СИЛА КАК ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА
Сила — одна из основных величин в механике. Во многих случаях она наряду со временем и длиной выбирается в качестве одной из трех основных величин в системе величин этой области физики.
Первоначальное представление о
силе как понятии исходило из веса и мускульного усилия, необходимого для его уравновешивания. Более глубокое рассмотрение приводит к анализу физических проявлений силы: ускорений и деформаций.Связь между силами и ускорениями была впервые установлена и описана Ньютоном. В соответствии со вторым законом Ньютона сила
. (2.1)
Если известна масса, то из уравнения (2.1) можно определить действующую силу путем измерения ускорения.
Особым видом силы является вес G. Он возникает под действием ускорения земного притяжения g на массу т и в вакууме равен
G=mg
. (2.2)Вес G (в сущности
При более точном определении веса должна приниматься во внимание зависимость ускорения земного притяжения от географических координат и высоты над уровнем моря, причем, кроме того, необходимо учитывать выталкивающую силу воздуха. Зависимость ускорения от местоположения определяется посредством зависимости, установленной в 1930 г. :
g = 9,780490 (1+ 5,2884•10-3 sin2
а — 5,9 •10-6 sin2а) м • с-2, (2.3)где а — географическая широта. На рис. 1.1 показана эта зависимость вместе с зависимостью ускорения от высоты над уровнем моря.
Рисунок 1.1 - Зависимость ускорения земного притяжения g от географической широты a и высоты h над уровнем моря
При обычной точности определения массы возможны расхождения полученных значений, которые следует учитывать. Кажущееся изменение веса под действием выталкивающей силы воздуха определяется из соотношения (рис. 1.2): .
Рисунок 1.2 - Кажущееся изменение веса G из-за выталкивающей силы воздуха как функция плотности (однородного) объекта измерения
По этой причине у особо лёгких материалов имеет место изменение веса, которым нельзя пренебрегать.
Связь между силами и деформациями была впервые описана Гуком (закон Гука), и для определенных простых случаев может быть представлена в обобщенной форме
,
где с — жесткость деформируемого тела в месте приложения силы;
В тех системах, где происходят процессы деформации, интерес представляют напряжения материала (и сами деформации), которые связаны со статически действующими силами.
Таким образом, можно сформулировать три основные задачи силоизмерительной техники (рис. 1.3):
а) измерение сил, действующих на ускоряемые массы;
б) измерение веса, вернее массы, при известном ускорении под действием земного притяжения;
в) измерение сил для определения напряжений и деформаций.
Рисунок 1.3 - Основные задачи силоизмерительной техники
Задача (а) может быть сведена при известной массе тела к измерению ускорения. Этот вопрос, однако, является предметом обширной специальной литературы и поэтому здесь в дальнейшем не рассматривается. Задачи (б) и (в) относятся к области собственно силоизмерительной техники.Единицей измерения силы в системе СИ является международно признанная единица “ньютон” (Н). 1 ньютон — это сила, которая сообщает телу массой 1 кг ускорение 1 м • с
-2:1Н = 1м • кг • с
-2.В международной практике ньютон получает все более широкое распространение. Ранее применялись так называемые технические единицы силы, выведенные из веса. При этом в качестве единицы силы принимался <нормальный вес>, т. е. вес единицы массы в 1 кг в месте действия нормального ускорения земного притяжения g
n.Значение g
n было установлено в 1901 г. для географической широты, соответствующей примерно 45° :gn
= 9,80665 м с-2.Единица силы, установленная таким образом, сначала называлась “килограмм-силой” в противоположность “килограмм-массе”, а позже — “килограммом”. В результате между инженерами и физиками возникли недоразумения, которые были устранены только введением для килограмм-силы наименования килопонд.
1 кр = 1 кгс = 9,80665 м • кг • с
-2 = 9,80665 Н.В настоящее время в международной практике пока еще употребляются и другие единицы измерения силы. Эти важнейшие единицы и их переводные коэффициенты приведены в табл. 1.
Таблица 1 -
Соотношение единиц измерения силы
Ньютон (Н) |
Дина (дин) |
Килограмм-сила (кгс) |
Фунт-сила ( lbf) |
Унция ( oz) |
|
Ньютон Дина Килограмм-сила Фунт-сила Унция |
1 10-5 9,80665 4,448187 0,278014 |
105 1 9,80665× 10-5 4,448187× 105 2,78014× 104 |
0,101972 1,01972× 10-6 1 0,45359 28,3495× 10-3 |
0,224811 2,24810× 10-6 2,204622 1 6,24999× 10-2 |
3,59695 3,59695× 10-5 35,27396 16,0000 1 |