§ 36. Сила — вектор. Эталон силы.

Наблюдая ускорения, получаемые каким-либо телом под действием различных сил, мы заметим, что ускорения могут оказаться различными как по модулю, так и по направлению. Значит, силы можно различать по модулю и по направлению: сила есть векторная величина.

Для измерения силы необходимо, во-первых, выбрать эталон силы и, во-вторых, установить способ сравнения других сил с эталоном, т. е. сам способ измерения сил. За эталон можно выбрать, например, какую-либо упругую силу. Так как упругие силы зависят от деформации, за эталон можно принять силу, с которой какая-либо определенная пружина, определенным образом растянутая, действует на тело, прикрепленное к одному из ее концов.

Такой эталон в принципе можно осуществить, например, в виде цилиндрической пружины, снабженной указателем, позволяющим всякий раз устанавливать одно и то же растяжение пружины (рис. 55). За направление силы примем ось пружины. Следовательно, эталон определяет как модуль, так и направление силы.

Рис. 55. Простейший эталон силы — действие пружины, растянутой до метки А

На практике, однако, такой эталон силы неудобен: упругие свойства пружины зависят от температуры, могут изменяться с течением времени и т. п. Поэтому стремятся выбрать эталон таким образом, чтобы изменчивость свойств пружины не могла сказываться. Это можно сделать так. Возьмем какую-нибудь пружину и подвесим к ней гирю. Гиря начнет опускаться, растягивая пружину, пока та не растянется до определенной длины, после чего растяжений пружины прекратится и гиря остановится: сила тяжести, действующая на гирю окажется уравновешенной силой упругости пружины.

Рис. 56. При подвешивании одной и той же гири к разным пружинам пружины действуют на гирю с одинаковыми силами

Рис. 57. Получение эталонной силы, направленной под любым углом к вертикали

Если бы мы подвесили ту же гирю к другой пружине, то растяжение было бы другим. Но сила, действующая со стороны новой пружины на гирю, будет равна силе, с которой действовала первая пружина, так как в обоих случаях силы упругости пружины уравновешивают силу тяжести, действующую на ту же гирю (рис. 56). Пользуясь какой-либо определенной выбранной гирей, мы можем установить, как надо растягивать любую пружину для того, чтобы она действовала с определенной силой, т. е. могла служить эталоном силы. Для получения силы, равной эталону, но направленной не по вертикали вверх, а по любому направлению, можно использовать нить, перекинутую через блок, как показано на рис. 57 (сила упругости со стороны нити всегда действует вдоль нее). Таким образом, трудную задачу изготовления и сохранения эталонной пружины при определенном растяжении мы заменяем гораздо более простой — изготовлением и сохранением эталонной гири.