Statika, která je oborem mechaniky, se zabývá působením sil na tělesa v klidu [1]. Působící síly dělíme na vnější, které označujeme jako akční, a na reakční, které působí v místě styku tělesa s jinými tělesy. Reakční síly jsou důsledkem působení akčních sil na těleso. Z prvního Newtonova zákona [2] plyne, že je-li výslednice všech působících sil nulová, je těleso buď v klidu, nebo koná přímočarý rovnoměrný pohyb. To znamená, že u statického tělesa je výslednice všech sil nulová. Otázkou je, co je příčinou těchto sil.

Vyjděme z příkladu dřevěné bedny, která leží nehybně na zemi. Protože bedna má nenulovou hmotnost, působí na ni kolmo dolů tíhová síla Země [3], která je silou vnější, tj. akční. Příčinou této síly je přitahování dvou hmotných objektů: bedny a Země. Jinými slovy, jedná se o gravitační interakci, která je jednou ze čtyř základních interakcí v našem vesmíru vedle interakce elektromagnetické a silné a slabé jaderné interakce [4]. S efekty gravitační a elektromagnetické interakce se setkáváme každý den. První je zodpovědná za pády jablek ze stromů, druhá pak za většinu jevů všedního dne spojených s interakcemi mezi elektrickými náboji: například v televizi, žárovce nebo laseru.

Obě jaderné interakce, jak název napovídá, se týkají fyziky atomových jader a subatomárních částic. Slabá interakce je například zodpovědná za přeměnu neutronu v atomovém jádře na proton za současného uvolnění elektronu. Tento proces je jednou z možných cest radioaktivní přeměny nestabilních (radioaktivních) atomových jader, kterému se říká beta rozpad [5]. Silná interakce naopak drží protony a neutrony v jádře u sebe, aby mohly tvořit stabilní prvky [6], jelikož kladně nabité protony se v důsledku elektromagnetické interakce jinak odpuzují. Silná interakce tak hraje naprosto klíčovou roli v existenci chemických prvků těžších než nejlehčí vodík, který má atomové jádro jen s jedním protonem.

Ale zpět k bedně, kde jsme zatím vysvětlili jen příčinu tíhové síly. Aby bedna mohla zůstat v klidu, musí na ni působit další síla, která přesně kompenzuje sílu tíhovou tak, aby výslednice byla nulová. Touto hledanou silou je tzv. síla normálová, která působí mezi dvěma povrchy, které se dotýkají [7], tj. mezi spodkem bedny a povrchem země. Normálová síla je silou reakční v důsledku akční tíhové síly. Kdyby normálová síla neexistovala, bedna by se propadla skrz zemi. Ale jak víme, k tomu nedochází. Co je tedy příčinou normálové síly?

V úvahu přicházejí obě jaderné interakce, ale ty to nejsou, jelikož jejich působení je jen na velmi krátkou vzdálenost srovnatelnou s rozměry atomových jader [4]. Správnou odpovědí je tedy elektromagnetická interakce. Bedna svou tíhou stlačuje zemi, která se deformuje. Z mikroskopického pohledu si deformaci můžeme představit jako stlačování všech vazeb v molekulách, které tvoří dané pevné těleso. Molekulové vazby nejsou nic jiného než elektromagnetické interakce mezi jednotlivými atomy. Stlačení způsobí vychýlení z rovnováhy, které ve svém výsledku vede ke vzniku elektromagnetických sil, které působí proti směru stlačení. Sečteme-li všechny tyto síly, dostaneme makroskopickou normálovou sílu působící proti deformaci (kolmo nahoru). Na konci celého procesu máme bednu v klidu, protože výslednice normálové a tíhové síly je nulová.

Když si to shrneme, všechny síly jsou výsledkem jedné ze čtyřech fundamentálních interakcí. V případě reakčních sil, tak jak je označuje statika, je jejich příčinou elektromagnetická interakce. Tak hlavně ať jsme v rovnováze!

Pro Zeptej se vědce odpovídal Vítek