Síla

Síla je fyzikální veličina, která vyjadřuje míru vzájemného působení těles nebo polí. Obvykle se značí písmenem F z anglického force. Její základní jednotkou v soustavě SI je newton se zkratkou N. Síla se měří siloměrem.

Vztah mezi sílou, hmotností a zrychlením je v klasické newtonovské fyzice a při použití jednotek SI: $F = ma$ , kde $F$ je síla v N, $m$ hmotnost v kg, a $a$ zrychlení v $\mathrm{ms}^{-2}$ . Tento vztah se nazývá druhým Newtonovým zákonem.

Gravitační síla je síla působící mezi dvěma tělesy v důsledku gravitace. V případě gravitačního působení Země na tělesa na jejím povrchu mluvíme o tíze, do které se započítává i odstředivá síla vznikající v důsledku otáčení Země kolem vlastní osy a další vlivy. Hmota 1 kg poblíž zemského povrchu je přitahována k Zemi tíhou zhruba 9,81 N ( $\pm$ 1% v závislosti zejména na zeměpisné šířce). Tudíž těleso o hmotnosti 102 g je přitahováno k Zemi silou zhruba 1 N. Stejně tak toto těleso díky třetímu Newtonovu zákonu přitahuje Zemi.

Lepší definice síly je $\mathbf{F}=\frac{\mathrm{d}\mathbf{p}}{\mathrm{d}t}$ , kde $\frac{\mathrm{d}\mathbf{p}}{\mathrm{d}t}$ je derivace hybnosti podle času. Tato definice pracuje s infinitezimálními (nekonečně malými) hodnotami, takže zahrnuje mnohem širší třídu jevů než jen konstantní působení na těleso o neměnné hmotnosti. Tato definice se může použít jak na silové působení světla (světlo může roztočit větrník), tak třeba při urychlování tělesa při rychlosti blízké rychlosti světla, kdy klasickou newtonovskou fyziku již nelze použít.

Korektní definice síly

Korektní fyzikální definice síly neexistuje. Už Newton si byl vědom toho, že ji nemůže najít. Vždy skončil v kruhu. I po něm se o definici snažilo mnoho fyziků, vždy neúspěšně. Obě dnešní stěžejní fyzikální teorie - kvantová teorie pole a obecná teorie relativity problém vyřešily po svém. Tento pojem vůbec nepotřebují. KTP řeší míru vzájemného působení pomocí počtu vyměněných intermediálních částic a OTR vzájemné působení nezavádí vůbec. Tělesa se vždy pohybují po nejpřímějších trajektoriích v zakřiveném časoprostoru.

Ačkoli v těchto teoriích pojem síly není potřeba, pro její velkou názornost se samozřejmě dají jak účinky intermediálních částic, tak zakřiveného prostoru vyjádřit v newtonech, toto nicméně není těmto teoriím vlastní.

Matematické zpracování

Skládání sil

Skládání sil je postup, kterým se z jednotlivých sil působících na těleso určí výsledná síla (výslednice). Účinek všech sil je pak stejný jako účinek výslednice.

Síly jsou vektorové veličiny - záleží na jejich velikostech a směrech. Při skládání sil působících na tuhé těleso může záležet i na místech, kde síly na těleso působí (na působištích), protože z různých působišť mohou vznikat různé otáčivé účinky sil na těleso.

Skládání sil stejného směru

Velikosti sil se sečtou, směr výslednice je stejný jako směr jednotlivých sil.

F = F₁ + F₂

Skládání sil opačného směru

Velikosti opačných sil se odečtou, výslednice má směr větší ze sil.

F = |F₁ - F₂|

Skládání sil různého směru

Výsledná síla vzniká vektorovým součtem, graficky se dá určit jako úhlopříčka v rovnoběžníku sil, tj. v takovém čtyřúhelníku, jehož dvě strany tvoří jednotlivé síly a zbývající strany jsou s těmito stranami rovnoběžné.

V případě kolmých sil platí pro velikost výslednice:

F = \sqrt{F_1^2 + F_2^2}

Skládání sil stejného směru působících v různých místech tuhého tělesa

Působiště výslednice leží mezi působišti sil F₁ a F₂ ve vzdálenosti r₂ od síly F₂:

r₂ = F₁ . r / (F₁ + F₂) , kde r je vzdálenost sil F₁ a F₂

Skládání sil opačného směru působících v různých místech tuhého tělesa

Působiště výslednice leží na přímce tvořené působišti za větší silou ve vzdálenosti r₂ od síly F₂:

r₂ = F₁ . r / (F₂ - F₁) , kde r je vzdálenost sil F₁ a F₂

Skládání sil různého směru působících v různých místech tuhého tělesa

Síly se posunou po vektorových přímkách do společného působiště, složí se a výslednice se posune po své vektorové přímce, tak aby její působiště leželo na spojnici původních působišť sil.

Rozklad sil

Rozklad sil je postup, kterým se síla rozkládá na jednotlivé složky, jejichž složením lze určit původní sílu.

Jsou-li známy směry, ve kterých mají složky působit, pak tyto směry tvoří směry stran rovnoběžníku sil, jehož úhlopříčkou je původní síla. Velikosti stran vzniklého rovnoběžníku představují velikosti složek.

Jsou-li známy velikost a směr první složky, pak druhou složku představuje vektor spojující koncové body vektorů první složky a původní síly (v uvedeném pořadí).

Rovnováha sil

Rovnováha sil je stav, kdy na těleso působí více sil, ale jejich výslednice je nulová, a výsledný moment sil vzniklý složením všech momentů sil je rovněž nulový.

Jestliže na těleso působí v jednom bodě dvě síly, nastane rovnováha v případě, že síly jsou stejně velké opačného směru.

Pro pohyb tělesa, u něhož jsou síly v rovnováze, platí 1. Newtonův pohybový zákon.

Těleso, u kterého jsou síly v rovnováze a které se nepohybuje (je v klidu), musí být v některé z rovnovážných poloh.

Jednotky síly v jiných soustavách jednotek

1 librová síla (lbt) = 4,448 22 N

Literatura

Feynman, Leighton, Sands: Feynmanovy přednášky z fyziky - 1. díl, 1. české vydání, nakladatelství Fragment, 2000, ISBN 80-7200-405-0.

Fyzikální veličiny