Силата е физична величина, основно понятие във физиката, мярка за взаимодействието между телата, което предизвиква или деформация (когато тялото е с крайни размери) University Physics, Sears, Young & Zemansky, pp. 18 – 38 Хайкин С. Е.Силы инерции и невесомость. Изд-во „Наука“ М., 1967, с илл. или промяна на посоката и/или големината на скоростта, с други думи получаване на някакво ускорение. Силата е векторна величина, което показва, че се характеризира както с големина, така и с посока.
Понятието за сила е известно още от дълбока древност, но философите на античността, като Аристотел и Архимед, правят фундаментални грешки при обяснението ѝ, което отчасти се дължи на комплексността на силата на триене и оттам на неадекватната представа за същността на движението в природата и неговите закони. Най-основната грешка е твърдението, че за поддържане на движението е необходимо съществуването на сила, дори при постоянна скорост. Всички тези грешки са поправени от Исак Нютон, който създава трите закона за движение, които остават непроменени в продължение на 300 години. Едва през XX век, когато Алберт Айнщайн създава теорията на относителността, той обобщава законите на Нютон за скорости близки до тази на светлината и обяснява силите свързани с гравитацията и инерцията.
С развитието на модерната физика и по-точно на квантовата механика и на технологиите, учените могат да ускоряват частици до скорост, близка до тази на светлината. Те създават стандартния модел, за да опишат силите, които съществуват между частици, по-малки от атома.
Историческо развитие на понятието Преди Нютон
Още от древността понятието за сила е признато за неразделна част от правилното функциониране на всеки един от простите механизми. Основното им предимство е прилагането на по-малко сила за сметка на действието ѝ на по-голямо разстояние при една и съща извършена работа. Анализът на характеристиките на силите в крайна сметка завършва с работата на Архимед, който е особено известен с формулирането на плавателните сили и законите, свързани с течностите.
Аристотел дава философско определение и обсъжда концепцията за силата като неразделна част от Аристотеловата космология. Според него природата се състои от четири класически елемента, които съществуват в „естествени състояния“. Аристотел смята, че това е естественото състояние на обекти с маса на Земята, като например елементите вода и земя. Той прави разлика между вродената склонност на предметите да намират своето „естествено състояние“, което води до „естествени движения“, и от друга страна неестественото или насилствено (принудително) движение, което изисква продължителното и постоянно прилагане на сила.Land, Helen The Order of Nature in Aristotle's Physics: Place and the Elements (1998) Тази теория е основана на всекидневния опит за това как се движат обектите, като например постоянното прилагане на сила, за да остане каруцата в движение, но е концептуално проблематична при отчитане на поведението на стрели в полет. Силите са приложени само в началото на полета, но стрелите се движат и след това във въздуха, без забележима сила да действа върху тях. Аристотел е бил наясно с този проблем и предлага въздуха като необходимо условие и необходимата сила за продължаване на полета. Това обяснение води до още по-големи усложнения, тъй като води до извода, че във вакуум стрелите изобщо няма да се движат и отделно въздухът, и по-точно съпротивлението на въздуха, всъщност спира, а не ускорява стрелите. Критиките на учението на Аристотел започват още в Ранното средновековие, слабостите му не са коригирани до XVII век. Тогава Галилео Галилей, който е повлиян от идеята на Късното средновековие, че обектите в принудително движение носят вродена сила, наречена тласък. Той извършва експерименти с търкаляне на предмети по наклонени плоскости, за да опровергае Аристотел и неговата теория за гравитацията, и показва, че предметите се ускоряват под действието на силата на тежестта до степен, която не зависи от тяхната маса, и че запазват скоростта си, освен ако на тях не действа сила, например триене.Drake, Stillman (1978). Galileo At Work. Chicago: University of Chicago Press. ISBN 0-226-16226-5
Законите за движение на Нютон
Първи закон
Първият закон на Нютон за движението гласи, че обектите продължават да се движат с постоянна скорост, освен ако върху тях не действа външна сила – резултатната сила не е нула. This is a recent translation into English by I. Bernard Cohen and Anne Whitman, with help from Julia Budenz. Този закон е естественото продължение на схващането на Галилео, че постоянната скорост е свързана с липсата на резултатна сила. Нютон изказва предположението, че всеки обект с маса има вродена инерция, която функционира като основно и естествено равновесно състояние за разлика от идеята на Аристотел за „естественото състояние на покой“. Това означава, че първият закон противоречи на Аристотеловото интуитивно убеждение, че някаква сила е необходима и е длъжна да поддържа обекта в състояние на постоянна скорост. Правейки покоя физически неразличим от ненулевата постоянна скорост, първият закон на Нютон свързва пряко инерцията с концепцията за относителността и Галилеевите относителни скорости. По-специално в системи, при които обектите се движат с различна скорост, е невъзможно да се определи кой обект е в движение и кой обект е в състояние на покой. С други думи законите на физиката са едни и същи във всички инерциални отправни системи, т.е. във всички такива, свързани с Галилеевите трансформации.
Например по време на пътуване в движещ се автомобил с постоянна скорост, законите на физиката не се променят и са същите както в състояние на покой. Едно лице може да хвърли топката право нагоре във въздуха и да я хване, тъй като пада без прилагане на сила в посоката, в която превозното средство се движи. Това е вярно, въпреки че друго лице, което наблюдава движещите се превозни средства да минават край него, отбелязва, че топката следва параболичен път в посоката на движение на превозното средство. Това е инерцията на топката, свързана с постоянната скорост по посока на движение на превозното средство, топката продължава да се движи напред, макар че е хвърлена нагоре и пада надолу. От гледна точка на лицето в автомобила, превозното средство и всичко в него е в покой: светът извън колата се движи с постоянна скорост в обратната посока. Тъй като не съществува експеримент, който може да различи дали автомобилът е в покой, или външният свят, двете ситуации се считат за физически неразличими. Инерцията е приложима еднакво добре както при постоянна скорост на движение, така и при покой.
Концепцията за инерцията може да бъде допълнително обобщена в много различни форми на постоянно движение, дори и тези, които не са строго постоянна скорост. Така например моментът на инерцията или ротационната инерция на планетата Земя е това, което определя постоянството на продължителността на деня и годината. Алберт Айнщайн разширява принципа на инерцията допълнително, когато обяснява, че отправните системи с постоянно ускорение, като например тези на свободно падане, са физически равностойни на инерционни отправни системи. Този принцип на равностойност е един от фундаменталните принципи на общата теория на относителността.
Втори закон на Нютон (Втори закон на механиката) Съгласно Втория закон на Нютон за движението от класическата механика, дадена сила ще придава ускорение, обратнопропорционално на масата на тяло, което ускорение не зависи от скоростта на движение на системата. Този закон ни позволява да предскажем ускорението на материална точка. Записва се като:
където: F е силата, измерена в нютони (N); t е времето, измерено в секунди (s); p е импулсът (моментно състояние, функция на времето); v е скоростта, измерена в метри за секунда (m/s); m е масата, измерена в килограми (kg); a е ускорението, измерено в метри за секунда на квадрат (m/s2).
Ускорението a е векторна величина, откъдето и силата F е векторна величина с посока паралелна на ускорението. Предпоследното равенство в горното уравнение важи за тяло с непроменлива във времето маса. При разглеждане на тела с променлива маса (т.е. m = m(t)), каквито са например ракетата или совалката на тъкачен стан, трябва да се използва правилото за диференциране на произведение от две функции.
Трети закон Третият закон на Нютон е в резултат на прилагането на симетрия към ситуации, в който силата може да се обясни с наличието на различни обекти. За два обекта (1 и 2), третият закон на Нютон гласи, че всяка сила, приложена към обект 1, благодарение на действието на обект 2, автоматично се придружава от сила, приложена към обект 2, дължаща се на действието на обект 1:
Този закон предполага, че силите винаги се появяват като двойка действие и противодействие или акция и реакция. Ако обект 1 и 2 се смятат че са в същата система, резултатната сила на системата, дължаща се на взаимодействието между обекти 1 и 2 е равна на нула, тъй като:
Това означава, че в затворена система от частици, няма вътрешни сили, които да са небалансирани, с други думи двойките сили акция-реакция между два обекта в една затворена система няма да доведат до ускорение на центъра на масата на системата. Обектите се ускоряват само по отношение един на друг, но самата система продължава да има ускорение нула. Освен това, ако външна сила действа на системата, тогава центърът на масата ще изпита ускорение, пропорционално на големината на външната сила, разделена на масата на системата.
Комбинирането на втория и третия закон води до доказателството за съхраняване на импулса на системата:
интегрирайки по отношение на времето:
За система, която включва обекти 1 и 2:
С помощта на подобни аргументи е възможно да се обобщи за система от произволен брой частици.
Фундаментални взаимодействия
Всички сили във Вселената се основават на четири фундаментални взаимодействия. Силните и слабите ядрени сили действат само при много къси разстояния и са отговорни за взаимодействието между субатомни частици, включително нуклоните. Електромагнитната сила действа между електрични заряди и гравитационната сила действа между тела с големи маси. Всички останали сили се основават на съществуването на четирите фундаментални взаимодействия. Например триенето е проява на електромагнитна сила, действаща между атомите на две повърхности и принципът на Паули за изключването, който не позволява атоми да преминават един през друг. Силите в пружини, моделирани от закона на Хук, са в резултат на електромагнитна сила и принципа на Паули, които със съвместни действия връщат обекта към неговото равновесно положение. Центробежната сила е фиктивна и се поражда само от ускоряване на ротационни отправни системи.
Разработването на основни теории за силите продължава по линията на обединението на коренно различни идеи. Например Исак Нютон обединява силите, отговорни за падането на предмети на повърхността на Земята със силите, отговорни за орбитите на телата в небесната механика, като създава универсалната теория на гравитацията. Майкъл Фарадей и Джеймс Кларк Максуел показват, че електрическите и магнитните сили са обединени чрез една стройна теория на електромагнетизма. През ХХ век развитието на квантовата механика довежда до съвременното разбиране, че първите три фундаментални сили (всички с изключение на гравитацията) са проявления на материята (фермиони) и нейното взаимодействие чрез обмен на виртуални частици наречени калибровъчни бозони. Въпреки големия напредък в обединяването на теориите, все още има много нерешени въпроси. Физиците все още се опитват да развият самостоятелни модели, които да обединят всички сили, да съчетаят четирите фундаментални взаимодействия в така наречената теория на всичко. Най-популярният подход към отговора на този въпрос е струнната теория.
Гравитационно взаимодействие