Ньютон (единица измерения)

Ньютон (русское обозначение: Н; международное: N) — единица измерения силы в Международной системе единиц (СИ). Является производной единицей, определяемой как сила, которая сообщает телу массой 1 килограмм ускорение 1 метр в секунду за секунду в направлении действия силы. Названа в честь английского физика и математика Исаака Ньютона, заложившего основы классической механики.

Определение и место в системе единиц

Ньютон входит в число семи основных единиц СИ, производных от базовых: метра (м), килограмма (кг) и секунды (с). Формальное определение, принятое Генеральной конференцией по мерам и весам (CGPM), гласит:

1 Н = 1 кг·м·с⁻²

Это означает, что один ньютон равен силе, необходимой для придания ускорения в 1 м/с² телу массой 1 кг. В системе СГС (сантиметр-грамм-секунда) аналогом ньютона является дина (1 дин = 10⁻⁵ Н). В технической системе единиц (МКГСС) использовалась единица килограмм-сила (кгс), которая приблизительно равна 9,80665 Н — силе, с которой Земля притягивает тело массой 1 кг на уровне моря.

Соотношение с другими единицами силы

История

Понятие силы как физической величины существовало задолго до Ньютона, однако единого стандарта её измерения не было. В XVII веке Исаак Ньютон в своём труде «Математические начала натуральной философии» (1687) сформулировал три закона движения, связавшие силу, массу и ускорение. Второй закон Ньютона (F = m·a) стал основой для определения единицы силы.

В 1873 году Британская ассоциация содействия развитию науки (BAAS) предложила систему единиц СГС, где единицей силы стала дина. Однако с развитием техники и науки возникла потребность в более крупной и удобной единице, основанной на метре и килограмме.

В 1881 году на Международном конгрессе электриков в Париже было предложено назвать единицу силы в системе МКС (метр-килограмм-секунда) «ньютоном». Официальное принятие произошло в 1948 году на IX Генеральной конференции по мерам и весам (CGPM), которая включила ньютон в число производных единиц СИ. Окончательно ньютон был утверждён как единица силы в СИ в 1960 году на XI CGPM.

Физический смысл и примеры

Ньютон — сравнительно небольшая единица. Для наглядности:

• 1 Н — сила, с которой тело массой 102 грамма (например, яблоко среднего размера) давит на опору в поле тяготения Земли (g ≈ 9,8 м/с²).
• 10 Н — сила тяжести, действующая на тело массой 1 кг.
• 100 Н — усилие, необходимое для подъёма ведра воды объёмом 10 литров.
• 1 кН (килоньютон) — сила, примерно равная весу человека массой 100 кг (с учётом ускорения свободного падения).
• 1 МН (меганьютон) — сила, развиваемая ракетным двигателем средней мощности (например, двигатель РД-180 развивает тягу около 4 МН в вакууме).

Сила тяжести

На поверхности Земли ускорение свободного падения g составляет в среднем 9,80665 м/с². Таким образом, сила тяжести, действующая на тело массой m, вычисляется по формуле:

F = m · g

Например, для тела массой 1 кг: F ≈ 1 кг × 9,8 м/с² = 9,8 Н. На Луне g ≈ 1,62 м/с², поэтому тот же 1 кг будет весить всего 1,62 Н.

Кратные и дольные единицы

В СИ для образования кратных и дольных единиц ньютона используются стандартные десятичные приставки. Наиболее распространённые:

В технике и строительстве часто используют килоньютоны (кН) для измерения нагрузок на конструкции, тяги двигателей и усилий в механизмах. Меганьютоны (МН) применяются в ракетной технике, сейсмологии и физике высоких энергий.

Применение

Ньютон является универсальной единицей силы в науке, технике и повседневной жизни.

Физика и механика

• Динамика: расчёт сил, действующих на тело (сила тяжести, сила трения, сила упругости, сила реакции опоры).
• Статика: определение равнодействующей сил, расчёт моментов сил (в ньютон-метрах, Н·м).
• Гидро- и аэродинамика: сила Архимеда, сила лобового сопротивления, подъёмная сила.
• Колебания и волны: сила упругости в законе Гука (F = k·x, где k — жёсткость в Н/м).

Техника и инженерия

• Строительство: расчёт несущей способности конструкций (балок, колонн, фундаментов) в килоньютонах.
• Машиностроение: измерение усилий в гидравлических и пневматических системах, прессах, домкратах.
• Авиация и космонавтика: тяга двигателей (например, двигатель НК-33 развивает тягу около 1,5 МН).
• Электротехника: сила Ампера, действующая на проводник с током в магнитном поле (F = B·I·L, результат в ньютонах).

Повседневная жизнь

• Измерение веса: бытовые пружинные весы (кантеры) градуируются в ньютонах, хотя на практике чаще используются килограммы-силы.
• Спорт: силомеры (динамометры) для измерения силы сжатия кисти или тяги мышц.
• Медицина: измерение силы сжатия челюстей, мышечной силы пациента.

Измерение силы

Для измерения силы в ньютонах применяются:

• Динамометры (пружинные, рычажные, электронные) — преобразуют силу в деформацию упругого элемента.
• Тензодатчики — резистивные датчики, изменяющие сопротивление при деформации.
• Пьезоэлектрические датчики — генерируют электрический заряд пропорционально приложенной силе.
• Гидравлические и пневматические силоизмерители — измеряют давление жидкости или газа, создаваемое силой.

Эталон силы в СИ воспроизводится с помощью грузов известной массы в поле тяготения Земли (сила тяжести) или с помощью электромагнитных компенсаторов (сила Ампера).

Интересные факты

• Ньютон и килограмм-сила: в быту и технике СССР и России долгое время использовалась единица «килограмм-сила» (кгс). Переход на ньютоны в официальных документах и стандартах произошёл в 1960-е годы, но в обиходе кгс встречается до сих пор.
• Ньютон-метр: единица момента силы (Н·м) широко используется в автомобильной промышленности для измерения крутящего момента двигателя.
• Микроньютоны: в космической технике измеряют силы, создаваемые ионными двигателями (например, двигатель NEXT развивает тягу около 0,3 Н, а микродвигатели для ориентации спутников — единицы микроньютонов).
• Ньютон в законе всемирного тяготения: сила гравитационного притяжения между двумя телами массой 1 кг на расстоянии 1 м составляет около 6,67·10⁻¹¹ Н — чрезвычайно малая величина.
• Самый сильный динамометр в мире: установлен в Национальном институте стандартов и технологий США (NIST) и способен измерять силы до 4,5 МН (около 450 тонн-силы).

Источники

• Международная система единиц (СИ). Брошюра SI. 9-е издание, 2019.
• ГОСТ 8.417-2002. Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин.
• Физическая энциклопедия. Том 3. М.: Большая Российская энциклопедия, 1992.
• Исаак Ньютон. Математические начала натуральной философии. М.: Наука, 1989.
• Сена Л. А. Единицы физических величин и их размерности. М.: Наука, 1977.