli chcemy poprawnie zidentyfikować siłę działającą na interesujące nas ciało powinniśmy zawsze móc wskazać jej źródło. Wydaje się to oczywistym wnioskiem eksperymentu myślowego. Pamiętając, że siły muszą mieć źródło, jesteśmy w stanie uniknąć zdecydowanej większości problemów podczas rozwiązywania zadań z dynamiki.
- Oddziaływania (siły) są kontaktowe. Oznacza to, że siły występują między ciałami, które się stykają. Zwróć uwagę na przykład z dłonią i kulką: gdy kulka nie dotyka dłoni - nie oddziałujemy z nią, gdy dotyka dłoni - pojawia się oddziaływanie.
Ale…
jeśli głębiej się zastanowimy to nie wszystkie siły są kontaktowe. Oddziaływanie piłki z ręką, czy naszego tyłka z krzesłem - rzeczywiście są kontaktowe. Jeśli jednak pomyślimy o sile grawitacji, która działa na nas - wydaje się być bezkontaktowa. Nie musimy dotykać Ziemi, by czuć jej przyciąganie. Całe szczęście dla spadochroniarzy.
Pomimo dziwnego zachowania grawitacji - możemy za pomocą naszego eksperymentu myślowego dowieść, że siła grawitacji rzeczywiście istnieje. Wyobraźmy sobie spadochroniarza, który porusza się w atmosferze z otwartym spadochronem. Aby sprawdzić czy istnieje oddziaływanie między nim a Ziemią - pstryknijmy palcami i zniknijmy Ziemię. Czy wtedy ruch spadochroniarza ulegnie zmianie? Zdecydowanie tak. Jeśli nie będzie Ziemii to spadochroniarz przestanie spadać i zacznie unosić się bezwładnie w miejscu. Stąd wnioskujemy, że oddziaływanie między spadochroniarzem a Ziemią - oddziaływanie grawitacyjne istnieje.
Oddziaływania grawitacyjne, elektryczne i magnetyczne wydają się być bezkontaktowe. Dopóki nie odkryjemy pojęcia pola siłowego (np. pola grawitacyjnego) możemy myśleć o siłach grawitacji, sile elektycznej oraz sile magnetycznej jako o wyjątkach od reguły lub dziwnych siłach, które działają na odległość.
Wiedza w praktyce
Zastosujmy w praktyce wiedzę zdobytą w tym artykule i spróbujmy rozpisać wszystkie siły działające na skrzynkę znajdującą się na równi pochyłej.
1. Pierwsze co przychodzi nam do głowy to siła grawitacji. Siła oddziaływania Ziemi ze skrzynią. Siła ta jest bezkontaktowa w związku z tym nie martwi nas fakt, że Ziemia nie styka się bezpośrednio z ciężarkiem. Siła grawitacji jest skierowana zawsze pionowo w dół (w zasadzie siła grawitacji pozwala nam wprowadzić określenie pionu).
2. Kolejną siłą będzie siła oddziaływania równi pochyłej ze skrzynią. Równia zdecydowanie wpływa na ruch skrzyni - w związku z tym wnioskujemy, że jakaś siła oddziaływania się pojawi. Siłę tę nazywamy siłą reakcji podłoża.
Siła reakcji podłoża pojawia się, aby uniemożliwić skrzyni “wniknięcie wewnątrz” równi pochyłej. W związku z tym siła ta będzie działała zawsze prostopadłe do podłoża.
3. Może pojawić się jeszcze jeden rodzaj oddziaływania pomiędzy skrzynią a równią. Istnieje siła próbująca powstrzymać względny ruch skrzyni i równi. Nazwiemy ją siłą tarcia.
Siła tarcia jest skierowana zawsze przeciwnie do kierunku ruchu ciała.
I to tyle. Zapisaliśmy wszystkie siły działające na skrzynie. Możemy mieć pewność, że znaleźliśmy wszystkie siły ponieważ żadne inne ciało nie ma wpływu na ruch skrzyni.
