Zobrazenie zdroja stránky Sila

{{iné významy}}
'''Sila''' je [[vektor (matematika)|vektorová]] [[fyzikálna veličina]], ktorá vyjadruje mieru vzájomného pôsobenia [[teleso|telies]] alebo [[pole (fyzika)|polí]]. Obyčajne sa označuje písmenom '''F''' z angl. ''force''. Jej základnou jednotkou v sústave [[SI]] je [[Newton (jednotka)|newton]] so skratkou '''N'''. Sila sa meria silomerom.

== Newtonov zákon sily ==

Newtonov [[zákon sily]] hovorí: ''Sila pôsobiaca na hmotný bod je úmerná súčinu jeho [[hmotnosť|hmotnosti]] a [[zrýchlenie|zrýchlenia]], ktoré mu udeľuje.''

Z Newtonovho zákona zotrvačnosti vyplýva, že len pôsobenie iných telies môže zmeniť pohybový stav telesa pohybujúceho sa určitou rýchlosťou vzhľadom na inerciálnu vzťažnú sústavu. Toto pôsobenie telies môžeme vyjadriť práve pomocou Newtonovho zákona sily. Ak nejaké teleso bude spôsobovať zrýchlenie iného telesa, povieme, že naň pôsobí silou. Smer tejto sily budeme stotožňovať so smerom vyvolaného zrýchlenia a bod telesa, v ktorom sa silové účinky bezprostredne uplatňujú, nazveme pôsobiskom sily.

Matematický zápis Newtonovho zákona je:

:<math>
\vec{F}=m\vec{a}
</math>

Kde <math>\vec{F}</math> je pôsobiaca sila, <math>\vec{a}</math> je vyvolané zrýchlenie a <math>m</math> je hmotnosť hmotného bodu.
Často využívame jednotlivé zložky tohto vektorového zápisu. Pod zložkami sa myslí to, že napríklad <math>x</math>-ová zložka sily veľkosti <math>F_x</math> vyvoláva zrýchlenie v smere osi <math>x</math> dané vzťahom <math>F_x=ma_x</math>.

Newtonov zákon sily, ako neskôr odvodíme, sa dá zovšeobecniť aj pre sústavy hmotných bodov a telies. Vo vzťahu potom bude vystupovať celková sila pôsobica na sústavu, celková hmotnosť sústavy a zrýchlenie [[ťažisko (fyzika)|ťažiska]] sústavy.

O niečo komplikovanejším tvarom Newtonovho zákona je

:<math>
\vec{F}=\frac{\Delta\vec{p}}{\Delta t},
</math>

kde delíme <math>\Delta p</math> zmenu hybnosti telesa časovým intervalom <math>\Delta t</math>, za ktorý táto zmena nastala. Dôležitosť tohto zápisu spočíva v tom, že platí i v prípade relativistických rýchlostí (tzn. rýchlostí porovnateľných s rýchlosťou svetla) kedy sa prejavuje relativistická hmotnosť telesa a tiež vtedy, keď sa hmotnosť telesa mení (čo je dôležité napríklad pri [[raketový pohon|raketovom pohone]]). Ak je však hmotnosť konštantná, pomocou vzťahu <math>p=mv</math> pre [[hybnosť]] telesa môžeme zapísať zmenu hybnosti ako <math>\Delta p=m\Delta v</math>. Dosadením tohto do vzťahu pre silu dostávame za pomoci <math>\Delta v/\Delta t=a</math> prvý uvedený tvar Newtonovho zákona <math>F=ma</math>. To znamená, že tento tvar Newtonovho zákona je správny pre rýchlosti omnoho menšie ako rýchlosť svetla – v opačnom prípade musíme použiť druhý spomínaný zápis sily pomocou zmeny hybnosti. Podobne pri výpočte pohonu rakiet musíme brať do úvahy druhý uvedený tvar.

== Skladanie síl ==

'''Skladanie síl''' je postup, ktorým sa z jednotlivých síl pôsobiacich na [[teleso]] určí výsledná sila (''výslednica''). Účinok všetkých síl je potom rovnaký ako účinok výslednice.

=== Skladanie síl pôsobiacich v jednom bode ===

Newtonov zákon sily ani v tvare <math>\vec{F}=m\vec{a}</math> nehovorí, že sa sila pôsobiaca na [[hmotný bod]] rovná súčinu jeho hmotnosti a zrýchlenia, ktorým sa pohyb hmotného bodu za pôsobenia sily vyznačuje, ale že sa rovná súčinu hmotnosti hmotného bodu a zrýchlenia, ktoré mu sila udeľuje. Ak teda chceme, aby symbol <math>\vec{a}</math> značil zrýchlenie za pôsobenia sily, musíme písať Newtonov vzťah v tvare

: <math>\vec{F} = m(\vec{a} - \vec{a_0})</math>

kde <math>a_0</math> je zrýchlenie bez pôsobenia sily <math>\vec{F}</math>, ktoré sa nerovná nule napríklad preto, že na hmotný bod pôsobia aj iné sily, alebo preto, že pohyb bodu vzťahujeme na [[neinerciálna vzťažná sústava|neinerciálnu vzťažnú sústavu]].

Tento vzťah môžeme písať aj ako:

: <math>\vec{a} = \vec{a_0} + \frac{\vec{F}}{m}</math>.

Z toho vidíme, že ak na bod bude pôsobiť viacero síl <math>\vec{F_1}, \vec{F_2}, \dots, \vec{F_n}</math>, bude jeho výsledné zrýchlenie:

: <math>\vec{a_n} = \vec{a_0} + \frac{\vec{F_1}}{m} + \frac{\vec{F_2}}{m} + \dots + \frac{\vec{F_n}}{m} = a_0 +  \frac{\sum_{i=1}^n\vec{F_i}}{m}</math>

Sila, ktorá sama zmení pôvodné zrýchlenie <math>\vec{a_0}</math> na zrýchlenie <math>\vec{a_n}</math> a ktorej účinok na pohyb hmotného bodu je teda totožný s účinkom všetkých síl <math>\vec{F_1}, \vec{F_2}, \dots, \vec{F_n}</math>, sa nazýva ich výslednicou a sily <math>\vec{F_1}, \vec{F_2}, \dots, \vec{F_n}</math> jej zložkami. Podľa definície výslednica <math>\vec{F_r}</math> spĺňa rovnicu:

: <math>\vec{a_n} = \vec{a_0} + \frac{\vec{F_r}}{m}</math>

Čo v kombinácii s predošlou rovnicou vedie k dôležitému výsledku:

: <math>\vec{F_r} = \sum_{i=1}^n \vec{F_i}</math>

Teda, výslednica síl pôsobiacich na hmotný bod sa rovná ich súčtu (vektorovému).

=== Sily pôsobiace na sústavu hmotných bodov ===

Majme ''n'' hmotných bodov s hmotnosťami <math>m_1, m_2, \dots, m_n</math>. Nech bod ''i'' pôsobí na bod ''j'' silou <math>\vec{F_{ij}}</math> a bod ''j'' zo [[zákon akcie a reakcie|zákona akcie a reakcie]] na bod ''i'' silou <math>\vec{F_{ji}} = -\vec{F_{ij}}</math>. Nech okrem vnútorných síl účinkuju na jednotlivé hmotné body aj vonkajšie sily, na bod ''i'' sila <math>\vec{F_i}</math>. Na bod ''i'' teda pôsobí sila <math>\vec{F_i} + \vec{F_{1i}} + \vec{F_{2i}} + \dots + \vec{F_{ni}}</math>, pričom <math>\vec{F_{ii}} = 0</math>, a udeľuje mu zrýchlenie <math>\vec{a_i}</math>, pre ktoré platí rovnica:

: <math>\vec{F_i} + \sum_{j = 1}^{n}\vec{F_i} = m_i \vec{a_i}</math>

Sčítaním týchto rovníc, napísaných pre každý hmotný bod dostaneme rovnicu:

: <math>\sum_{i = 1}^{n}\vec{F_i} + \sum_{i = 1}^{n}\sum_{j = 1}^{n}\vec{F_{ji}} = \sum_{i = 1}^{n}m_i \vec{a_i}</math>

Ale, keďže súčet všetkých vnútorných síl sa rovná nule, rovnicu:

: <math>\vec{F} = \sum_{i = 1}^{n}\vec{F_i} = \sum_{i = 1}^{n}m_i \vec{a_i}</math>

Kde <math>\vec{F}</math> je súčet všetkých vonkajších síl.
Ak napíšeme zrýchlenie <math>\vec{a_i}</math> ako deriváciu rýchlosti podľa času, dostaneme:

: <math>\vec{F} = \sum_{i = 1}^{n}m_i \frac{\mathrm{d}\vec{v_i}}{\mathrm{d}t} = \frac{\mathrm{d}\vec{p}}{\mathrm{d}t}</math>

kde <math>\vec{p}</math> je súčet hybností jednotlivých hmotných bodov nazývaný celkovou hybnosťou sústavy.

Podľa tejto rovnice, ak na sústavu nepôsobia žiadne vonkajšie sily, jej celková hybnosť sa nemení. Takúto sústavu nazývame [[Izolovaná sústava]] a fakt, že celková hybnosť izolovanej sústavy sa v čase nemení, sa nazýva zákon zachovania hybnosti.

Taktiež vieme, že:

: <math>\sum_{i = 1}^{n}m_i \vec{a_i} = M \vec{a_t}</math>

kde <math>M</math> je celková hmotnosť sústavy a <math>a_t</math> je zrýchlenie [[ťažisko (fyzika)|ťažiska]]. Bližšie vysvetlenie nájdete v článku o [[ťažisko (fyzika)|ťažisku]].
Dosadením potom dostávame:

: <math>\vec{F} = M \vec{a_t}</math>

To znamená, že za účinku vonkajších síl sa  [[ťažisko (fyzika)|ťažisko]] sústavy hmotných bodov pohybuje tak, ako keby bola všetka hmota sústredená v [[ťažisko (fyzika)|ťažisku]] a všetky sily účinkovali v [[ťažisko (fyzika)|ťažisku]].
Ak je súčet vonkajších síl rovný nule, [[ťažisko (fyzika)|ťažisko]] sústavy je v pokoji alebo rovnomernom priamočiarom pohybe.

=== Skladanie síl pôsobiacich na tuhé teleso ===

Pre bližšie pochopenie nasledujúcich pasáži sa odporúča znalosť vlastností [[moment sily|momentu sily]].

Sily sú [[vektorová veličina|vektorové veličiny]] – záleži na ich veľkosti aj smere. Pri skladaní síl pôsobiacich na [[tuhé teleso]], môže záležať i na miestach, kde sily na teleso pôsobia (na ''pôsobiskách''), pretože z rôznych pôsobísk môžu vznikať rôzne ''otáčavé účinky'' síl na teleso. Výslednica síl teda bude taká sila, ktorá bude spĺňať nasledujúce dve vlastnosti:
# Bude spôsobovať rovnaký otáčavý účinok, teda jej [[moment sily|moment]] vzhľadom na ľubovolný bod bude rovnaký, ako bol [[moment sily|súčet momentov]] všetkých jej zložiek.
# Bude spôsobovať rovnaký posuvný účinok, teda bude spôsobovať rovnaké zrýchlenie ťažiska, ako je zrýchlenie ťažiska spôsobené všetkými jej zložkami.

'''Skladanie síl ležiacich na jednej priamke'''

Ak posunieme pôsobisko sily po jej vektorovej priamke a nezmeníme jej veľkosť, nezmení sa ani [[moment sily|moment]], ktorý spôsobuje. Rovnako sa nezmení ani posuvný účinok na teleso, teda sa nezmení pohybový účinok sily na teleso vôbec. To vedie k dôležitému poznatku, že ľubovoľnú silu môžeme nahradiť inou silou ležiacou na tej istej vektorovej priamke s rovnakou veľkosťou a smerom. Sily, ktoré majú spoločnú vektorovú priamku potom môžeme na základe tohto poznatku skladať jednoducho rovnako, ako keby pôsobili v jednom bode.

[[Súbor:Elastischer stoß 2D.gif|thumb|right|350px|Skladanie a rozkladanie síl]]

'''Skladanie rôznobežných síl'''

Na základe predošlého poznatku môžeme sily presunúť po ich ''vektorových priamkach'' do spoločného pôsobiska, kde ich zložíme do výslednice.

'''Skladanie rovnobežných síl pôsobiacich v rôznych miestach tuhého telesa'''

Skladajme dve sily <math>\vec{F_1}, \vec{F_2}</math> pôsobiace na teleso. Výslednica týchto síl musí mať vzhľadom na ľubovoľný bod rovnaký [[moment sily|moment]] ako súčet momentov oboch síl. Zvoľme bod, vzhľadom na ktorý budeme počítať [[moment sily|momenty]] ľubovoľne. Pôsobiská síl majú potom polohové vektory <math>\vec{r_1}, \vec{r_2}</math>. Vzhľadom na zvolený bod je ich celkový [[moment sily|moment]] rovný:

: <math>\vec{M} = \vec{r_1} \times \vec{F_1} + \vec{r_2} \times \vec{F_2}</math>

Keďže sú však sily rovnobežné, platí tiež: <math>\vec{F_2} = \vec{F_1} \frac{F_2}{F_1}</math>
Potom môžeme písať:

: <math>\vec{M} = \vec{r_1} \times \vec{F_1} + \frac{F_2}{F_1} \vec{r_2} \times \vec{F_1}</math>

: <math>\vec{M} = \left( \vec{r_1} + \frac{F_2}{F_1} \vec{r_2} \right) \times \vec{F_1}</math>

: <math>\vec{M} = \left( \frac{F_1 \vec{r_1} + F_2 \vec{r_2}}{F_1 + F_2} \right) \times (\vec{F_1} + \vec{F_2})</math>

Vidíme, že [[moment sily|moment]] týchto dvoch síl je rovnaký, ako [[moment sily|moment]] sily, ktorá by bola súčtom týchto dvoch síl a pôsobila by na spojnici pôsobísk týchto dvoch síl rozdelujúc túto spojnicu v pomere veľkostí príslušných síl. 
Tiež vidíme, že takáto sila by mala rovnaký posuvný účinok na teleso, ako jej zložky. To znamená, že takáto sila spĺňa všetky podmienky potrebné na to, aby sme ju mohli nazvať výslednicou.

Pôsobisko výslednice leží medzi pôsobiskom síl <math>\vec{F_1} \,</math> a <math>\vec{F_2} \,</math> vo vzdialenosti <math> d_2 \,</math> od sily <math>\vec{F_2} \,</math>:
: <math> d_2 = \frac{F_1 . d} {F_1 + F_2} \,</math>
kde
<math> d \,</math> je vzdialenosť síl <math> F_1 \,</math> a <math> F_2 \,</math>

'''Dvojica síl a mimobežné sily'''

Ak by sme v predošlom prípade chceli skladať dve rovnobežné sily, ktoré sú opačne orientované, nepodarilo by sa nám to. Ich pôsobisko by muselo byť v nekonečne. Dve rovnobežné, opačne orientované sily teda nie je možné skladať do jednej výslednice a takéto dve sily nazývame dvojicou síl.

Taktiež mimobežné sily nie je možné zložiť do jednej výslednice. Ich pohybový účinok na teleso sa nedá popísať jednou silou.

=== Rozklad síl ===
'''Rozklad síl''' je postup, ktorým sa sila rozkladá na jednotlivé zložky, ktorých zložením možno určiť pôvodnú silu.

Ak sú známe smery, v ktorých majú zložky pôsobiť, potom tieto smery tvoria smery strán rovnobežníka síl, ktorého uhlopriečkou je pôvodná sila. Velkosti strán vzniknutého rovnobežníka predstavujú veľkosti zložiek.

Ak sú známe veľkosť a smer prvej zložky, potom druhú zložku predstavuje vektor spojujúci koncové body vektorov prvej zložky a pôvodnej sily (v uvedenom poradí).

=== Rovnováha síl ===
Zaujímavý je aj prípad, kedy sú všetky sily na teleso pôsobiace v rovnováhe. Vtedy je teleso v pokoji alebo sa pohybuje konštantnou rýchlosťou. Teleso je v rovnováhe vtedy, keď súčet všetkých síl aj súčet všetkých [[moment sily|momentov]] sú rovné nulovému vektoru. Teda:

:<math>
\vec{F}_1+\dots+\vec{F}_n=\vec{0}.
</math>

:<math>
\vec{M}_1+\dots+\vec{M}_n=\vec{0}.
</math>

Toto tvrdenie je v rozpore s tým, ako sa na pohyb telies pozerali grécki filozofi. Podľa nich sa telesá pohybovali iba kým na ne pôsobila sila. Vidíme, že v skutočnosti telesá zrýchľujú iba vtedy, keď na ne pôsobí sila. Ak žiadna sila nepôsobí, rýchlosť telesa sa nemení.

Pokiaľ na teleso pôsobia v jednom bode dve sily, nastane rovnováha v prípade, že sily sú ''rovnako veľké opačného smeru''.

Pre [[pohyb (fyzika)|pohyb]] telesa, pri ktorom sú sily v rovnováhe, platí [[Zákon zotrvačnosti|1. Newtnov pohybový zákon]].

Teleso, pri ktorom sú sily v rovnováhe a ktoré sa nepohybuje (je ''v pokoji''), musí byť v niektorej z [[Rovnovážna poloha|rovnovážnych polôh]].

== Jednotky sily v iných sústavách jednotek ==
1 librová sila (lbt) = 4,448 22 N

== Kontaktné sily a polia ==
Niekedy sa používa delenie pôsobiacich síl na tzv. kontaktné a na silové pôsobenie rôznych [[fyzikálne pole|fyzikálnych polí]]. Medzi tie prvé patria sily, ktoré sa prejavujú pri priamom dotyku telies – sem teda patrí ťahanie za povraz, reakcia podložky a podobne. Pôsobenie polí sa zaobíde bez priameho dotyku, ide teda o pôsobenie "na diaľku". Sem patrí napríklad gravitačné pôsobenie Slnka na [[Zem]], odpudzovanie nábojov s rovnakým znamienkom i vychyľovanie vodiča s prúdom magnetickým poľom.

V skutočnosti sú však aj kontaktné sily poľového charakteru. Napríklad reakcia podložky brániaca predmetom prepadnúť sa do stredu Zeme je dôsledkom vnútornej štruktúry látok, ktorá je daná najmä elektrickými silami pôsobiacimi medzi atómami. Teda jednotlivé atómy tvoriace dosku stola tvoria stabilnú štruktúru, ktorá medzi seba "nepustí" cudzie atómy telesa položeného na stole.

== Základné sily v prírode ==
Ako vyplýva z predchádzajúceho odseku, sily sú v skutočnosti prejavom fyzikálnych polí. Preto namiesto o základných silách niekedy hovoríme o základných poliach. Aby bol zmätok dokonalý, namiesto slova sila sa niekedy používa ako synonymum slovo ''interakcia''.

Všetky deje okolo nás sú dané štyrmi základnými silami:
* [[gravitačná sila]] (medzi hmotnými objektmi),
* [[elektromagnetická sila]] (medzi nabitými časticami),
* [[slabá interakcia|slabá jadrová sila]] (v jadrách atómov),
* [[silná interakcia|silná jadrová sila]] (v jadrách atómov).

Mnohé ďalšie sily ([[trecia sila]], [[magnetická sila]], [[pružnosť|sila pružnosti]], [[odporová sila]]), ktoré bežne pozorujeme okolo seba sú založené na týchto štyroch základných interakciách.

== Zdanlivé (fiktívne) sily ==
Niektoré sily, ktoré pozorujeme nepatria medzi vyššie vymenované základné interakcie, ale sú jednoduchým dôsledkom toho, že naše pozorovanie je prevádzané v tzv. [[vzťažná sústava|neinerciálnej vzťažnej sústave]] (tou je každá sústava, ktorá sa nepohybuje rovnomerným pohybom). Medzi tieto zdanlivé sily patria [[zotrvačná sila]], [[odstredivá sila]] a [[Coriolisova sila]].

== Newtonov zákon a budúcnosť ==
Ak poznáme nielen okamžitú veľkosť sily pôsobiacej na teleso, ale celé silové pole – tzn. aká sila by pôsobila na teleso v ľubovoľnom bode priestoru ak by sa tam toto teleso nachádzalo, Newtonov zákon získava nové možnosti. Ak doň totiž dosadíme okrem spomínaného silového poľa <math>\vec{F}(\vec{r})</math> aj to, že zrýchlenie telesa <math>\vec{a}</math> je druhou [[derivácia (funkcia)|deriváciou]] jeho polohy podľa času, dostaneme sústavu troch diferenciálnych rovníc druhého rádu v tvare

:<math>
m\ddot x=F_x(x,y,z),\quad
m\ddot y=F_y(x,y,z),\quad
m\ddot z=F_z(x,y,z).
</math>

Dvoma bodkami sme tu označili spomínané druhé derivácie podľa času. Ak k týmto rovniciam pridáme ešte aj dve tzv. začiatočné podmienky (napríklad polohu a rýchlosť telesa v čase ''t''=0), po vyriešení úlohy dokážeme predpovedať polohu telesa v ľubovoľnom budúcom čase. A tiež – jeho polohu v ľubovoľnom minulom čase.

== Iné projekty ==
{{projekt|q=Sila}}

[[Kategória:Dynamika]]
[[Kategória:Fyzikálne veličiny]]