Все різноманіття сил в природі зводиться до чотирьох фундаментальних взаємодій: гравітаційна, електромагнітна, ядерне сильне і ядерне слабке. Ядерні сильне і слабке взаємодії проявляються лише на рівні ядерних взаємодій і в реальному житті ми їх не сприймаємо. Тому все розмаїття реальних сил є різновидом гравітаційних і електромагнітних сил.
У механіці розглядається три типи сил: сила тертя, сила пружності і сила всесвітнього тяжіння. Причому сила тертя і сила пружності за своєю природою є силами електромагнітної природи. Найпоширенішою силою, яка діє на всі тіла, що знаходяться в полі тяжіння Землі, є сила тяжіння. Вона дорівнює добутку маси тіла на прискорення вільного падіння mg і спрямована вертикально вниз або більш точно до центру Землі. Сила тяжіння є різновидом гравітаційної сили. Якщо тіло знаходиться на якийсь поверхні, то під дією сили тяжіння воно тисне на цю поверхню. За третім законом Ньютона поверхню діє на тіло з силою рівною за модулем і протилежною за напрямком. Ця сила називається силою реакції опори (N) і є різновидом сили пружності.
Далі розглянемо більш докладно механічні сили окремо.
Сила тертя є однією з найпоширеніших механічних сил. Вона виникає кожного разу коли тіло починає рухатися або коли його намагаються зрушити з місця. Існує чотири види сил тертя:
· Сила тертя спокою;
· Сила тертя ковзання;
· Сила тертя кочення;
· Сила в'язкого тертя (сила опору).
Сила тертя кочення і сила в'язкого тертя в шкільному курсі фізики майже не розглядаються. Сила тертя кочення зазвичай невелика і їй зазвичай нехтують в порівнянні з іншими видами сили тертя. Сила в'язкого тертя не розглядається тому, що про неї в шкільному курсі фізики нічого істотного сказати не можна у зв'язку зі складністю використовуваного для цього математичного апарату.
Сила тертя спокою.
Сила тертя спокою виникає між дотичними тілами кожен раз, коли одне тіло намагаються зрушити щодо іншого, а воно не рухається. Сила тертя спокою направлена паралельно поверхні зіткнення тіл в сторону протилежну напрямку зовнішньої зрушує сили і по модулю дорівнює проекції зовнішньої зрушує сили на площину зіткнення тіл. Сила тертя спокою зростає зі зростанням зовнішньої сили. Але якщо зовнішня сила може зростати необмежено, то, як показує практика, у сили тертя спокою є максимальне значення. Це максимальне значення визначається силою, з якою стикаються поверхні притискаються один до одного (силою нормального тиску). Практика показує, що максимальне значення сили тертя спокою прямо пропорційно силі нормального тиску. Коефіцієнт пропорційності називається коефіцієнта тертя спокою:
Коефіцієнт тертя спокою визначається матеріалом, з якого зроблені дотичні поверхні і ступенем їх обробки і не залежить від площі зіткнення.
У загальному випадку для величини сили тертя спокою справедливо нерівність:
Сила тертя ковзання.
Якщо величина зовнішньої зрушує сили перевищує максимальне значення сили тертя спокою, то починається ковзання. Сила тертя спокою при цьому зникає і з'являється сила тертя ковзання. На відміну від сили тертя спокою сила тертя ковзання постійна і її величина теж пропорційна силі нормального тиску. Коефіцієнт пропорційності називається коефіцієнтом тертя ковзання:
Сила тертя ковзання спрямована також паралельно поверхні зіткнення тіл і в сторону протилежну швидкості відносного руху дотичних поверхонь. Коефіцієнт тертя ковзання також визначається матеріалом і ступенем обробки дотичних поверхонь і не залежить від площі зіткнення.
Максимальне значення сили тертя спокою завжди трохи більше сили тертя ковзання. На малюнку наведено приблизний характерний графік залежності сили тертя від зовнішньої зрушує сили.
Однак різниця між максимальною силою тертя спокою і силою тертя ковзання невелика. Тому в практиці вирішення завдань в шкільному курсі фізики цією різницею зазвичай нехтують і вважають, що ці сили рівні. При цьому вважається, що коефіцієнти тертя спокою і ковзання рівні і вони називаються просто коефіцієнтом тертя. А значить:
Сила тертя кочення
Силою тертя кочення називається сила перешкоджає руху при коченні будь-якого круглого тіла по плоскій поверхні іншого тіла (наприклад, колеса по дорозі). Наявність сили тертя кочення пов'язано з тим, що і сама котиться тіло і поверхню під ним злегка деформуються під дією сили тиску. Виникає при цьому сила опору руху також пропорційна силі нормального тиску. Однак, якщо колесо і поверхня досить тверді і їх деформації невеликі, то виникає при цьому сила тертя кочення, як правило, дуже мала в порівнянні з іншими видами сил тертя і їй зазвичай при вирішенні задач нехтують.
Сила в'язкого тертя
Сила в'язкого тертя виникає при русі тіла в будь-якої в'язкому середовищі (в рідині або газі) або при ковзанні поверхонь при наявності між ними прошарку з в'язкої рідини (мастила). Сила в'язкого тертя при русі тіла в рідині і газу (сила опору) сильно залежить від швидкості руху і при великих швидкостях може бути досить великою. Крім того, сила опору сильно залежить від форми тіла, що рухається (обтічна або Необтічне форма) і його розмірів. Причому, залежність сили опору від швидкості досить складна. При малих швидкостях руху (ламинарное обтікання) сила опору приблизно пропорційна величині швидкості в першого ступеня. При збільшенні швидкості залежність сили опору від швидкості посилюється і може бути пропорційна величині швидкості в квадраті або в більш високого ступеня. Це призводить до того, що в шкільному курсі фізики сила опору в явному вигляді зазвичай не враховується, а якщо і враховується, то в задачі вказується як її врахувати.