Одиниці сили: Ньютон

Всі ми звикли в житті вживати слово сила в порівняльній характеристиці, кажучи чоловіки сильніше жінок, трактор сильніше автомобіля, лев сильніше антилопи.

Сила у фізиці визначається як міра зміни швидкості тіла, яке відбувається при взаємодії тел. Якщо сила є мірою, і ми можемо порівнювати додаток різної сили, значить, це фізична величина, яку можна виміряти. У яких одиницях вимірюється сила?

Одиниці виміру сили
На честь англійського фізика Ісаака Ньютона, пройшла величезну дослідження в природі існування і використання різних видів сили, за одиницю виміру сили у фізиці прийнятий 1 ньютон (1 Н). Що ж таке сила в 1 Н? У фізиці не вибирають одиниці виміру просто так, а роблять спеціальне узгодження з тими одиницями, які вже прийняті.

Ми знаємо з досвіду і експериментів, що якщо тіло спочиває і на нього діє сила, то тіло під дією цієї сили змінює свою швидкість. Відповідно, для вимірювання сили вибирали одиницю, яка буде характеризувати зміна швидкості тіла. І не забуваємо, що є ще й маса тіла, так як відомо, що з однаковою силою вплив на різні предмети буде різна. М’яч ми можемо кинути далеко, а от булижник відлетить на набагато меншу відстань. Тобто, врахувавши всі фактори, приходимо до визначення, що сила в 1 Н буде прикладена до тіла, якщо тіло масою 1 кг під впливом цієї сили змінює свою швидкість на 1 м/с за 1 секунду.

Одиниця виміру сили тяжіння
Також нас цікавить одиниця виміру сили тяжіння. Так як ми знаємо, що Земля притягує до себе всі тіла на її поверхні, значить, існує сила тяжіння і її можна виміряти. І знову-таки, ми знаємо, що сила тяжіння залежить від маси тіла. Чим більше маса тіла, тим сильніше Земля його притягує. Експериментально встановлено, що сила тяжіння, що діє на тіло масою 102 грами – це 1 Н. А 102 грами – це приблизно одна десята кілограма. А якщо бути більш точним, то якщо 1 кг розділити на 9,8 частин, то ми якраз і отримаємо приблизно 102 грами.

Якщо на тіло масою 102 грама діє сила 1 Н, то на тіло масою 1 кг діє сила 9,8 Н. Прискорення вільного падіння позначають буквою g. І g одно 9,8 Н/кг. Це сила, яка діє на тіло масою 1 кг, прискорюючи його щосекунди на 1 м/с. Виходить, що тіло, падаюче з великої висоти, за час польоту набирає дуже велику швидкість. Чому ж тоді сніжинки і дощові краплі падають досить спокійно? В них дуже маленька маса, і тягне їх до себе земля дуже слабо. А опір повітря для них досить велике, тому вони летять до Землі з не дуже великий, досить однаковою швидкістю. А ось метеорити, наприклад, при підльоті до Землі набирають дуже високу швидкість і при приземленні, утворюється пристойний вибух, який залежить від величини і маси метеорита відповідно.

Ньютон – що це? Відповідаємо на питання. Ньютон – одиниця виміру чого?

Фізика як наука, яка вивчає закони нашого Всесвіту, використовує стандартну методику досліджень і певну систему одиниць вимірювання. Одиницю вимірювання сили прийнято позначати Н (ньютон). Що таке сила, як її знайти і виміряти? Давайте вивчимо це питання більш детально.

Цікаве з історії

Ісаак Ньютон – це видатний англійський вчений XVII століття, який зробив неоціненний внесок у розвиток точних математичних наук. Саме він є прабатьком класичної фізики. Йому вдалося описати закони, яким підкоряються і величезні небесні тіла, і дрібні піщинки, уносимі потоком вітру. Одним з головних його відкриттів вважається закон всесвітнього тяжіння і три основні закони механіки, які описують взаємодію тіл у природі. Пізніше й інші вчені змогли вивести закони тертя, спокою і ковзання тільки завдяки науковим відкриттям Ісаака Ньютона.

Трохи теорії

На честь вченого була названа фізична величина. Ньютон – одиниця вимірювання сили. Саме визначення сили можна описати так: «» сила – це кількісна міра взаємодії між тілами, або величина, яка характеризує ступінь інтенсивності або напруженості тіл «».

Величина сили вимірюється в ньютонах не просто так. Саме цим вченим були створені три непорушних «» силових «» закони, які актуальні і по наші дні. Давайте вивчимо їх на прикладах.

Перший закон

Для повного розуміння питань: «» Чим є ньютон? «», «Одиниця виміру чого?» «і» Який його фізичний сенс? «», варто уважно вивчити три основні закони механіки.

Перший говорить про те, що якщо на тіло не впливають інші тіла, то воно перебуватиме в стані спокою. А якщо тіло перебувало в русі, то при повній відсутності будь-якої дії на нього воно буде продовжувати свій рівномірний рух по прямій лінії.

Уявіть, що на пласкій поверхні столу лежить якась книга з певною масою. Позначивши всі діючі на нього сили, отримаємо, що це сила тяжкості, яка спрямована вертикально вниз, і сила реакції опори (в даному випадку столу), спрямована вертикально вгору. Оскільки обидві сили врівноважують дії одна одної, величина рівнодіючої сили дорівнює нулю. Згідно з першим законом Ньютона, саме з цієї причини книга покоїться.

Другий закон

Він описує взаємозв’язок між силою, що діє на тіло, і прискоренням, яке воно отримує внаслідок докладеної сили. Ісаак Ньютон при формулюванні цього закону вперше використовував постійну величину маси як міру прояву інерції та інертності тіла. Інертністю називають здатність або властивість тіл зберігати своє початкове положення, тобто опиратися зовнішнім впливам.

Другий закон часто описують такою формулою: F = a*m; де F – це рівнодіюча всіх сил, докладених до тіла, a – прискорення, одержуване тілом, і m – маса тіла. Сила в кінцевому підсумку виражається в кг * м /с 2. Цей вираз і прийнято позначати в ньютонах.

Що таке ньютон у фізиці, визначення прискорення яке і як воно пов’язане з силою? Ось на ці питання відповідає формула другого закону механіки. Слід розуміти, що цей закон працює тільки для тих тіл, які рухаються зі швидкостями, набагато меншими швидкості світла. При значеннях швидкостей, близьких до швидкості світла, працюють вже трохи інші закони, адаптовані спеціальним розділом фізики про теорію відносності.

Третій закон Ньютона

Це, мабуть, найбільш зрозумілий і простий закон, який описує взаємодію двох тіл. Він говорить про те, що всі сили виникають попарно, тобто якщо одне тіло діє на інше з певною силою, то і друге тіло, в свою чергу, також чинить дію на перше з рівною за модулем силою.

Саме формулювання закону вченим виглядає наступним чином: «». взаємодії двох тіл один на одного рівні між собою, але при цьому спрямовані в протилежні сторони «».

Давайте розберемося, що ж таке ньютон. У фізиці прийнято все розглядати на конкретних явищах, тому наведемо кілька прикладів, що описують закони механіки.

1. Водоплавні тварини на кшталт качок, риб або жаб рухаються у воді або по воді саме завдяки взаємодії з нею. Третій закон Ньютона говорить про те, що при дії одного тіла на інше завжди виникає і протидія, за силою рівнозначна першому, але спрямоване в протилежний бік. Виходячи з цього, можна зробити висновок, що рух качок відбувається завдяки тому, що вони лапками відштовхують воду назад, а самі пливуть вперед в силу дії води у відповідь.
2. Біличе колесо – яскравий приклад доказу третього закону Ньютона. Що таке біличе колесо, напевно знають всі. Це досить проста конструкція, що нагадує і колесо, і барабан. Її встановлюють у клітинах, щоб домашні вихованці на зразок білок або декоративних щурів могли побігати. Взаємодія двох тіл, колеса і тварини, призводить до того, що обидва ці тіла рухаються. Причому коли білка біжить швидко, то і колесо крутиться з великою швидкістю, а коли вона уповільнює свій хід, то колесо починає крутитися повільніше. Це ще раз доводить, що дія і відповідна протидія завжди рівні між собою, хоча і спрямовані в протилежні сторони.
3. Все, що рухається на нашій планеті, рухається тільки завдяки «» дії у відповідь «» Землі. Це може здаватися дивним, однак насправді при ходьбі ми докладаємо зусиль тільки для того, щоб штовхати землю або будь-яку іншу поверхню. А рухаємося вперед, тому що нас штовхає у відповідь земля.

Що таке ньютон: одиниця вимірювання або фізична величина?

Саме визначення «» ньютон «» можна описати наступним чином: “це одиниця вимірювання сили” “. А в чому ж полягає його фізичний сенс? Отже, виходячи з другого закону Ньютона, це похідна величина, яка визначається як сила, здатна всього за 1 секунду змінити швидкість тіла масою 1 кг на 1 м/с. Виходить, що ньютон – це векторна величина, тобто вона має свій напрямок. Коли ми прикладаємо силу до предмета, наприклад штовхаємо двері, то ми одночасно задаємо і напрямок руху, який, згідно з другим законом, буде таким же, як і напрямок сили.

Якщо слідувати формулі, виходить, що 1 Ньютон = 1 кг * м/с 2 . При вирішенні різних завдань по механіці дуже часто потрібно перевести ньютони в інші величини. Для зручності при знаходженні тих чи інших значень рекомендується запам’ятати основні тотожності, які пов’язують ньютони з іншими одиницями:

• 1 Н = 10 5 дин (діна – одиниця виміру в системі СГС);
• 1 Н = 0,1 кгс (кілограм-сила – одиниця сили в системі МКГСС);
• 1 Н = 10 -3 стін (одиниця виміру в системі МТС, 1 стін дорівнює силі, яка повідомляє прискорення в 1 м/с 2 будь-якому тілу масою в 1 тонну).

Закон всесвітнього тяжіння

Одне з найважливіших відкриттів вченого, яке перевернуло уявлення про нашу планету, це закон тяжіння Ньютона (що таке тяжіння, читайте нижче). Звичайно, і до нього були спроби розгадати таємницю тяжіння Землі. Наприклад, Йоганн Кеплер першим припустив, що не тільки Земля має привабливу силу, але також і самі тіла здатні притягувати Землю.

Однак тільки Ньютону вдалося математично довести взаємозв’язок сили тяжіння і закону руху планет. Після багатьох дослідів вчений зрозумів, що насправді не тільки Земля притягує до себе предмети, але і всі тіла примагнічуються один до одного. Він вивів закон гравітації, який говорить, що будь-які тіла, включаючи і небесні світила, притягуються з силою, рівною твору G (гравітаційна постійна) і мас обох тіл m₁ * m₂, розділеної на R 2 (квадрат відстані між тілами).

Всі закони і виведені Ньютоном формули дозволили створити цілісну математичну модель, яка досі використовується при дослідженнях не тільки на поверхні Землі, але і далеко за межами нашої планети.

Перетворення одиниць

При вирішенні завдань слід пам’ятати про стандартні приставки СІ, які використовуються в тому числі і для “ньютонівських” “одиниць вимірювання. Наприклад, у завданнях про космічні об’єкти, де маси тіл великі, дуже часто виникає необхідність спрощувати великі значення до менших. Якщо при рішенні виходить 5000 Н, то відповідь зручніше буде записати у вигляді 5 кН (к Ньютон). Подібні одиниці бувають двох видів: кратні і довільні. Ось найбільш використовувані з них: 10 2 Н = 1 гектоНьютон (гН); 10 3 Н = 1 к Ньютон (кН); 10 6 Н = 1 м. Ньютон (МН) і 10 -2 Н = 1 сантиНьютон (сН); 10 -3 Н = 1 міллІньютон (мН); 10 -9 Н = 1, Ньютон (нН).

Одиниці вимірювання ньютон на метр і ньютон на метр квадратний. Приклад завдання

Одиниці вимірювання у фізиці відіграють важливу роль при вирішенні практичних завдань. Завдяки ним можна визначити правильність отриманого результату і зрозуміти його кількісну величину в порівнянні з відомим стандартом. Розгляньмо, що означає фізична величина з одиницею вимірювання ньютон на метр.

Ньютон – одиниця сили

Кожен школяр знає, хто такий Ісаак Ньютон і який внесок він зробив у розвиток класичної механіки. Зі стовідсотковою впевненістю можна сказати, що динаміка, як вивчає сили розділ фізики, повністю побудована на законах великого англійського вченого. Тому міжнародним співтовариством було прийнято рішення назвати одиницю вимірювання сили ньютоном (Н). Один ньютон – це така сила, яка, діючи на тіло масою 1 кілограм, повідомляє йому прискорення 1 м/с2.

Ньютон є головною одиницею вимірювання сили абсолютно будь-якого виду. Проте вона не входить до числа семи базових одиниць міжнародної системи СІ. Як було сказано, вона визначається через 3 інші базові поняття – кілограм (міра маси), метр (міра відстані в просторі) і секунда (міра часу).

Що таке ньютон на метр?

Познайомившись з поняттям “ньютон” як одиниці вимірювання сил, повернемося до теми статті. Яка величина вийде, якщо ньютон помножити на метр? Для тих, хто відразу не може відповісти на поставлене питання, запишемо в математичному вигляді цю операцію:

Якщо в результаті дії сили F тіло переміщується на відстань l, то твір цих фізичних величин дасть роботу, здійснену силою вздовж напрямку переміщення.

Робота являє собою енергетичну характеристику, вона вимірюється в джоулях (Дж). Один джоуль, згідно з визначенням роботи, це така енергія, яку витратить сила в 1 ньютон при переміщенні тіла на 1 метр.

Залежно від фізичного процесу витрачена на переміщення тіл робота може переходити в різні види енергії. Наприклад, якщо будівельний кран піднімає бетонну плиту, то її потенційна енергія в полі сили тяжкості збільшується. Інший приклад: люди, прикладаючи постійну силу, протягом деякого часу штовхають машину. Частина витраченої роботи йде на подолання сили тертя качання і, як наслідок, переходить у теплову енергію, інша її частина йде на збільшення кінетичної енергії транспортного засобу.

Таким чином, ньютон на метр – це одиниця роботи, яка називається джоуль.

Момент сили

Крім роботи, вказана одиниця також використовується для вимірювання моменту сили. Останній описується тією ж самою формулою, що і робота, однак сила в даному випадку спрямована під деяким кутом до вектора l, який являє собою відстань від точки додатку сили до осі обертання.

Незважаючи на те що момент сили описується в одиницях роботи, нею він не є. Його називають також крутним моментом, оскільки він показує можливість зовнішньої сили здійснити поворот системи навколо осі і надати їй деяке кутове прискорення. Якщо момент сили помножити на кут повороту в радіанах, то ми отримаємо роботу. Одиниця вимірювання не зміниться.

Одиниця тиску

У рамках теми статті також розглянемо, в чому вимірюється тиск у фізиці. Люди, які захоплюються цією наукою, дадуть швидко правильну відповідь, назвавши паскаль як одиницю для вимірювання тиску в СІ. У завданнях і на практиці часто зустрічаються інші одиниці тиску, які зручно використовувати в кожному конкретному випадку. Так, широко поширені: атмосфера, торр або міліметр ртутного стовпа і бар. Кожна з них однозначно переводиться в паскалі, якщо скористатися відповідним перекладним коефіцієнтом.

Ми розглядаємо тиск в рамках теми даної статті тому, що він тісним чином пов ‘язаний з силою. За визначенням тиск – це величина, рівна відношенню діючої перпендикулярно поверхні сили до площі цієї поверхні, тобто:

З цієї рівності отримуємо одиницю вимірювання ньютон на метр квадратний (Н/м2). Величина 1 Н/м2 називається паскалем на честь французького фізика Блеза Паскаля, який сконструював барометр і виміряв їм атмосферний тиск на різних висотах щодо рівня моря.

Один паскаль – це дуже маленький тиск. Його величину можна уявити, якщо взяти 100 мілілітрів дистильованої води і розподілити її за площею 1 метр квадратний. Для прикладу зазначимо, що атмосферний тиск на рівні моря приблизно дорівнює 100 тисячам паскалів.

Для повноти зазначимо, що величини з одиницею вимірювання ньютон, помноженої на метр квадратний, у фізиці не існує.

Приклад завдання

Необхідно визначити, яку роботу здійснила сила тяжкості, якщо тіло впало з деякої висоти на поверхню землі за 5 секунд. Масу тіла прийняти рівною одному кілограму.

Силу тяжкості розрахувати можна за формулою:

Щоб визначити висоту, з якої тіло впало, слід скористатися формулою для рівноускореного переміщення без початкової швидкості:

h = g * t2 / 2 = 9,81 * 52 / 2 = 122,625 м

Щоб отримати роботу сили тяжкості, слід помножити величини F і h:

A = F * h = 9,81 * 122,625 ≅ 1203 Дж

Сила тяжкості зробила позитивну роботу приблизно 1200 ньютонів на метр, або 1,2 кілоджоуля.