Силата е физична величина и основно понятие във физиката. Тя е мярка за взаимодействието между телата - това взаимодействие предизвиква или деформация (когато тялото е с крайни размери) или промяна на посоката и/или големината на скоростта, с други думи получаване на някакво ускорение. Силата е векторна величина и 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. Това 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 - което донякъде е вярно, тъй като само в идеалния случай липсва триене и съпротивление на околната среда. Всички тези грешки са поправени от Исак Нютон, който създава трите закона за движение (принципи на Нютон или принципи на механиката), останали непроменени в продължение на 300 години. Едва през XX век Алберт Айнщайн създава теорията на относителността и обобщава законите на Нютон за скорости близки до тази на светлината, като заедно с това обяснява силите свързани с гравитацията и инерцията. С развитието на модерната физика и по-точно на квантовата механика и на технологиите, днес учените могат да ускоряват частици до скорост, близка до тази на светлината. Те създават стандартния модел за да опишат силите, които съществуват между частици, дори по-малки от атома.
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. От друга страна неестественото или насилствено движение изисква продължителното и постоянно прилагане на сила. Тази теория е основана на всекидневния опит относно движението на обектите - като например постоянното прилагане на сила, за да остане каруцата в движение. Теорията обаче е концепцуално 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, (по-точно неговото съпротивление) всъщност спира, а не ускорява стрелите. Критиките на учението на Аристотел започват още в ранното Средновековие, но слабостите му не са коригирани до XVII век. Промяната идва с трудовете на 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. Галилей 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 друга сила - например триене.
Първият закон на Нютон за движението гласи че обектите продължават да се движат с постоянна скорост или да остават в покой, освен ако върху тях не действа външна сила – резултатната сила не е нула. 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. Този първи закон противоречи на Аристотелевото интуитивно убеждение че някаква сила е необходима за поддържането на 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, в 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 - според него 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.
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. Записваме го 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. Това означава, че в затворена система от частици, няма вътрешни сили, които да са небалансирани, с други думи, че 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. С помощта на подобни аргументи е възможно да се обобщи за система от произволен брой частици. Фундаментални взаимодействия Основна статия: 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. Макар 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 То е най-слабото от всички фундаментални взаимодействия и макар да действа между обекти с всякаква маса, обикновено става забележимо между масивни тела на огромни разстояния. Гравитационното взаимодействие се нарича още сила на тежестта. В рамките на класическата механика се описва със закона за всеобщото привличане, формулиран от Нютон в неговия труд „Математически начала на натурофилософията“. Големината на силата на привличането е право пропорционална на масите и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между телата. Теорията на Нютон добре описва движението на планетите от слънчевата система и много други небесни тела но е неприемлива за движението на тела, които се движат със скорост, близка до скоростта на светлината или за масивни обекти като черните дупки, както и при променливи гравитационни полета. Обобщаваща теория на гравитационното взаимодействие е общата теория на относителността на Алберт Айнщайн. В нея гравитацията не се характеризира с инвариантна сила, която не зависи от избора на отправна система, а вместо това като свободно движение на телата в гравитационно поле с променлива скорост, разглеждано като движение по инерция в изкривеното четиримерно пространство-време, в което времето в различните точки тече различно. Изкривяването на пространството зависи от масата на телата и видовете енергия в системата.
Електромагнитната сила е силата, действаща върху заредена частица, причинена от електрическото, магнитното или електромагнитно полета на средата, в която тя се намира. Електромагнитното взаимодействие съществува между частици, които имат електричен заряд. От гледна точка на квантовата теория на полето електромагнитното взаимодействие се пренася от безмасовите бозони – фотоните. Самият фотон няма електричен заряд, а това означава че не може да взаимодейства непосредствено с други фотони. В електромагнитните взаимодействия участват също кварки, електрон, мюони и тау-лептони (фермиони), а също така и калибровъчни бозони. Електростатичното взаимодействие е описано подробно със закона на Кулон. Подобно на гравитационното взаимодействие, тази сила намалява с квадрата на разстоянието и е пропорционална на двата заряда. За разлика от гравитационното обаче, тази сила може да е както на привличане, така и на отблъскване, а също така е няколко порядъка по-силна. Електромагнитното взаимодействие се описва от класическата електродинамика. Електромагнитните сили и взаимодействия са разбрани в детайли от физиците едва след съставянето на уравненията на Максуел.
Силното ядрено взаимодействие действа на много малки разстояния – от порядъка на атомното ядро. На него се дължи привличането между нуклеоните в ядрата - нуклеони са протоните и неутроните. Протоните имат положителен заряд, но въпреки това са здраво свързани в ядрото на атома - очевидно има някаква доста по-голяма сила от електростатичното взаимодействие, която ги задържа! Тази сила се описва от съвременната квантова хромодинамика, която обяснява огромен брой закономерности във физиката на силното взаимодействие с помощта на така наречения стандартен модел. Единственият липсващ елемент в стандартния модел е бозонът на Хигс. Очаква се хипотезата за неговото съществуване да бъде потвърдена и доказано с Големия адронен ускорител в ЦЕРН. В силното взаимодействие участват кварките и глуоните, а също така съставените от тях елементарни частици, наречени адрони (най-известни примери за адрони са протоните и неутроните, изграждащи голяма част от познатата ни материя).
Слабото ядрено взаимодействие също действа на много малки разстояния, но е значително по-слабо от електромагнитното и силното ядрено взаимодействия. Характерна черта при слабото взаимодействие е сравнително голямото време на живот на частиците и тяхната колосална проникваща способност. В слабото взаимодействие участват всички основни фермиони (лептони и кварки) и техните античастици. То е отговорно за радиоактивния разпад на субатомните частици, както и за процеса, известен като ядрен синтез в звездите. Слабото взаимодействие засяга всички известни фермиони, т.е. частици, чийто спин (собствена характеристика на всички частици) е половин цяло число. В стандартния модел на физиката на елементарните частици съществува теория, според която появата на слабото взаимодействие се причинява от замяната (емисионна или на поглъщане) на W и Z бозони, и тъй като е следствие от емисии (или поглъщане) на бозони, се явява безконтактна сила. Най-известният ефект от тази емисия е бета разпадът.
В механиката нормалната сила (понякога отбелязвана с N) е компонентата на контактната сила, перпендикулярна на повърхността, където се осъществява този контакт и упражнявана върху обект - например на повърхността на пода или на стената. На микрониво нормалната сила е силата на отблъскване между атомите при близък контакт.
Триенето е процес на взаимодействие на твърдите тела при относителното им движение в твърда, газообразна или течна среда. Триенето по принцип има електронна природа. Коефициентът на триене е число, характеризиращо степента на сцепление между две повърхности. Съществува статичен (в покой) и динамичен (в движение) коефициент на триене, като статичният е винаги по-голям от динамичния. Силата на триене е пропорционална на коефициента на триене и на нормалната сила (реакцията на опората). Частен случай на сила на триене е съпротивлението на въздуха.
Силата на опъване във физиката се наблюдава при въжета, вериги, или кабели и е винаги успоредна на тях. Измерва се в нютони както всяка друга сила. Приема се че въжето или кабелът имат пренебрежимо малка маса в сравнение с предмета, окачен на тях. Силата на усукване (или известна по-скоро като момент на силата) предизвиква въртене. Тук може да се използва вторият закон на Нютон за алтернативна дефиниция на момент на силата. Единицата за измерване на момента на силата е N/m. Момент на силата е физична величина, която описва въртящ ефект или въртене, предизвикано от действието на сила върху тяло. Той се определя като произведението на силата, упражнена върху тялото, и разстоянието между осата на въртене и линията на действие на силата. Моментът на силата се изразява също и в единицата джаул (J). Математически моментът на силата (M) се дефинира като: M = F * d * sin(θ) където: F е силата, упражнена върху тялото, d е перпендикулярното разстояние от оста на въртене до линията на действие на силата, θ е ъгълът между вектора на силата и вектора на разстоянието d. Моментът на силата може да предизвика въртене на тялото около осата на въртене или да бъде балансиран от друг момент на сила. Той представлява важна концепция във физиката, особено в механиката и динамиката на въртенето. Моментът на силата играе важна роля във формулирането на законите на движение и в разбирането на принципите на равновесие и въртене на телата. Въртящият момент (или моментът на сила) е физическа величина, която описва въртенето или въртенето на обект около определена ос. Този термин се използва често във физиката и инженерните дисциплини и е от голямо значение при изследването на различните механични системи и движението им. Моментът на сила на обект може да се определи като произведението на две величини: силата, която действа върху обекта, и разстоянието от оста на въртене до линията на действие на силата. Математически, въртящият момент (M) се изчислява по формулата: M = F * d където: M е въртящият момент в Нютон-метри (Nm) или джули (J), F е силата, която действа върху обекта, измерена в Нютона (N), d е разстоянието от оста на въртене до линията на действие на силата, измерено в метри (m). В други системи за мерки и теглилки могат да се използват и различни единици, като например фут-фунт в американската система. Въртящият момент е от съществено значение при анализа на въртящи се машини, като електрически мотори, двигатели на автомобили, турбини и други. Той играе ролята на измерител и контролер на силите, които участват в тези системи и определя динамичното поведение на въртящите се компоненти.
За един обект, който се движи по окръжност, небалансираната сила, действаща на обекта е наречена центростремителна и представлява единичен вектор с посока навън от центъра. Това означава че центростремителната сила е насочена винаги към центъра на окръжността и е перпендикулярна на вектора на скоростта. Това означава че тя не може да промени стойността на вектора на скоростта на обекта, а само неговата посока. Центростремителната сила винаги действа перпендикулярно на посоката на движение на тялото. В случаи когато обектът се движи по дъга от окръжност с променлива скорост, пълната сила се разлага на перпендикулярна компонента, която променя посоката на движение (центростремителна компонента), и паралелна или тангенциална компонента, която променя скоростта. За разлика от центростремителната, центробежната сила е пример за фиктивна сила (наречена още псевдосила), която се появява в неинерциални отправни системи. Тя е инерционна сила и е насочена навън от центъра на въртене. Измерва се в Нютони и е пропорционална на ъгловата скорост ω. Центробежната сила се появява тогава, когато за отправна система се използва въртяща се система по отношение на инерциална отправна система. В инерциалните отправни системи центробежната сила изчезва. Еластична сила Илюстрация на закона на Хук Еластичната сила е свързана с еластични материали като пружини и ластик. Това е силата, която връща материала в равновесното му състояние, или с началната му дължина. Една идеална пружина може да бъде разтегната до безкрайност, не може да се счупи и няма маса или триене. Тази линейна зависимост е изследвана от Робърт Хук през 1676 г. и днес е наречена на него – закон на Хук. Ако Δ � {\displaystyle \Delta x} е преместването, силата за идеална пружина е: константата на пружината, която е специфична за дадена пружина. Минусът означава, че е в посока, обратна на приложената сила. Единици за сила Силата се измерва с няколко различни единици: Нютон – това е единицата за сила в SI със символ N, тя се определя по следния начин: 1 N e силата, необходима за придаване на ускорение от 1 m/s² на тяло с маса 1 kg или силата, придаваща импулс от 1 kg.m/s. Нютонът е производна единица и се равнява на kg × m × s-2 Дина – това е единицата за сила в CGS, чийто символ е dyn. Дефинира се по следния начин: 1 dyn e силата, която придава на маса 1 g ускорение от 1 cm/s. Връзката ѝ с нютона е 1 dyn = 1 g·cm/s² = 10−5 kg·m/s² = 10 µN Килограм-сила – това е стара мярка за сила, нейният символ е kgf и 1 kgf = 9,80665 N Планковска сила – това е една от производните единици в системата единици на Планк.
Извън чисто физическия смисъл на силата терминът може да се изпозлва и в чисто психологически аспект. Изразът "сила на духа" може да бъде преведен на български език като сила на волята или вътрешна сила. Това е способността да се преодоляват трудностите, да се издържа при предизвикателства и да се продължи напред, въпреки пречките. Силата на духа помага на човека да преодолее страха, разочарованието и съмненията, и го подкрепя в стремежа му към постигане на целите. За развитието на силата на духа може да се ползват различни практики и подходи. Някои от тях включват позитивно мислене, визуализация, афирмации, медитация, физическа активност, самоотчитане и насочване към успеха. Важен фактор също е подкрепата от околната среда и наличието на вдъхновяващи хора около нас. Важно е да се отбележи, че сила на духа е понятие, което често се използва в контекста на мотивацията и личностното развитие, и всеки може да изследва и развива собствената си сила на духа в съответствие със своите цели и жизнени обстоятелства.
Възможно е силата на духа да се изгражда чрез стресови ситуации - стресът и изобщо неблагоприятната външна среда стимулира организма да се адаптира - което и изгражда духа подобно на физическите тренировки, които стимулират мускулите на тялото. При изпадане в декомпенсация обаче (дистрес - прекалено силен стрес) бързо се стига до деструктивни промени в психиката на човека. Тъй като адаптивните способности при всеки един индивид са различни, различно е и нивото на стреса, който може да извади от равновесие всеки един от нас. При някои хора дори и минимални дразнители могат да доведат до истерични реакции и изпадане в тотална декомпенсация, докато при други дори и по-силни дразнители имат единствено стимулиращ ефект и водят до допълнително изграждане на характера.