Единица силы

Единица измерения силы

Одним из основных законов классической динамики является второй закон Ньютона. Он содержит две величины, которые нельзя выразить только при помощи кинематических величин. Этими величинами являются сила и масса. Данные величины равноправны. Каждую из них можно считать основной как силу, так и массу. Избрав для единицы одной из них эталон, получают единицу для другой, применяя второй закон Ньютона. Так можно получить две разные системы единиц, в одной из них (метрической) основными единицами служат единицы массы, а единицы силы считаются производными. Причиной выбора единиц массы как основным в первую очередь служит то, что для массы проще создать эталон.

Ньютон – единица измерения силы в системе СИ

На сегодняшний момент в физике используют Международную систему единиц (СИ) в которой ньютон – единица измерения силы. Один ньютон (1Н) – это сила, сообщающая телу, имеющему массу в 1 килограмм, ускорение равное 1 метру, деленному на секунду в квадрате в направлении действия силы:

Ньютон является производной единицей в СИ.

Первоначально единицу силы как сформулировано выше приняли для системы единиц МКС (метр-килограмм-секунда) в 1946 г. Немного позднее единицу силы назвали ньютоном (в 1948 г). В системе СИ ньютон – единица измерения силы с 1960 года. Очевидно, что свое имя единица силы получила в честь английского ученого И. Ньютона, основателя классической динамики. Ньютон в своих разработках не использовал единиц измерения силы, рассматривая ее как абстракцию.

При вычислениях часто используют кратные и дольные единицы силы, применяя стандартные приставки системы СИ, например: $1кН=<10>^3Н;; 1нН=<10>^<-9>Н;; 1МН=<10>^6Н.$

Единицы измерения силы в других системах единиц

Долгое время, и иногда сейчас, в физике используют систему единиц, называемую СГС. В этой системе единицей длины является сантиметр (см), единицей массы – грамм (г), единицей времени стала секунда (с). В системе СГС единицей силы является дина (дин). Одна дина – это сила, сообщающая телу массой 1 г ускорение, равное 1$frac<см><с^2>$. Дина является очень маленькой единицей силы. Ньютон и дина соотносятся как:

В технических расчетах используют еще одну единицу измерения силы, которую называют килограмм – сила (кгс). 1 кгс – это сила, с которой Земля действует на эталонную массу в один килограмм, притягивая ее.

[1Нapprox 0,10197162 кгс.]

В России килограмм-сила используется как внесистемная единица измерения силы, ее рекомендуют использовать там, где численные значения силы невозможно или нерационально выражать в СИ.

Примеры задач с решением

Задание. Тело падает на Землю с высоты $h$. Масса тела равна $m$. Удар длится время $Delta t$. Какова средняя сила удара тела о Землю ($leftlangle Frightrangle $)? Считайте, что все величины заданы в единицах системы СИ, проверьте, в чем будет измеряться сила.

Решение. Сделаем рисунок.

Тело падает на Землю, так как на него действует сила тяжести. За основу решения задачи примем уравнение движения материальной точки (второй закон Ньютона) в виде:

[leftlangle Frightrangle =fracleft(1.1right),]

где $Delta p=mv-0$ – изменение импульса тела. При движении тела с некоторой высоты, если не учитывать сопротивление воздуха, можно считать, что потенциальная энергия тела, поднятого над Землей, переходит в кинетическую энергию:

Из формулы (1.2) выразим скорость, с которой тело подлетает к поверхности Земли:

Найдем модуль силы удара используя выражения (1.1) и (1.3):$ $

Подставим единицы измерения величин в правую часть полученного выражения:

Ответ. $leftlangle Frightrangle =frac>.$ Полученная формула показывает, что ньютон – единица измерения силы.

Задание. Какова сила притяжения двух одинаковых шаров массы которых по одному килограмму, если их центры находятся на расстоянии 1 м?

Решение. Для шаров закон гравитации можно записать в виде:

где $gamma =6,67cdot <10>^<-11>frac<м^3><с^2кг>$ – гравитационная постоянная; $m_1<=m>_2=m$ – массы тел; $r$ – расстояние между центрами шаров.

Ответ. $F=6,67cdot <10>^<-11>Н$

Что такое единица измерения силы?

Чаще всего единица измерения силы обозначается как ньютон (Большая буква N) в метрической системе или системе СИ. Ньютон находит применение в различных научных измерениях. Есть и другие единицы измерения силы, которые используются не так часто. Ниже они рассмотрены.

Ньютон

Единицей измерения силы в Международной системе единиц (СИ) является ньютон. Он назван в честь Исаака Ньютона, в знак признания его работ по классической механике, в частности, по второму закону движения Ньютона.

Один ньютон — это сила, необходимая для ускорения одного килограмма массы со скоростью один метр в секунду в квадрате в направлении приложенной силы.

Как появилась эта единица?

В 1946 году в Резолюции 2 Конфедерации женских изобразительных искусств (CGPM) были стандартизированы единицы измерения физической величины силы в системе единиц MKS, которая должна была стать величиной, необходимой для ускорения 1 кг массы со скоростью 1 м в секунду в квадрате.

Читать еще: Что посмотреть в Челябинске

В 1948 году 9-я Резолюция CGPM 7 приняла название ньютона для этой силы. Система MKS стала основой современной системой единиц СИ. Таким образом, ньютон стал стандартной единицей силы в SI или Международной системе единиц.

Эта единица СИ названа в честь Исаака Ньютона. Как и для каждой единицы измерения силы в Международной системы СИ, названной в честь человека, первая буква его символа — верхний регистр (N). Однако, когда единица СИ пишется на английском языке, она рассматривается как обычное существительное и всегда должна начинаться с буквы нижнего регистра (ньютон), за исключением ситуации, когда любое слово в этой позиции будет написано с большой буквы, например, в начале предложения или в материале с использованием заголовков.

Второй закон Ньютона утверждает, что Р = ma, где P представляет собой усилие, m — это масса объекта, получающего силу, a — ускорение объекта.

Н = 1 кг ⋅ 1 м / с 2

Примеры использования

При средней гравитации на Земле (условно, g = 9,806 65 м / с 2 ) масса 1 килограмма оказывает силу около 9,8 ньютона. Яблоко среднего размера предполагает около одного ньютона силы, которую мы измеряем как вес яблока.

1 N = 0,10197 кг × 9,80665 м / с 2 (0,101 97 кг = 101,97 г)

Вес среднего взрослого человека прилагает силу около 608 Н.

608 N = 62 кг × 9,80665 м / с 2 (где 62 кг — средняя масса взрослого человека в мире)

Еще одна единица

Помимо ньютона, в СИ существует и более большая физическая единица измерения силы — килоньютон (кН). Он равняется 1000 Н. Например, тяговое усилие от класса Y в паровозе локомотива и тяга из F100 истребителя реактивного двигателя — оба около 130 кН.

Один килоньютон составляет 102,0 kgf или около 100 кг нагрузки.

1 кН=102 кг × 9,81 м / с 2

Так, например, платформа, которая показывает его, оценивается в 321 кН (72000 фунтов F ), будет надежно поддерживать 32,100 кг (70800 фунтов) нагрузки. Эта единица используется в следующих спецификациях безопасности:

удерживающие ценности крепежа, якоря земли и других предметов, используемых в строительной промышленности;
рабочие нагрузки на растяжение и на сдвиг;
оборудование для скалолазания;
тяги в ракетных двигателей и ракет-носителей;
усилие зажима различных форм в литьевых машинах, используемых для изготовления пластиковых деталей.

Джоуль

Джоуль (символ J), является производной единицей измерения силы тока в Международной системе единиц. Она равна энергии, передаваемой (или выполняемой при работе) объекту, когда сила одного ньютона воздействует в направлении движения на расстоянии одного метра (1 ньютон-метр или Н⋅м).

Это также энергия, рассеиваемая в виде тепла, когда электрический ток в один ампер проходит через сопротивление в 1 Ом/на одну секунду. Он назван в честь английского физика Джеймса Прескотта Джоуля (1818–1889).

В терминах сначала базовых единиц СИ, а затем в терминах других единиц СИ стоит представить: J = kg⋅m 2 /s 2 = N⋅m = Pa⋅m 3 = W⋅s = C⋅V, где:

kg — килограмм;
m — метр;
s — секунда;
N — ньютон;
Pa — паскаль;
W — ватт;
C — кулон;
V — вольт.

Один джоуль может быть определен следующим образом:

Работа требовала перемещения электрического заряда одного кулона через разность электрических потенциалов в один вольт или один кулон-вольт (C⋅V). Это отношение может быть использовано для определения вольт.
Работа требовала производства одного ватта мощности в течение одной секунды или одной ватт-секунды (W⋅s) (сравните киловатт-час — 3,6 мегаджоуля). Это отношение может быть использовано для определения ватта.

Повседневный Джоуль

Единица измерения величины силы в повседневной жизни — это:

Энергия, необходимая для поднятия томата среднего размера на 1 метр (3 фута 3 дюйма). Предположим, масса помидора составляет приблизительно 100 г (3,5 унции).
Энергия, выделяемая, когда тот же помидор падает на метр вниз.
Энергия, необходимая для ускорения массы 1 кг за 1 м с -2 на расстояние 1 м.
Тепло, необходимое для повышения температуры 1 г воды на 0,24 ° С.
Обычная энергия, выделяемая человеком в состоянии покоя, каждые 1/60 с (приблизительно 17 мс).
Кинетическая энергия от 50 кг человек (0,2 м / с или 0,72 км / ч).
Кинетическая энергия теннисного мяча 56 г, движущегося со скоростью 6 м / с (22 км / ч).
Кинетическая энергия объекта с массой 1 кг движется при√2 ≈ 1,4 м / с.
Количество электричества, необходимое для освещения 1 Вт светодиода в течение 1 с.

Читать еще: Как приготовить укропную водичку для новорожденного

Так как джоуль также является ватт-секундой, а общая единица продажи электроэнергии домам — это кВт-ч (киловатт-час), то кВт-ч, таким образом, составляет 1000 Вт × 3600 с = 3,6 МДж (мегаджоуля).

Остальные единицы измерения

Какие единицы измерения силы существуют, помимо ньютона?

Дина — это сила, необходимая для того, чтобы сдвинуть массу 1 г с ускорением 1 сантиметра в секунду в секунду (1 см / с 2 ). 1 N = 100 000 дин. Используется при работе с мелкими объектами.

Фут — это усилие, необходимое, чтобы дать массу 1 фунт (1 фунт) с ускорением 1 фута в секунду в секунду (1 фут / с 2 ); 1 фунт равен 0,1382 ньютона.

Фунт — это сила, действующая на массу 1 фунт (1 фунт) с ускорением под действием силы тяжести. Это нетехническая единица силы, которая также называется весом.

Пересчетные коэффициенты

Чтобы выполнить задачу: “запишите единицы измерения силы” — нужно ознакомиться со следующими таблицами.

Единицы силы. Динамометр

Этот видеоурок доступен по абонементу

У вас уже есть абонемент? Войти

Нам уже известно, что для описания взаимодействия тел используется физическая величина, называемая силой. На этом уроке мы подробнее познакомимся со свойствами этой величины, единицами силы и прибором, который используется для ее измерения – с динамометром.

Введение

Тема: Взаимодействие тел

Урок: Единицы силы. Динамометр

1. Сила и единицы ее измерения

Прежде всего, вспомним, что такое сила. Когда на тело действует другое тело, физики говорят, что со стороны другого тела на данное тело действует сила.

Сила – это физическая величина, характеризующая действие одного тела на другое.

Сила обозначается латинской буквой F, а единица силы в честь английского физика Исаака Ньютона называется ньютоном (пишем с маленькой буквы!) и обозначается Н (пишем заглавную букву, так как единица названа в честь ученого). Итак,

Наравне с ньютоном, используются кратные и дольные единицы силы:

килоньютон 1 кН = 1000 Н;

меганьютон 1 МН = 1000000 Н;

миллиньютон 1 мН = 0,001 Н;

микроньютон 1 мкН = 0,000001 Н и т. д.

Под действием силы скорость тела изменяется. Другими словами, тело начинает двигаться не равномерно, а ускоренно. Точнее, равноускоренно: за равные промежутки времени скорость тела меняется одинаково. Именно изменение скорости тела под действием силы физики используют для определения единицы силы в 1 Н.

Единицы измерения новых физических величин выражают через так называемые основные единицы – единицы массы, длины, времени. В системе СИ – это килограмм, метр и секунда.

Пусть под действием некоторой силы скорость тела массой 1 кг изменяет свою скорость на 1 м/с за каждую секунду. Именно такая сила и принимается за 1 ньютон.

Один ньютон (1 Н) – это сила, под действием которой тело массой 1 кг изменяет свою скорость на 1 м/с каждую секунду.

2.Сила тяжести и масса тела

Экспериментально установлено, что сила тяжести, действующая вблизи поверхности Земли на тело массой 102 г, равна 1 Н. Масса 102 г составляет приблизительно 1/10 кг, или, если быть более точным,

Но это означает, что на тело массой 1 кг, то есть на тело в 9,8 раз большей массы, у поверхности Земли будет действовать сила тяжести 9,8 Н. Таким образом, чтобы найти силу тяжести, действующую на тело любой массы, нужно значение массы (в кг) умножить на коэффициент, который принято обозначать буквой g:

Мы видим, что этот коэффициент численно равен силе тяжести, которая действует на тело массой 1 кг. Он носит название ускорение свободного падения. Происхождение названия тесно связано с определением силы в 1 ньютон. Ведь если на тело массой 1 кг действует сила не 1 Н, а 9,8 Н, то под действием этой силы тело будет изменять свою скорость (ускоряться) не на 1 м/с, а на 9,8 м/с каждую секунду. В старшей школе этот вопрос будет рассмотрен более подробно.

Теперь можно записать формулу, позволяющую рассчитать силу тяжести, действующую на тело произвольной массы m(Рис. 1).

Рис. 1. Формула для расчета силы тяжести

Следует знать, что ускорение свободного падения равно 9,8 Н/кг только у поверхности Земли и с высотой уменьшается. Например, на высоте 6400 км над Землей оно меньше в 4 раза. Однако при решении задач этой зависимостью мы будем пренебрегать. Кроме того, на Луне и других небесных телах также действует сила тяжести, и на каждом небесном теле ускорение свободного падения имеет свое значение.

3. Измерение силы. Динамометр

На практике часто приходится измерять силу. Для этого используется устройство, которое называется динамометр. Основой динамометра является пружина, к которой прикладывают измеряемую силу. Каждый динамометр, помимо пружины, имеет шкалу, на которую нанесены значения силы. Один из концов пружины снабжен стрелкой, которая указывает на шкале, какая сила приложена к динамометру (Рис. 2).

Читать еще: Что думают иностранцы о русских девушках

Рис. 2. Устройство динамометра

В зависимости от упругих свойств пружины, использованной в динамометре (от ее жесткости), под действием одной и той же силы пружина может удлиняться больше или меньше. Это позволяет изготавливать динамометры с различными пределами измерения (Рис. 3).

Рис. 3. Динамометры с пределами измерения 2 Н и 1 Н

Существуют динамометры с пределом измерения в несколько килоньютонов и больше. В них используется пружина с очень большой жесткостью (Рис. 4).

Рис. 4. Динамометр с пределом измерения 2 кН

Если подвесить к динамометру груз, то по показаниям динамометра можно определить массу груза. Например, если динамометр с подвешенным к нему грузом показывает силу 1 Н, значит, масса груза равна 102 г.

4. Сила – векторная величина

Обратим внимание на то, что сила имеет не только численное значение, но и направление. Такие величины называют векторными. Например, скорость – это векторная величина. Сила – также векторная величина (говорят еще, что сила – вектор).

Рассмотрим следующий пример:

Тело массой 2 кг подвешено на пружине. Необходимо изобразить силу тяжести, с которой Земля притягивает это тело, и вес тела.

Вспомним, что сила тяжести действует на тело, а вес – это сила, с которой тело действует на подвес. Если подвес неподвижен, то численное значение и направление веса такие же, как у силы тяжести. Вес, как и сила тяжести, рассчитываются по формуле, изображенной на рис. 1. Массу 2 кг необходимо умножить на ускорение свободного падения 9,8 Н/кг. При не слишком точных расчетах часто ускорение свободного падения принимают равным 10 Н/кг. Тогда сила тяжести и вес приблизительно будут равны 20 Н.

Для изображения векторов силы тяжести и веса на рисунке необходимо выбрать и показать на рисунке масштаб в виде отрезка, соответствующего определенному значению силы (например, 10 Н).

Тело на рисунке изобразим в виде шара. Точка приложения силы тяжести – центр этого шара. Силу изобразим в виде стрелки, начало которой расположено в точке приложения силы. Стрелку направим вертикально вниз, так как сила тяжести направлена к центру Земли. Длина стрелки, в соответствии с выбранным масштабом, равна двум отрезкам. Рядом со стрелкой изображаем букву , которой обозначается сила тяжести. Так как на чертеже мы указали направление силы, то над буквой ставится маленькая стрелка, чтобы подчеркнуть, что мы изображаем векторную величину.

Поскольку вес тела приложен к подвесу, начало стрелки, изображающей вес, помещаем в нижней части подвеса. При изображении также соблюдаем масштаб. Рядом помещаем букву , обозначающую вес, не забывая над буквой поместить небольшую стрелку.

Полное решение задачи будет выглядеть так (Рис. 5).

Рис. 5. Оформленное решение задачи

5. Три характеристики силы

Еще раз обратите внимание на то, что в рассмотренной выше задаче численные значения и направления силы тяжести и веса оказались одинаковыми, а точки приложения – различными.

При расчете и изображении любой силы необходимо учитывать три фактора:

· численное значение (модуль) силы;

· точку приложения силы.

6. Краткие итоги

Сила – физическая величина, описывающая действие одного тела на другое. Обычно она обозначается буквой F. Единица измерения силы – ньютон. Для того чтобы рассчитать значение силы тяжести, необходимо знать ускорение свободного падения, которое у поверхности Земли составляет 9,8 Н/кг. С такой силой Земля притягивает к себе тело массой 1 кг. При изображении силы необходимо учитывать ее числовое значение, направление и точку приложения.

Список литературы

Перышкин А. В. Физика. 7 кл. – 14-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2010.
Перышкин А. В. Сборник задач по физике, 7–9 кл.: 5-е изд., стереотип. – М: Издательство «Экзамен», 2010.
Лукашик В. И., Иванова Е. В. Сборник задач по физике для 7–9 классов общеобразовательных учреждений. – 17-е изд. – М.: Просвещение, 2004.

Дополнительные ссылки на ресурсы сети Интернет