Уравновешенные и неуравновешенные силы

Вы будете часто слышать термины «уравновешенные силы» и «неуравновешенные силы», если будете иметь дело с физикой. И в этом видео я хочу показать вам ряд сценариев, чтобы вы решили, являются ли в них силы уравновешенными или нет. Итак, давайте начнём с примера, где на земле находится камень. Сила тяжести будет тянуть камень вниз, к центру Земли, в основном из-за веса камня, будет его тянуть вниз, допустим, с силой в 5 ньютонов. Итак, 5 ньютонов по направлению вниз. Но камень также и поддерживается землёй, которая не позволяет ему проваливаться вниз, обеспечивает силу, направленную вверх, или – в данной ситуации – нормальную силу. Обозначу землю зелёным цветом. В нашем случае земля обеспечивает нормальную силу в 5 ньютонов. Эти силы имеют одну и ту же модульную величину, но они противоположно направлены. Итак, это первый сценарий. Теперь давайте подумаем о другом сценарии. Я снова рисую камень. Допустим, что это тот же самый камень, сила тяжести по-прежнему направлена вниз и равна 5 ньютонов. И здесь по-прежнему есть нормальная сила, равная 5 ньютонам и направленная вверх. Теперь здесь есть некто, пытающийся сдвинуть камень, толкающий камень с силой, равной 2 ньютонам и направленной вправо. Но также есть и сила трения между камнем и землёй, которая равна -- изображу трение оранжевым – 2 ньютонам и направлена влево. Вот здесь есть сила трения, и она действует против силы, прилагаемой человеком. Теперь изобразим другой, опять же, очень похожий сценарий. Рисуем его, снова есть камень, возможно, тот же самый. А здесь есть сила в 5 ньютонов, направленная вниз, -- сила тяжести, как и в остальных сценариях. Есть нормальная сила, камень поддерживается землёй - 5 ньютонов в направлении вверх. И этот человек может толкать камень немного сильнее. Он толкает камень чуть сильнее, действительно старается. И теперь он толкает камень с силой в 3 ньютона вправо. А сила трения по-прежнему равна 2 ньютонам и направлена влево, вот здесь она изображена. Теперь давайте рассмотрим ещё пару сценариев. Представим, что это земля. И есть камень, но он не покоится на земле. И единственная сила, которая действует теперь – это сила тяжести, направленная вниз. Мы не будем подробно обсуждать.. Хотя вообще-то, давайте разберем подробнее.. Сила тяжести в 5 ньютонов, направленная вниз. Кроме того, есть и сопротивление воздуха, которое можно рассматривать как силу трения. Давайте допустим, что она равна 1 ньютону и направлена вверх. 1 ньютон вверх - сила трения, или сопротивление воздуха, так как камень «врезается» во все частицы воздуха, пока падает на землю. Затем я нарисую последний сценарий - снова камень, как мы уже привыкли. Последний сценарий, и вот это земля. Камень покоится на земле. Камень будет зелёным, или коричневым. Он лежит на земле. Есть сила тяжести, равная 5 ньютонам, направленная вниз, по направлению к центру Земли. Камень поддерживается землёй, 5 ньютонов вверх. И теперь человечек толкает камень очень сильно, очень старается его сдвинуть, прилагая силу, скажем, в 4 ньютона в этом направлении. Есть 2 ньютона силы трения. Пока не буду это рисовать. Также есть другой человечек, вот здесь, который старается помешать первому сдвинуть камень, толкая камень в противоположном направлении с силой 1 ньютон. И вот есть 2 ньютона силы трения, есть второй человечек, толкающий камень с силой 1 ньютон влево, против первого человечка. Если сложить силу второго человечка и силу трения, получается 3 ньютона в этом направлении. Сейчас подумайте, какой из сценариев имеет неуравновешенную силу? Или, если думать иначе, в каком из них есть результирующая сила? Давайте посмотрим на первый сценарий. 5 ньютонов силы тяжести, сила действует по направлению к центру Земли. Есть ещё 5 ньютонов нормальной силы, поддерживающей камень. Две силы имеют одинаковую модульную величину и противоположно направлены, поэтому они сокращаются, полностью уравновешивают друг друга. Здесь результирующая равна 0. И в горизонтальном измерении нет сил, как в других сценариях. Итак, результирующая равна 0. Силы уравновешиваются. Получается, мы не можем считать, что в этом сценарии есть уравновешенная сила. Перейдём ко второй схеме. Есть эти же 5 и 5 ньютонов, уравновешивающие друг друга. И ещё в горизонтальном направлении: человечек толкает камень вправо с силой 2 ньютона, и это также полностью уравновешивается силой трения в 2 ньютона, направленной влево. Так как силы уравновешивают друг друга, не будет результирующей, и камень вообще не будет ускоряться. Итак, в этом сценарии опять же все силы уравновешивают друг друга, и нет неуравновешенной или результирующей силы. На этой схеме, в вертикальном измерении силы опять же уравновешиваются. Нормальная сила на этой схеме уравновешивает силу тяжести, и камень не ускоряется, не падает в центр Земли. И есть две силы, взаимодействующие в горизонтальном измерении. Этот человечек толкает с силой, равной 3 ньютонам. Но теперь сила трения равна 2 ньютонам и направлена влево. Поэтому есть результирующая сила, направленная вправо. 3 ньютона вправо, 2 ньютона влево, и получается результирующая сила в 1 ньютон вправо. 1 ньютон вправо, как можно видеть на изображённом мной векторе. Итак, есть результирующая сила. Можно себе представить и по-другому: это сценарий, где есть неуравновешенные силы в горизонтальном измерении. Теперь давайте посмотрим ещё на эту схему. Есть только силы, как я их изобразил, действующие на вертикальном измерении. Сила тяжести – 5 ньютонов вниз. Есть также противодействующая сила сопротивления воздуха, 1 ньютон вверх. Но силы друг друга не уравновешивают полностью. Остаётся результирующая сила в 4 ньютона вниз. Тогда это случай, где есть неуравновешенная сила. Затем, наконец, здесь камень находится на поверхности Земли. Друг друга уравновешивают нормальная сила и сила тяжести. Но в горизонтальном измерении вот этот человечек толкает камень вправо, сильнее, 4 ньютона, больше, чем прилагается в противоположную сторону: 3 ньютона другого человечка и сила трения. Так что в этом случае есть результирующая сила, действующая вправо. Опять же, сила в 1 ньютон вправо, результирующая сила в 1 ньютон. И это сценарий, в котором есть результирующая сила.