Czy siła wypadkowa może być ujemna?

Pytanie

Pyta Kamil

Czy siła wypadkowa sił może być ujemna? Pytam, ponieważ w drugiej zasadzie dynamiki Newtona jest powiedziane: „W inercjalnym układzie odniesienia, jeśli siły działające na ciało nie równoważą się (czyli wypadkowa sił jest różna od zera), to ciało porusza się z przyspieszeniem wprost proporcjonalnym do siły wypadkowej, a odwrotnie proporcjonalnym do masy ciała”. Skoro wypadkowa siła może być różna od zera, to czy może być ujemna?

Odpowiedź

Odpowiada prof. Piotr Sułkowski

Przede wszystkim – zero to nie znaczy zawsze to samo… tzn. trzeba dobrze rozumieć o jakim „zerze” mówimy, i jakie „zero” wspomniane jest w przytoczonym sformułowaniu II zasady dynamika Newtona. O tym czy jakaś wielkość jest mniejsza lub większa od zera jest sens mówić wtedy, kiedy może ona przyjmować tylko wartości rzeczywiste, tzn. kiedy do określenia takiej wielkości wystarczy podanie jednej liczby (rzeczywistej). Przykładami takich wielkości są wielkości skalarne, jak np. masa, temperatura (w danym punkcie), itp.

Natomiast wspomniana w II zasadzie Newtona siła jest wielkością wektorową, tzn. do jej określenia trzeba podać trzy wartości rzeczywiste, czyli trzy składowe wektora siły (w wybranym wcześniej układzie odniesienia). Stwierdzenie, że (wypadkowa) siła jest równa zero oznacza, że wszystkie te trzy składowe są równe zero. Jest to zatem inne „zero” niż w przypadku wielkości skalarnej. O ile powiedzenie że siła jest równa zero ma sens (oznacza to, że wszystkie jej składowe są równe zero), to nie jest jasne co znaczy, że jest ona mniejsza lub większa od zera – przynajmniej o ile nie wyjaśni się dokładnie, co przez to rozumieć.

Aby określić ile wynosi dana siła, czy też ogólniej zadać jakiś wektor, równoważnie można podać jego kierunek i zwrot oraz wartość. W takim wypadku wartość jest dana jako jedna liczba rzeczywista, i wtedy rzeczywiście można określić czy jest ona mniejsza czy większa od zera – natomiast ma to tylko sens w połączeniu z informacją o kierunku i zwrocie takiej wielkości: wartość dodatnia oznacza, że wektora jest zgodny z zadanym kierunkiem i skierowany w tę samą stronę co zadany zwrot; wartość ujemna oznacza, że wektor jest skierowany przeciwnie niż zadany zwrot.

Zatem żeby móc powiedzieć, że siła jest mniejsza lub większa od zera, musimy najpierw określić jej kierunek i zwrot – czyli umówić się, w kierunku jakiej osi wartości siły uznajemy za dodatnie (i wtedy siły zwrócone w przeciwną stronę uznajemy za ujemne). Kiedy jednak porównujemy lub liczymy wypadkową sił o różnych kierunkach, to nie jesteśmy wstanie określić co by miało znaczyć, że są one mniejsze lub większe od zera. Np. jeśli na dany obiekt działa jedna siłą skierowana w kierunku wschodnim, oraz siła o takiej samej wartości skierowana w kierunku północnym, to wypadkowa siła działa w kierunku północno-wschodnim. W tym wypadku jak najbardziej ma sens powiedzenie, że ta wypadkowa siła jest różna od zera; ale nie można powiedzieć, że jest ona mniejsza lub większa od zera, przynajmniej nie podając żadnej dodatkowej informacji (o wyborze osi, wzdłuż której odmierzamy wartości danej siły).