Sila

Sila je vektorová fyzikálna veličina, ktorá vyjadruje mieru vzájomného pôsobenia telies alebo polí. Obyčajne sa označuje písmenom F z angl. "force". Jej základnou jednotkou v sústave SI je newton so skratkou N. Sila sa meria silomerom.
Newtonov zákon sily.
Newtonov zákon sily hovorí: "Sila pôsobiaca na hmotný bod je úmerná súčinu jeho hmotnosti a 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:
Kde formula_2 je pôsobiaca sila, formula_3 je vyvolané zrýchlenie a formula_4 je hmotnosť hmotného bodu.
Často využívame jednotlivé zložky tohto vektorového zápisu. Pod zložkami sa myslí to, že napríklad formula_5-ová zložka sily veľkosti formula_6 vyvoláva zrýchlenie v smere osi formula_5 dané vzťahom formula_8.
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 ťažiska sústavy.
O niečo komplikovanejším tvarom Newtonovho zákona je
kde delíme formula_10 zmenu hybnosti telesa časovým intervalom formula_11, 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 raketovom pohone). Ak je však hmotnosť konštantná, pomocou vzťahu formula_12 pre hybnosť telesa môžeme zapísať zmenu hybnosti ako formula_13. Dosadením tohto do vzťahu pre silu dostávame za pomoci formula_14 prvý uvedený tvar Newtonovho zákona formula_15. 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 formula_16 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 formula_3 značil zrýchlenie za pôsobenia sily, musíme písať Newtonov vzťah v tvare
kde formula_19 je zrýchlenie bez pôsobenia sily formula_2, ktoré sa nerovná nule napríklad preto, že na hmotný bod pôsobia aj iné sily, alebo preto, že pohyb bodu vzťahujeme na neinerciálnu vzťažnú sústavu.
Tento vzťah môžeme písať aj ako:
Z toho vidíme, že ak na bod bude pôsobiť viacero síl formula_22, bude jeho výsledné zrýchlenie:
Sila, ktorá sama zmení pôvodné zrýchlenie formula_24 na zrýchlenie formula_25 a ktorej účinok na pohyb hmotného bodu je teda totožný s účinkom všetkých síl formula_22, sa nazýva ich výslednicou a sily formula_22 jej zložkami. Podľa definície výslednica formula_28 spĺňa rovnicu:
Čo v kombinácii s predošlou rovnicou vedie k dôležitému výsledku:
Teda, výslednica síl pôsobiacich na hmotný bod sa rovná ich súčtu (vektorovému).
Sily pôsobiace na sústavu hmotných bodov.
Majme "n" hmotných bodov s hmotnosťami formula_31. Nech bod "i" pôsobí na bod "j" silou formula_32 a bod "j" zo zákona akcie a reakcie na bod "i" silou formula_33. Nech okrem vnútorných síl účinkuju na jednotlivé hmotné body aj vonkajšie sily, na bod "i" sila formula_34. Na bod "i" teda pôsobí sila formula_35, pričom formula_36, a udeľuje mu zrýchlenie formula_37, pre ktoré platí rovnica:
Sčítaním týchto rovníc, napísaných pre každý hmotný bod dostaneme rovnicu:
Ale, keďže súčet všetkých vnútorných síl sa rovná nule, rovnicu:
Kde formula_2 je súčet všetkých vonkajších síl.
Ak napíšeme zrýchlenie formula_37 ako deriváciu rýchlosti podľa času, dostaneme:
kde formula_44 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:
kde formula_46 je celková hmotnosť sústavy a formula_47 je zrýchlenie ťažiska. Bližšie vysvetlenie nájdete v článku o ťažisku.
Dosadením potom dostávame:
To znamená, že za účinku vonkajších síl sa ťažisko sústavy hmotných bodov pohybuje tak, ako keby bola všetka hmota sústredená v ťažisku a všetky sily účinkovali v ťažisku.
Ak je súčet vonkajších síl rovný nule, ťažisko sústavy je v pokoji alebo rovnomernom priamočiarom pohybe.
Skladanie síl pôsobiacich na tuhé teleso.
Pre bližšie pochopenie nasledujúcich pasáži sa odporúča znalosť vlastností momentu sily.
Sily sú 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:
Skladanie síl ležiacich na jednej priamke
Ak posunieme pôsobisko sily po jej vektorovej priamke a nezmeníme jej veľkosť, nezmení sa ani 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.
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 formula_49 pôsobiace na teleso. Výslednica týchto síl musí mať vzhľadom na ľubovoľný bod rovnaký moment ako súčet momentov oboch síl. Zvoľme bod, vzhľadom na ktorý budeme počítať momenty ľubovoľne. Pôsobiská síl majú potom polohové vektory formula_50. Vzhľadom na zvolený bod je ich celkový moment rovný:
Keďže sú však sily rovnobežné, platí tiež: formula_52
Potom môžeme písať:
Vidíme, že moment týchto dvoch síl je rovnaký, ako 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 formula_56 a formula_57 vo vzdialenosti formula_58 od sily formula_57:
kde
formula_61 je vzdialenosť síl formula_62 a formula_63
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 momentov sú rovné nulovému vektoru. Teda:
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 telesa, pri ktorom sú sily v rovnováhe, platí 1. Newtnov pohybový zákon.
Teleso, pri ktorom sú sily v rovnováhe a ktoré sa nepohybuje (je "v pokoji"), musí byť v niektorej z 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 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:
Mnohé ďalšie sily (trecia sila, magnetická sila, 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. 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 formula_66 aj to, že zrýchlenie telesa formula_3 je druhou deriváciou jeho polohy podľa času, dostaneme sústavu troch diferenciálnych rovníc druhého rádu v tvare
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.