Сила нормальной реакции и сила контактного взаимодействия

Допустим, есть большое замёрзшее озеро или пруд. Таким образом есть большая ледяная поверхность – я очень стараюсь нарисовать плоскость льда – и я помещаю на неё два ледяных блока. Я поставлю один блок вот так, здесь. И затем я ставлю другой блок вот сюда. Другой блок – вот сюда. Они идентичны. Они оба весят 5 кг. Давайте я это запишу. Итак, они оба весят 5 кг. Или, точнее, масса каждого блока равна 5 кг. Единственное различие между ними – это то, что относительно пруда вот этот блок неподвижен, а вот этот движется с постоянной скоростью перемещения. Постоянной скоростью перемещения вправо. Предположим, что его постоянная скорость перемещения равна 5 м/с. Я поставил блоки льда на ледяную поверхность, чтобы мы предположили, хотя бы и только в рамках этого видео, что силой трения можно пренебречь. Что же говорит нам первый закон движения Ньютона о чём-то, что не в движении, что имеет постоянную скорость перемещения, равную нулю, – или о чём-то, имеющем постоянную скорость перемещения? Первый закон Ньютона. Смотрите, они сохранят свои постоянные скорости перемещения или останутся неподвижными (что означает постоянную скорость перемещения, равную 0), если только здесь не найдётся некий дисбаланс, если только здесь не найдётся какой-либо результирующей силы, действующей на объект. Итак, теперь давайте посмотрим. В каждом из случаев здесь не должно быть никакой неуравновешенной силы, действующей на них, никакой результирующей силы. Но, если подумать, если мы предполагаем, что всё происходит на Земле, то здесь есть результирующая сила, действующая на оба блока. Оба находятся на поверхности Земли, и у них обоих есть масса, так что здесь будет сила притяжения, действующая на них и в направлении вниз. Здесь есть направленная вниз сила гравитации, воздействующая на оба ледяных блока. И сила гравитации, направленная вниз, будет равна гравитационному полю вблизи поверхности Земли умножить – и это векторная величина— умножить на массу объекта. Итак, умножить на 5 кг. Получается 9,8 м/с^2, умножаем на 5. Получаем 49 килограмм умножить на метры поделить на секунду в квадрате, что то же самое, что 49 ньютонов. Итак, здесь возникает в некотором роде парадокс. Первый закон Ньютона говорит, что объект, находящийся в покое, останется в покое, или объект, находящийся в движении, останется в движении, если нет некой неуравновешенной либо результирующей силы. Основываясь на том, что мы изобразили здесь, можно предположить, что здесь есть некая результирующая сила. Всё выглядит так, что есть 49 ньютонов силы, тянущей этот предмет вниз. Но вы можете сказать, нет, нет, Сэл, очевидно, что этот предмет не будет ускоряться вниз, потому что есть лёд. Предмет покоится на большом количестве замёрзшей воды. И я вам отвечу, что раз вы так говорите, то что же это за результирующая сила, которая уравновешивает силу гравитации и не позволяет обоим ледяным блокам падать вниз к центру Земли, переходить в состояние свободного падения, ускоряясь по направлению к центру Земли? Вы скажете, что если эти предметы падали бы, не будь здесь льда, то, должно быть, лёд обеспечивает уравновешивающую силу. Вы совершенно правы. Лёд обеспечивает уравновешивающую силу в противоположном направлении. Итак, равная «результирующей силе» величина у этой силы, и она противоположна по направлению. И если сила гравитации, действующая на каждый из ледяных блоков, равна 49 ньютонов в направлении вниз, то она полностью уравновешивается силой, действующей на блоки в направлении вверх. И это будет сила равная 49 ньютонам в направлении вверх в каждом из двух случаев. Теперь, надеюсь, понятно, что первый закон Ньютона всё равно действует. Нет результирующей силы в направлении вверх, и вообще нет результирующей силы ни в одном из двух направлений. Вот почему у этого блока скорость перемещения равна 0 в горизонтальном направлении. У этого блока постоянная скорость перемещения в горизонтальном направлении. И ни один из блоков не ускоряется в вертикальном направлении. Так как сила льда действует на блок, лёд поддерживает блок, и это полностью уравновешивает гравитацию. И эта сила, в данном примере, называется нормальной силой. Это нормальная сила – она равна 49 ньютонам в направлении вверх. Вот это – нормальная сила. Мы поговорим о нормальной силе больше в будущих видео. Нормальная сила – это сила, которая, когда некий предмет покоится на любой поверхности, является перпендикулярной к этой поверхности. И это определение пригодится, когда мы начнём думать про силу трения. Как мы увидим в будущих видео, если у вас есть что-то на наклонной плоскости, допустим, блок на вот такой наклонной плоскости, нормальная сила, вы могли бы сказать, вот этот клин на блоке, будет перпендикулярной к плоскости. И если подумать о том, что здесь происходит, то это в основе своей электромагнитная сила. Потому что если бы вы увеличили изображение до молекул льда вот тут, или – ещё лучше – до атомов льда вот тут – и если бы вы увеличили изображение до атомов и молекул льда вот здесь, что то, что спасает блок льда от падения вниз – это потому, что для того, чтобы блок упал его молекулы должны как бы сжаться и, я думаю, сблизиться друг к другу, молекулы воды или отдельные атомы вот тут во льду. И атомы – давайте нарисую это на атомарном уровне, вот тут. Итак, нарисую одну из молекул отсюда. И есть один атом кислорода с двумя атомами водорода, из них получается большая решёточная структура. Об этом больше говорится в серии видео по химии. Давайте порассуждаем о льде как об одной из молекул. Возможно, это выглядит вот так – два атома водорода – и что удерживает их от сжатия, что удерживает ледяной блок от падения вниз, – это отталкивание между электронами в этой молекуле. Так что на макроуровне мы рассматриваем это как случай контактной силы. Но на микроскопическом уровне, на уровне атомов действует всего лишь электромагнитное отталкивание.