§ 35. Уравновешивающиеся силы. О покое тела и о движении по инерции.

Если на тело действует только одна сила, то оно обязательно получает ускорение. Но если на тело действует не одна, а две или большее число сил, то иногда может оказаться, что тело ускорения не получит, т. е. либо останется в покое, либо будет двигаться равномерно и прямолинейно. В таких случаях говорят, что все силы взаимно уравновешиваются и что каждая из них уравновешивает все остальные, или что их равнодействующая равна нулю (§ 39).

Простейшим является случай, когда на тело действуют две уравновешивающие друг друга силы: при их совместном действии тело не получает ускорения. Такие силы, как показывает опыт, действуя на тело каждая в отдельности, сообщили бы ему равные ускорения, направленные противоположно. Действуя совместно на какое-нибудь другое тело, эти силы снова взаимно уравновесились бы, а действуя в отдельности, сообщили бы ему ускорения другие, но также равные друг другу по модулю и направленные противоположно. Поэтому уравновешивающиеся силы считают равными по модулю и противоположными по направлению. Например, на гирю, подвешенную на пружине, действует сила тяжести (вниз) и равная ей сила упругости пружины (вверх), уравновешивающие друг друга.

Итак, если ускорение тела равно нулю, это значит, что либо на него не действуют силы, либо равнодействующая всех сил, действующих на тело, равна нулю: все силы взаимно уравновешиваются.

Здесь надо иметь в виду следующее. Среди сил, действующих на равномерно и прямолинейно движущиеся тела, обычно есть силы, действующие в направлении движения, которые мы создаем намеренно, например сила тяги двигателя самолета или сила мускулов человека, везущего сайки. Часто говорят даже: «самолет летит, так как на него действует сила тяги двигателя», «санки скользят, так как на них действует усилие тянущего человека», и т. д. При этом, однако, зачастую упускают из виду силы, направленные противоположно движению: сопротивление воздуха для летящего самолета, трение полозьев о снег для санок и т. д. Для равномерности и прямолинейности движения необходимо, чтобы намеренно созданные силы как раз уравновешивали силы сопротивления. В предыдущих параграфах, говоря о движении по инерции или о покое тел, мы рассматривали именно такие случаи; например, при качении шарика по стеклу сила тяжести уравновешивалась силой упругости стекла.

Причина того, что силы сопротивления часто ускользают от внимания учащихся в противоположность бросающимся в глаза «движущим» силам, заключается в следующем. Чтобы создать силу тяги, на самолет нужно поставить двигатель, сжигать в нем бензин; чтобы двигать санки, нужно тянуть за веревку, утомлять свои мускулы. В то же время силы сопротивления возникают, так сказать, «бесплатно», благодаря лишь наличию движения. Для их возникновения при движении тела не нужно ни моторов, ни мускульных усилий; их источник либо в невидимом воздухе, либо в частицах снега, соприкасающихся с полозьями. Чтобы обратить на эти силы внимание, их нужно еще обнаружить, в то время как «движущие» силы — предмет нашей специальной заботы и затрат усилий и материалов.

До исследований Галилея считалось, что если на тело будет действовать одна сила, то оно будет двигаться равномерно в направлении этой силы; здесь, конечно, упускалась из виду сила трения. Действие силы, направленной вперед, действительно необходимо для равномерности движения, но именно для того, чтобы уравновешивать силу трения.

Тело движется без ускорения как в случае, когда на него не действуют никакие силы, так и в случае, когда действующие силы уравновешивают друг друга. Однако принято говорить, что тело движется «по инерции» только в том случае, если в направлении движения силы отсутствуют: силы, направленной вперед, нет, а силой трения или сопротивления среды можно пренебречь.

Для лучшего уяснения сказанного рассмотрим еще, как возникает из состояния покоя равномерное прямолинейное движение. Возьмем для примера электровоз, везущий поезд. В первый момент, когда двигатель включен, но поезд еще не тронулся, сила тяги электровоза, действующая через сцепку на состав, уже велика и превосходит силу трения колес вагонов о рельсы (как возникает сама сила тяги, будет объяснено в § 66). Поэтому поезд начинает двигаться вперед с ускорением. По мере увеличения скорости силы сопротивления (трение колес и сопротивление воздуха) растут, но, пока они остаются меньше силы тяги, скорость поезда продолжает расти. При дальнейшем увеличении скорости избыток силы тяги по сравнению с силами сопротивления будет делаться все меньше и меньше, и наконец эти силы сравняются друг с другом. Тогда исчезнет и ускорение: дальнейшее движение будет равномерным.

Если увеличить силу тяги, то равновесие сил нарушится, поезд снова получит ускорение вперед. Скорость снова будет расти, пока возрастающее с увеличением скорости сопротивление не уравновесит новую, увеличенную силу тяги. Обратно, если уменьшить силу тяги, то равновесие сил снова нарушится, поезд получит отрицательное ускорение (так как теперь сила сопротивления будет больше силы тяги электровоза) и будет замедлять свое движение. Но при этом будет уменьшаться и сила сопротивления, и, когда она сравняется с уменьшенной силой тяги, движение снова станет равномерным, но уже при меньшей скорости. Наконец, при выключении тяги скорость поезда будет непрерывно убывать вследствие продолжающегося действия сил сопротивления, пока поезд не остановится.