Wokół nas działa mnóstwo różnych sił. Na szczęście można je uporządkować. Inaczej można by się było pogubić. Zacznijmy więc od klasyfikacji.

1. Jakie znasz rodzaje sił?

Uwaga! To oczywiście nie są wszystkie rodzaje sił, jakie istnieją.

2. Co powinieneś wiedzieć o sile przyciągania ziemskiego?

Powinieneś wiedzieć to, co wiedział Galileusz: wszystkie ciała, na które działa tylko siła ciężkości, spadają z takim samym przyspieszeniem. Na naszej szerokości geograficznej przyspieszenie to wynosi g = 9,81 m/s2.

Siła, jak wiesz, jest iloczynem masy i przyspieszenia. Zatem siła, z jaką Ziemia przyciąga dowolne ciało, jest równa iloczynowi masy tegoż ciała i przyspieszenia ziemskiego.

P = m · g

Siła ciężkości jest czasem (niezbyt prawidłowo) nazywana ciężarem.

3. Co warto wiedzieć o siłach reakcji?

Kiedy się ciała stykają, działają na siebie siłami. Na szklankę stojącą na stole działa siła ciężkości – to oczywiste. Czy jest to jedyna siła? Gdyby tak było, to szklanka spadłaby, przenikając przez stół. Wiesz, że tak się nie dzieje. Musi istnieć siła, która będzie równoważyć siłę ciężkości. Tą siłą jest siła reakcji stołu, działająca wtedy, gdy szklanka styka się ze stołem, i znikająca, gdy ciała przestają się stykać. Siła ta jest zawsze prostopadła do podłoża, na którym się ciało znajduje.

4. Co warto wiedzieć o siłach tarcia?

Przede wszystkim to, że są dwa rodzaje siły tarcia: tarcie statyczne i tarcie kinetyczne. Czym się one różnią?

I. Siła tarcia statycznego pojawia się, gdy siła działająca na jakieś spoczywające względem podłoża ciało usiłuje je poruszyć.

Przykład:
Usiłujesz przesunąć ciężką szafę. Popychasz ją, czyli działasz pewną siłą, a tu nic. Szafa ani drgnie. O czym to świadczy? O tym, że oprócz Twojej siły działa jeszcze jedna, która przeciwstawia się Twojej sile, równoważy ją. Tą siłą jest tarcie statyczne. Jeśli zwiększysz siłę, z jaką działasz na szafę, zwiększy się również tarcie statyczne i z przesunięcia szafy nadal nici. Na szczęście zwiększanie się tarcia statycznego ma swój kres. Inaczej nigdy nie przesunąłbyś szafy. Tarcie statyczne ma maksymalną w danych warunkach wartość, która zależy od ciężaru szafy i od tego, jak gładka jest podłoga i nóżki szafy. Jeśli Twoja siła tę maksymalną wartość przekroczy – szafa się przesunie.

II. Drugi rodzaj siły tarcia to tarcie kinetyczne. Jak sama nazwa wskazuje, siła ta pojawia się, gdy trące o siebie ciała są w ruchu.

Przykład:
Gdy popchniesz książkę po stole, przez jakiś czas będzie się ona przesuwać, lecz w końcu jej ruch ustanie. Znaczy to, że na książkę działa jakaś siła skierowana przeciwnie do wektora prędkości, która jest odpowiedzialna za jej opóźniony ruch. Ta siła to właśnie tarcie kinetyczne.

Od czego zależy to tarcie?
Od tego, jak bardzo ciało jest dociskane do podłoża, po którym się porusza, oraz od stopnia wygładzenia obydwu trących powierzchni. Można to ująć w postaci wzoru:

siła tarcia = współczynnik tarcia · siła nacisku ciała na podłoże

Współczynnik tarcia mówi nam, jak gładkie są trące powierzchnie. Mała jego wartość oznacza powierzchnie wygładzone (np. łyżwy o lód), duża – to duże tarcie (guma o beton).

5. Jak poprawnie wykorzystywać drugą zasadę dynamiki?

Najczęściej druga zasada dynamiki służy nam po to, by wyznaczyć przyspieszenie ciała, na które działają jakieś siły. By wyszła nam poprawna wartość przyspieszenia, musimy spełnić kilka warunków.

  • Znaleźć wszystkie siły działające na rozpatrywane ciało. Nie zawsze jest to łatwe (przykład w następnym punkcie). Pamiętajmy, że źródłem siły jest zawsze realnie istniejące ciało. Musimy zatem uświadomić sobie, jakie ciała mamy w otoczeniu rozpatrywanego i źródłem jakich sił mogą one być.
  • Poprawnie znaleźć siłę wypadkową, czyli wektorową sumę wszystkich sił.
  • Skorzystać z drugiej zasady dynamiki, by obliczyć przyspieszenie.

6. Jakie siły działają na paczkę ześlizgującą się po pochyłej desce?

Po pierwsze: zastanówmy się, jakie ciała mamy w otoczeniu naszej paczki. To proste: deska i Ziemia. Tylko te dwa ciała mogą działać na paczkę siłami. Jest oczywiste, że Ziemia działa siłą ciężkości. Jest ona skierowana pionowo w dół. Oznaczmy ją na czerwono. Paczka naciska na deskę, więc deska też działa pewną siłą na paczkę (to z III zasady dynamiki). To siła reakcji deski. Jak pamiętasz, jest ona prostopadła do deski. Oznaczyłem ją kolorem niebieskim. Deska zapewne nie jest gładka. Działa więc siła tarcia. Paczka jest w ruchu, jest to więc siła tarcia kinetycznego. Wektor tej siły jest zielony. Więcej ciał w otoczeniu paczki nie ma, zatem to są już wszystkie siły.

7. Co to jest pęd?

Bez zbytecznych wstępów: pęd to iloczyn masy i prędkości ciała. Zapiszmy to w postaci wzoru.

Zwróciłeś pewnie uwagę, że pęd jest wielkością wektorową. Jest skierowany dokładnie tak jak wektor prędkości. Skoro jest wektorem, to żeby znaleźć wektor pędu układu ciał (na przykład odłamków rozerwanego granatu – ale ciała układu nie muszą być ze sobą tak związane), trzeba mieć pędy poszczególnych ciał i dodać je wektorowo.

Jednostką pędu jest

8. Jak sformułować zasadę zachowania pędu?

Jeśli na układ ciał nie działa żadna siła zewnętrzna, to całkowity pęd tego układu (czyli wektorowa suma pędów poszczególnych ciał) pozostaje stały, nie zmienia się w czasie.
Oznacza to między innymi, że jeśli zmieni się pęd jednego z ciał, to pęd innych musi tak się zmienić, żeby całkowity pęd pozostał niezmieniony.

Przykład zastosowania
Na sanki o masie m = 10 kg wskakuje Kasia o masie M = 40 kg z szybkością v = 5 m/s. Z jaką szybkością odjadą sanki wraz z Kasią tuż po jej skoku?

Pęd układu sanki–Kasia jest taki sam przed skokiem i po skoku, bo siły działające między Kasią i sankami są wewnętrzne w tym układzie (albo inaczej: nie są zewnętrzne).
Pęd początkowy składa się z pędu Kasi i pędu sanek.

Pęd początkowy = 200. Pęd końcowy musi być taki sam. Jest to pęd Kasi i sanek. Te dwa ciała poruszają się teraz ze wspólną prędkością.

Pęd końcowy = (M + m) · V

V to wspólna szybkość Kasi i sanek po skoku. Tej szybkości szukamy.