Физика для любознательных. Том 1. Материя. Движение. Сила

Фиг. 172.

Действие и противодействие

Нить передает силу или натяжение без всяких изменений. Если прикрепить длинную нить к тележке и потянуть за свободный конец с силой 49 ньютон, то нить передает эту силу 49 ньютон и прикладывает ее к тележке (фиг. 173).

Фиг. 173. Силы, действующие на нить.

Вы тянете нить

с силой 49 ньютон вперед, а нить в это время тянет вас с силой 49 ньютон назад. Попробуйте проделать такой опыт, и вы убедитесь в этом. Эти две силы, приложенные в том месте, где вы взялись рукой за нить, называются «действием и противодействием». Мы будем считать не требующим доказательств, что обе эти силы при всех обстоятельствах равны и противоположно направлены (фиг. 174).

Фиг. 174.Действие и противодействие.

Невозможно натянуть нить, не испытав при этом силы со стороны нити. (Точно так же нельзя давить на стену или пол, не испытывая давления со стороны стены или пола. Нельзя ударить кого-нибудь кулаком по голове, не испытав ответного действия головы.) Там, где нить прикреплена к тележке, приложена еще одна пара «действие и противодействие». В этом месте нить тянет тележку вперед, а тележка тянет нить назад (фиг. 175).

Фиг. 175. Силы, действующие в противоположные стороны.

Силы действия и противодействия не уравновешивают друг друга, потому что они приложены к разным телам. Рукой вы создаете силу, действующую на нить в направлении вперед, а сила реакции нити действует только на вашу руку. Попробуйте это проделать и можете это почувствовать. В месте прикрепления нити к тележке на нить действует только сила со стороны тележки, направленная назад. Таким образом, нить растягивается силами, приложенными к обоим ее концам со стороны руки и тележки. К нити приложены только эти силы, и если они не уравновешиваются, то их результирующая будет сообщать нити ускорение. Применяя формулу F = M∙a к ничтожно малой массе тонкой нити, вы увидите, что результирующая сила должна быть пренебрежимо мала (фиг. 176). Поэтому силы, растягивающие нить за оба конца, должны уравновешиваться, даже если нить движется с ускорением. (Разумеется, если речь идет об ускоренном движении массивного каната, обе силы должны достаточно отличаться друг от друга, чтобы результирующая сила могла придать канату ускорение.)

Фиг. 176.Силы, действующие на «выделенную» нить.

_{Результирующая сила F1 — F2 = М}

∙а = (почти 0)∙(а) = практически 0 при очень легкой нити; следовательно, F1 и F2 равны.

Предположим, что силы действия и противодействия равны и противоположно направлены как у того конца нити, где вы держите ее рукой, так и в месте прикрепления нити к тележке. Значит, наша невесомая нить, растягиваемая одинаковыми силами, должна точно так же тянуть руку и тележку с одинаковыми силами, направленными к середине нити (фиг. 177). Иначе говоря, нить тянет тележку вперед с точно такой же силой, с какой она тянет вашу руку назад. Это возвращает нас к исходному утверждению, заключающемуся в том, что усилие целиком передается вдоль нити.

Фиг. 177.Нить тянет тележку и человека с одинаковыми по величине и противоположно направленными силами.

Натяжение

Мы называем это усилие, развиваемое нитью, натяжением. Таким образом, натяжение — это сила, действующая на каждом из концов нити, или усилие, которое развивает нить, если ее перерезать в любой точке и привязать к стене. Чтобы создать в нити натяжение 49 ньютон, подвесьте к ней груз 5 кг или, если нить расположена горизонтально, прикрепите груз 5 кг к одному концу нити, перекинув нить через блок (фиг. 178).

Фиг. 178.Натяжение.

Второй конец нити должен быть закреплен, или к нему тоже нужно прикрепить груз 5 кг, опять-таки воспользовавшись блоком. Натяжение в последнем случае по-прежнему будет 5 кГ (49 ньютон), а не вдвое больше, хотя нить растягивают два груза по 5 кг, прикрепленные к обоим ее концам[115]. Именно такую силу развивает нить, в каком бы месте вы ее ни перерезали; если разрезать нить и вставить между обоими кусками пружинный динамометр (фиг. 180) то показание динамометра будет равно именно этой силе.

Таинственная потеря натяжения: подробный разбор одной задачи

Предположим, что тележке, находящейся на горизонтальной поверхности стола, сообщается ускорение с помощью подвешенного груза, (фиг. 181).