На рис. 2.18 сегмент кисти человека, держащего гирю, находится в равновесии. На этот сегмент действует сила тяжести, собственно гиря, а также дистальный сегмент предплечья.
Все векторы — ГК (сила тяжести кисти ГК («гиря-кисть») и ПрК («предплечье-кисть») действуют на кисть и имеют на ней совпадающие точки приложения и линии действия. Таким образом, они относятся к одной и той же системе линейных сил. Сила тяжести (ГК) и тяга гири (КГир) действуют в отрицательном направлении (вниз). Величина ГК равна собственному весу кисти (1 кг). Величину ПрК тоже несложно определить, если сначала посмотреть на гирю. Если гиря весит 3 кг («сила тяжести-гиря»), то тогда сила («кисть-гиря») должна равняться +3 кг, если только гиря больше ничего не касается, и она находится в равновесии. Если кисть тянет гирю вверх с силой +3 кг, то гиря тоже тянет кисть, но вниз, с силой -3 кг. Таким образом, величина ПрК равна -3 кг. Две направленные вниз силы (ПрК и ГК), если кисть находится в равновесии, уравновешены тягой, осуществляемой предплечьем вверх (ПрК), которая должна быть положительной по направлению и равна по величине сумме ГК + ПрК (+4 кг). Хотя справедливо, что силы, возникающие в результате контакта предметов, всегда являются парными и всегда действуют на соприкасающиеся и разные предметы, силой реакции на одном предмете всегда можно пренебречь, если она не создает проблем руке.
На рис. 2.19 человек стоит на напольных весах с намерением измерить собственный вес, т. е. силу «гравитация-человек» (ГЧ).
Рис. 2.19. Сила воздействия человека на весы. Хотя считается, что весы измеряют вес человека («сила тяжести-человек», СтЧ), на самом деле они регистрируют контакт «человек-весы» (ЧВ). Векторы СтЧ и ЧВ равны по величине, если человек не находится в контакте с чем-то еще
Естественно, весы измеряют не силу, действующую на человека, а силу, которая действует собственно на весы. На самом деле регистрируется сила воздействия человека на весы (ЧВ), весы измеряют вес человека (т. е. силу, с которой человек действует на весы). Вектор ЧВ всегда будет равным по величине и противоположным по направлению вектору силы реакции весов на человека (ВЧ).
Когда человек находится в равновесии, и ничего не касается, величины сил действия человека на весы и гравитации на человека равны, соответственно величины ВЧ и ГЧ тоже будут равны.
Разница между СтЧ и силой реакции ЧВ может оказаться очень значимой, если человек на весах касается еще чего-либо. Если взвешивающийся человек держит что-то, то его вес (СтЧ) не меняется, но контактные силы (ВЧ, ЧВ) увеличатся. Аналогичным образом все знакомы с феноменом, когда во время взвешивания в ванной легкое надавливание на стенку ванны вызывает уменьшение веса. Давление пальцев вниз вызывает реакцию стенки ванны вверх (СтЧ). Теперь, равнодействующая (-СтЧ) + (+СтЧ) дает сумму, меньшую, чем сама СтЧ. Контакт между человеком и стенкой ванны создал дополнительную силу реакции, действующую на человека и выражающуюся в мнимом уменьшении веса. Естественно, это не уменьшение СтЧ, а уменьшение ВЧ.
Поскольку весы на самом деле измеряют не вес человека, а силу реакции «человек-весы», ЧВ будет равна СтЧ только в том случае, когда на человека не действуют какие-либо посторонние силы. В данном примере силу реакции (ЧВ) игнорировать нельзя, так как она является переменной, представляющей наибольший интерес.
Когда существует состояние равновесия, все силы, действующие на предмет, сбалансированы (сумма всех сил, действующих на предмет, равна нулю). Если на предмет действуют несбалансированные силы, объекту обязательно придается ускорение. На рис. 2.20 показаны три человека, тянущих веревку.
Рис. 2.20. Неуравновешенность сил, действующих на веревку, создает ускорение веревки в направлении человека С
Участники А и В тянут веревку, каждый с силой = 10 кг. Участник С развивает силу в = 21 кг в противоположном, или отрицательном направлении. Все силы действуют на один и тот же объект (веревка), по одной линии и, соответственно, являются частями одной линейной системы сил. Поскольку контакт с веревкой осуществляют только люди (незначительным действием силы тяжести можно пренебречь, так как веревка очень легкая), то равнодействующая сил, действующих на веревку, R = (+10 кг) + (+10 кг) + (-21 кг) = -1 кг. Чистый эффект воздействия на веревку равен 1 кг; он направлен в левую сторону и заставляет веревку двигаться с ускорением в этом направлении. Как только предмет начинает ускоряться, возникают новые силы, и кинетический анализ становится значительно сложнее. Мы будем придерживаться довольно простого (даже упрощенного) подхода, который не включает в себя более сложных понятий динамики.