Взаємодія тіл. Сила

Чому тіла змінюють свій стан у просторі?
Будь-які зміни в природі відбуваються внаслідок взаємодії між тілами. Щоб змінити положення вагона на рейках, залізничники спрямовують до нього локомотив, який зміщує вагон з місця і приводить його в стан руху. Вітрильник може тривалий час стояти біля берега, аж доки не подме попутний вітер і подіє на його вітрила. Колеса іграшкового автомобіля можуть обертатися з будь-якою швидкістю, але іграшка не змінить свого положення, якщо під іграшку не підкласти дощечку або лінійку. Форму чи розмір пружини можна змінити, лише підвісивши до неї тягарець або потягнувши рукою за один з її кінців.

Усі тіла в природі так чи інакше пов'язані між собою і діють одне на інше або безпосередньо, або через фізичні поля. Така дія завжди є взаємною. Якщо тепловоз діє на вагон і змінює його швидкість, то швидкість тепловоза при цьому також змінюється внаслідок зворотної дії вагона. Сонце діє на всі тіла на Землі і на саму Землю, утримуючи її на орбіті. Але і Земля притягує Сонце і в свою чергу змінює його траєкторію. Отже, в усіх випадках можна говорити лише про взаємну дію тіл  — взаємодію.
При взаємодії можуть змінюватися швидкості тіл або їх частин.
Проте, взаємодіючи з різними тілами, дане тіло по-різному буде змінювати свою швидкість. Так, вітрильник може набути швидкості внаслідок дії на нього вітру. Але такого самого результату можна досягти, увімкнувши двигун, розміщений на вітрильнику. Його може зрушити з місця і катер, діючи на вітрильник через трос. Щоб не називати щоразу всі взаємодіючі тіла, чи тіла, які діють на дане тіло, всі ці дії об'єднують одним поняттям сили.
 Сила — це фізичне поняття, яке узагальнює всі взаємодії, внаслідок яких тіло чи його частини змінюють свій стан.
 
Що таке сила?
Сила як фізичне поняття може бути більшою чи меншою, як і викликані нею зміни в стані тіла чи його частин.

Сила як фізична величина кількісно характеризує дію одного тіла на інше.    
Дія тепловоза на вагон буде значно інтенсивнішою, ніж дія декількох вантажників. Під дією тепловоза вагон швидше зрушить з місця і почне рухатися з більшою швидкістю, ніж тоді, коли вагон будуть штовхати вантажники, які ледве змістять вагон на невелику відстань або й зовсім не зрушать його.
Для того щоб можна було вести математичні розрахунки, силу позначають певною літерою. Як правило, це латинська літера F.
Як і всі інші фізичні величини, сила має певні одиниці. Сучасна наука користується одиницею, яка називається ньютоном (Н). Одиниця дістала таку назву на честь англійського вченого Ісаака Ньютона, який зробив значний внесок у розвиток фізичної і математичної науки.
 Ісаак Ньютон (1643-1727) — видатний англійський    учений, засновник класичної фізики. Наукові праці стосуються механіки, оптики, астрономії та математики.  Сформулював  основні  закони  класичної механіки, відкрив закон всесвітнього тяжіння, дисперсію світла, розвинув корпускулярну теорію світла,  розробив  диференціальне та  інтегральне  числення.
 Сили можуть мати різні значення. Так, на склянку з водою діє сила з боку Землі, що приблизно дорівнює 2 Н. А трактор, тягнучи плуга, діє на нього із силою в декілька тисяч ньютонів.

Чим вимірюють силу?
Для вимірювання сили використовують спеціальні прилади, які називаються динамометрами (dіпа - сила; mеtrо -міряю). Як правило, кожен такий прилад має вимірний елемент У вигляді пружини певної форми.

Сила характеризується напрямом.
Вказати числове значення сили не завжди достаньо для визначення результату її дії. Важливо знати точку її прикладання та напрям дії.
Якщо високий брусок, що стоїть на столі, штовхати в нижній частині, то він буде ковзати поверхнею стола. Якщо ж до нього прикласти силу у верхній його частині, то він просто перекинеться.
 Зрозуміло, що напрям падіння бруска залежить від того, в якому напрямі будемо його штовхати. Отже, сила має також напрям. Від напряму сили залежить зміна швидкості тіла, на яке ця сила діє.

Враховуючи, що сила має напрям і числове значення, її зображають у вигляді стрілки певної довжини і напряму (вектора). Така стрілка починається в точці на тілі, яка називається точкою прикладання сили.

Користуючись графічним методом, можна проводити різні математичні операції із силами. Так, якщо до однієї точки на тілі прикладені сили 2 Н і З Н, які діють в одному напрямі, то їх дію можна замінити однією силою, яка буде прикладена в цій самій точці, діятиме в тому ж напрямі, а її значення дорівнюватиме сумі значень кожної із сил. Вектор цієї сили матиме довжину, що дорівнює сумі довжин обох векторів.

Рівнодійна — це сила, дія якої рівнозначна дії кількох сил, прикладених до тіла в даній його точці.

Можливий інший випадок, коли сили прикладені в одній точці тіла, але діють у протилежних напрямах. Тоді їх можна замінити однією силою, напрямленою в напрямі більшої сили, а її значення дорівнюватиме різниці значень кожної сили (мал. 39). Довжина вектора цієї сили дорівнюватиме різниці довжин векторів прикладених сил.

Сила, якою можна замінити кілька сил, прикладених у певній точці тіла, називають рівнодійною.

Інертність тіл.  Маса
Чи завжди однаковий результат дії сили?
Результатом дії сили на тіло є зміна його швидкості або форми. Проте дія однієї і тієї самої сили не завжди супроводжується однаковим ефектом. Він буде залежати і від властивостей тіла, до якого прикладено силу.
Розмістимо на поличці, закріпленій у штативі, дві алюмінієві кульки. Пружну пластинку зігнемо, її кінці зв'яжемо ниткою і введемо між кульки. Якщо нитку перерізати, то пластинка розпрямиться і штовхне обидві кульки, надавши їм певних швидкостей. Вимірявши відстані l₁ і l₂, на які  відлетіли кульки, побачимо, що вони однакові:
l₁ =l₂
Якщо дослід повторити, замінивши одну з алюмінієвих кульок стальною кулькою такого самого діаметра (мал. 42), то відстані, на які змістилися кульки, будуть різними:
 l₁  < l₂

Отже, при дії однієї й тієї самої стиснутої пружини за один і той самий інтервал часу кульки набули різних швидкостей. Більша зміна швидкості спостерігалася в алюмінієвої кульки. Швидкість же стальної кульки змінювалася менше. З огляду на подібні явища одні тіла називають більш інертними (у нашому досліді -стальна кулька) і менш інертними (алюмінієва кулька).

Інертність — це властивість тіла більше або менше зберігати свій стан руху під дією однакових сил.
 
Що таке маса?
Для кількісного вираження інертності користуються фізичною величиною, яку називають масою.
Очевидно, що маса кульки зі сталі в попередньому досліді була більшою, ніж алюмінієвої. Тому вони і набули різних швидкостей.
Маса — це фізична величина, яка характеризує інертні властивості тіла.

Одuнuці вимірювання маси
Як і будь-яка фізична величина маса має одиницю. Основною одиницею маси є кілограм (кг).
Кілограм є одиницею маси і дорівнює масі міжнародного прототипу кілограма.
Якщо тіло має масу 1 кг, то під дією сили 1 Н його швидкість щосекунди змінюється на 1 м/с.
Кілограм належить до основних одиниць Міжнародної системи одиниць (СІ). За одиницю маси кілограм прийнята маса спеціально виготовленого зразка (еталона) (мал. 43). 50 Він зроблений зі сплаву платини та іридію і має форму циліндра. Зберігається еталон маси в Міжнародному бюро мір і ваги в м. Севрі, що під Парижем.
Як і для інших одиниць вимірювання, для кілограма застосовують похідні одиниці:
1 г = 0,001 кг = 10 ³ кг;

1 мг = 0,000001 кг = 10 ⁶ кг;

1 т = 1000 кг = 10³ кг;

1 ц = 100 кг = 10² кг.

Для прямого вимірювання маси застосовують різні терези. Серед них найпоширеніші і найпростіші — важільні. На цих терезах порівнюють взаємодію із Землею тіла й еталонних важків, покладених на шальки терезів. На практиці застосовують також інші терези, які пристосовані до різних умов роботи і мають різні конструкції.