Законы ньютона. Законы механики ньютона На действие есть противодействие

На груз в лифте действуют сила тяжести и сила реакции опоры .

По второму закону Ньютона:

Направим координатную ось , как показано на рисунке и запишем это векторное равенство в проекциях на координатную ось:

откуда сила реакции опоры:

Груз будет действовать на пол лифта с силой, равной его весу. По третьему закону Ньютона, эта сила равна по модулю силе, с которой пол лифта действует на груз, т.е. силе реакции опоры:

Ускорение свободного падения м/с

Подставив в формулу численные значения физических величин, вычислим:

Сила удара, с которой второй шар действует на первый:

а сила удара, с которой первый шар действует на второй:

По третьему закону Ньютона, эти силы противоположны по направлению и равны по модулю, поэтому можно записать.

Законы динамики Ньютона (классическая динамика) имеют ограниченную область применимости. Они справедливы для макроскопических тел, движущихся со скоростями, много меньшими, чем скорость света в вакууме.

Формулировка первого закона Ньютона (он также известен как закон инерции ):

Первый закона Ньютона Существуют такие системы отсчёта, называемые инерциальными, относительно которых тело движется прямолинейно и равномерно, если на него не действуют другие тела или действие этих тел скомпенсировано.

В инерциальной системе отсчета тело движется равномерно и прямолинейно при отсутствии действующих на него сил.

Инерция Явление сохранения скорости движения тела при отсутствии внешних воздействий или при их компенсации называется инерцией. Поэтому первый закон Ньютона называют законом инерции.

Если равнодействующая всех сил, действующих на данное тело равна нулю, то тело движется равномерно и прямолинейно или не движется вовсе. В реальности добиться равенства нулю равнодействующей силы невозможно. Но можно пренебречь некоторыми действиями и выбрать такой участок движения, когда скорость тела существенно не меняется.

Впервые закон инерции был сформулирован Галилео Галилеем (1632 г.). Ньютон обобщил выводы Галилея и включил их в число основных законов движения.

ИСО инерциальные системы отсчета - это системы отсчета, в которых выполняется 1-й закон Ньютона.

Итак, причиной изменения скорости движения тела в инерциальной системе отсчета всегда является его взаимодействие с другими телами. Для количественного описания движения тела под воздействием других тел необходимо ввести две новые физические величины – инертную массу тела и силу .

Масса

Масса – это свойство тела, характеризующее его инертность. При одинаковом воздействии со стороны окружающих тел одно тело может быстро изменять свою скорость, а другое в тех же условиях – значительно медленнее. Принято говорить, что второе из этих двух тел обладает большей инертностью, или, другими словами, второе тело обладает большей массой.

Если два тела взаимодействуют друг с другом, то в результате изменяется скорость обоих тел, т. е. в процессе взаимодействия оба тела приобретают ускорения. Отношение ускорений двух данных тел оказывается постоянным при любых воздействиях. В физике принято, что массы взаимодействующих тел обратно пропорциональны ускорениям, приобретаемым телами в результате их взаимодействия.

Сравнение масс двух тел.

\[ \dfrac{m_1}{m_2} =-\dfrac{a_2}{a_1} \]

В этом соотношении величины \(a_1\) и \(a_2\) следует рассматривать как проекции векторов \(a_1\) и \(a_2\) на ось OX . Знак «минус» в правой части формулы означает, что ускорения взаимодействующих тел направлены в противоположные стороны.

В Международной системе единиц (СИ) масса тела измеряется в килограммах (кг) .

Масса любого тела может быть определена на опыте путем сравнения с массой эталона (\(m_{\text{эт}} = 1 \text{кг} \) ). Пусть \(m_1 = m_{\text{эт}} = 1 \text{кг} \) . Тогда

\[ m_2=-\dfrac{a_1}{a_2} m_{\text{эт}} \]

Масса тела – скалярная величина . Опыт показывает, что если два тела с массами \(m_1 \) и \(m_2 \) соединить в одно, то масса \(m \) составного тела оказывается равной сумме масс \(m_1 \) и \(m_2 \) этих тел:

\[ M = m_1 + m_2 \]

Это свойство масс называют аддитивностью .

Сила

Сила – это количественная мера взаимодействия тел. Сила является причиной изменения скорости тела. В механике Ньютона силы могут иметь различную физическую природу: сила трения, сила тяжести, упругая сила и т. д. Сила является векторной величиной, имеет модуль, направление и точку приложения .

Векторная сумма всех сил, действующих на тело, называется равнодействующей силой .

Чтобы изменить скорость движения тела, на него необходимо подействовать с некоторой силой. Естественно, результат действия одинаковых по величине сил на различные тела будет различным.

Существует 4 основных типа взаимодействия :

• гравитационное,
• электромагнитное,
• сильное,
• слабое.

Все взаимодействия являются проявлениями этих основных типов.

Примеры сил: сила тяжести, сила упругости, вес тела, сила трения, выталкивающая (архимедова) сила, подъемная сила.

Что такое сила? Сила - мера воздействия одного тела на другое.

Сила - векторная величина. Сила характеризуется:

• модулем (абсолютной величиной);
• направлением;
• точкой приложением.

Для измерения сил необходимо установить эталон силы и способ сравнения других сил с этим эталоном.

В качестве эталона силы можно взять пружину, растянутую до некоторой заданной длины. Модуль силы F 0, с которой эта пружина при фиксированном растяжении действует на прикрепленное к ней тело, называют эталоном силы . Способ сравнения других сил с эталоном состоит в следующем: если тело под действием измеряемой силы \(\vec{F} \) и эталонной силы \(\vec{F_0} \) остается в покое (или движется равномерно и прямолинейно), то силы равны по модулю \(\vec{F} \) = \(\vec{F_0} \) .

Сравнение силы \(\vec{F} \) с эталоном. \(\vec{F} \) = \(\vec{F_0 } \)

Если измеряемая сила \(\vec{F } \) больше (по модулю) эталонной силы, то можно соединить две эталонные пружины параллельно. В этом случае измеряемая сила равна \(\vec{ 2 F_0 } \) . Аналогично могут быть измерены силы \(\vec{ 3 F_0 } \) , \(\vec{ 4 F_0 } \) и т. д.

Сравнение силы \(\vec{F } \) с эталоном. \(\vec{F} \) = \(\vec{2 F_0} \)

Измерение сил, меньших \(\vec{2 F_0} \)

Сравнение силы \(\vec{F } \) с эталоном. \(\vec{F} \) = \(\vec{2 F_0} \cos (\alpha) \)

Эталонная сила в Международной системе единиц называется Ньютон(Н) .

Сила в 1 Н сообщает телу массой 1 кг ускорение 1 м/с2

Размерность [Н]

\[ 1\text{Н} = 1\dfrac{\text{кг}\cdot \text{м}}{\text{с}^2} \]

На практике нет необходимости все измеряемые силы сравнивать с эталоном. Для измерения сил используют пружины, откалиброванные описанным выше способом. Такие откалиброванные пружины называются динамометрами . Сила измеряется по растяжению динамометра.

Зако́ны Ньюто́на - три закона, лежащие в основе классической механики и позволяющие записать уравнения движения для любой механической системы, если известны силовые взаимодействия для составляющих её тел. Впервые в полной мере сформулированы Исааком Ньютоном в книге «Математические начала натуральной философии» (1687 год)

Первый закон Ньютона постулирует существование инерциальных систем отсчета. Поэтому он также известен как Закон инерции . Инерция — это явление сохранения телом скорости движения (и по величине, и по направлению), когда на тело не действуют никакие силы. Чтобы изменить скорость движения тела, на него необходимо подействовать с некоторой силой. Естественно, результат действия одинаковых по величине сил на различные тела будет различным. Таким образом, говорят, что тела обладают инертностью. Инертность - это свойство тел сопротивляться изменению их скорости. Величина инертности характеризуется массой тела.

Современная формулировка

В современной физике первый закон Ньютона принято формулировать в следующем виде:

Существуют такие системы отсчёта, называемые инерциальными, относительно которых материальная точка при отсутствии внешних воздействий сохраняет величину и направление своей скорости неограниченно долго.

Закон верен также в ситуации, когда внешние воздействия присутствуют, но взаимно компенсируются (это следует из 2-го закона Ньютона, так как скомпенсированные силы сообщают телу нулевое суммарное ускорение).

Историческая формулировка

Ньютон в своей книге «Математические начала натуральной философии» сформулировал первый закон механики в следующем виде:

Всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние.

С современной точки зрения, такая формулировка неудовлетворительна. Во-первых, термин «тело» следует заменить термином «материальная точка», так как тело конечных размеров в отсутствие внешних сил может совершать и вращательное движение. Во-вторых, и это главное, Ньютон в своём труде опирался на существование абсолютной неподвижной системы отсчёта, то есть абсолютного пространства и времени, а это представление современная физика отвергает. С другой стороны, в произвольной (скажем, вращающейся) системе отсчёта закон инерции неверен. Поэтому ньютоновская формулировка нуждается в уточнениях.

Второй закон Ньютона

Второй закон Ньютона - дифференциальный закон движения, описывающий взаимосвязь между приложенной к материальной точке силой и получающимся от этого ускорением этой точки. Фактически, второй закон Ньютона вводит массу как меру проявления инертности материальной точки в выбранной инерциальной системе отсчёта (ИСО).

Масса материальной точки при этом полагается величиной постоянной во времени и независящей от каких-либо особенностей её движения и взаимодействия с другими телами.

Современная формулировка

В инерциальной системе отсчёта ускорение, которое получает материальная точка с постоянной массой, прямо пропорционально равнодействующей всех приложенных к ней сил и обратно пропорционально её массе.

При подходящем выборе единиц измерения, этот закон можно записать в виде формулы:

где — ускорение материальной точки;
— сила, приложенная к материальной точке;
— масса материальной точки.

Второй закон Ньютона может быть также сформулирован в эквивалентной форме с использованием понятия импульс:

В инерциальной системе отсчета скорость изменения импульса материальной точки равна равнодействующей всех приложенных к ней внешних сил.

где — импульс точки, — её скорость, а — время. При такой формулировке, как и при предшествующей, полагают, что масса материальной точки неизменна во времени

Иногда предпринимаются попытки распространить сферу применения уравнения и на случай тел переменной массы. Однако, вместе с таким расширительным толкованием уравнения приходится существенным образом модифицировать принятые ранее определения и изменять смысл таких фундаментальных понятий, как материальная точка, импульс и сила .

Когда на материальную точку действуют несколько сил, с учётом принципа суперпозиции второй закон Ньютона записывается в виде:

или, в случае если силы не зависят от времени,

Второй закон Ньютона действителен только для скоростей, много меньших скорости света и в инерциальных системах отсчёта. Для скоростей, приближенных к скорости света, используются законы теории относительности.

Нельзя рассматривать частный случай (при ) второго закона как эквивалент первого, так как первый закон постулирует существование ИСО, а второй формулируется уже в ИСО.

Историческая формулировка

Исходная формулировка Ньютона:

Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.

Третий закон Ньютона

Этот закон объясняет, что происходит с двумя материальными точками. Возьмём для примера замкнутую систему, состоящую из двух материальных точек. Первая точка может действовать на вторую с некоторой силой , а вторая — на первую с силой . Как соотносятся силы? Третий закон Ньютона утверждает: сила действия равна по модулю и противоположна по направлению силе противодействия. Подчеркнём, что эти силы приложены к разным материальным точкам, а потому вовсе не компенсируются.

Современная формулировка

Материальные точки взаимодействуют друг с другом силами, имеющими одинаковую природу, направленными вдоль прямой, соединяющей эти точки, равными по модулю и противоположными по направлению:

Закон отражает принцип парного взаимодействия.

Историческая формулировка

Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе, взаимодействия двух тел друг на друга равны и направлены в противоположные стороны.

Для силы Лоренца третий закон Ньютона не выполняется. Лишь переформулировав его как закон сохранения импульса в замкнутой системе из частиц и электромагнитного поля, можно восстановить его справедливость.

Выводы

Из законов Ньютона сразу же следуют некоторые интересные выводы. Так, третий закон Ньютона говорит, что, как бы тела ни взаимодействовали, они не могут изменить свой суммарный импульс: возникает закон сохранения импульса . Далее, если потребовать, чтобы потенциал взаимодействия двух тел зависел только от модуля разности координат этих тел , то возникает закон сохранения суммарной механической энергии взаимодействующих тел:

Законы Ньютона являются основными законами механики. Из них могут быть выведены уравнения движения механических систем. Однако не все законы механики можно вывести из законов Ньютона. Например, закон всемирного тяготения или закон Гука не являются следствиями трёх законов Ньютона.

Первый закон Ньютона : существуют системы отсчета, в которых любое изолированное не подвергающееся действию внешних сил тело сохраняет свое состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. Такие системы отсчета называются инерциальными.
Первый закон Ньютона часто называют законом инерции, поскольку движение, не поддерживаемое никаким воздействием, - это движение по инерции. При формулировке закона инерции И. Ньютон опирался на труды Г. Галилея, который первым понял ошибочность утверждения, что тело, на которое ничто не действует, может только покоиться. Галилей показал, что такое тело может либо покоиться, либо двигаться с постоянной скоростью.
Второй закон Ньютона: под действием силы F тело массой т приобретает такое ускорение а, что произведение массы на ускорение будет равно действующей силе, т. е.

Второй закон Ньютона показывает, что причиной изменения скорости тела является действие на него окружающих тел.

Формула второго закона ньютона:

где Ар - изменение импульса тела за время At, вызванное действием силы F. Формула (1) справедлива лишь в том случае, когда масса тела т не изменяется, в то время как (2) верна всегда. Видно, что при т = const формула (2) обращается в формулу (1):

Учитывая принцип суперпозиции сил (равнодействующая нескольких сил равна их векторной сумме), второй закон Ньютона можно записать в виде:
ma = F1 + ... + Fn.

Третий закон Ньютона : при взаимодействии двух тел силы, с которыми они действуют друг на друга, равны по модулю и противоположны, по направлению, т. е.
F12 = - F21
Силы, о которых идет речь в третьем законе Ньютона, приложены к разным телам, но всегда имеют одну природу.
Примерами таких пар сил могут служить: силы гравитационного взаимодействия двух тел; вес тела и сила реакции опоры; кулоновские силы и др.
Являясь основой классической механики, законы Ньютона описывают взаимодействия макроскопических тел, участвующих в нерелятивистских движениях (их скорости много меньше скорости света). При этом тела рассматриваются как материальные точки, а движение описывается относительно инерциальных систем отсчета.

Второй закон движения Исаака Ньютона описывает, что происходит, когда внешняя сила воздействует на массивное тело в покое или в равномерном линейном движении. Что происходит с телом, из которого применяется эта внешняя сила? Эта ситуация описана 3 законом движения Ньютона . В нем говорится: Сила действия равна силе противодействия.

Движения в 1687 году в своей оригинальной работе «Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica» (Математические принципы естественной философии), в которой он формализовал описание того, как массивные тела движутся под воздействием внешних сил.

Ньютон раскрыл более раннюю работу Галилео Галилея, которая разработала первые точные законы движения масс, по словам Грега Ботуна, профессора физики в Университете штата Орегон. Эксперименты Галилея показали, что все тела ускоряются с одинаковой скоростью независимо от размера или массы. Ньютон также критиковал и расширил работу Рене Декарта, который также опубликовал набор законов природы в 1644 году, через два года после рождения Ньютона. Законы Декарта очень похожи на первый закон движения Ньютона.

Силы всегда встречаются парами; когда одно тело толкается к другому, второе тело противодействует так же сильно. Например, когда вы нажимаете тележку, тележка противодействует к вам; когда вы тянете за веревку, веревка откидывается на вас; и когда сила тяжести тянет вас к земле, земля противодействует ногам. Упрощенная версия этого явления была выражена как «Вы не можете касаться, не будучи затронутым».

Если тело A оказывает силу F на тело B, то тело B оказывает равную и противоположную силу -F обратно на тело A. Математическое выражение для этого — FAB = -FBA

Нижний индекс AB указывает, что A оказывает силу на B, а BA указывает, что B оказывает силу на A. Знак минус указывает, что силы находятся в противоположных направлениях. Часто FAB и FBA упоминаются как сила действия и сила реакции; однако выбор которого является полностью произвольным.

Если один объект намного, гораздо более массивный, чем другой, особенно в случае привязки первого объекта к Земле, практически все ускорение передается второму объекту, и ускорение первого объекта можно безопасно игнорировать. Например, если вы должны бросить мяч на запад, вам не нужно считать, что вы на самом деле вызвали вращение Земли, чтобы немного ускориться, пока мяч был в воздухе. Однако, если вы стоите на роликовых коньках, и вы бросили мяч для боулинга, вы начнете двигаться назад с заметной скоростью.

Можно спросить: «Если две силы равны и противоположны, почему они не отменяют друг друга?» Собственно, в некоторых случаях они это делают. Рассмотрим книгу, покоящуюся на столе. Вес книги толкает на стол силой mg, а стол противодействует книге с равной и противоположной силой. В этом случае силы отменяют друг друга. Причиной этого является то, что обе силы действуют на одно и то же тело, а третий закон Ньютона описывает два разных тела, действующих друг на друга.

Рассмотрим лошадь и телегу. Лошадь тянет за тележкой, и тележка откидывается на лошадь. Две силы равны и противоположны, так почему тележка движется вообще? Причина в том, что лошадь также оказывает силу на землю, которая является внешней по отношению к системе лошади, и земля оказывает противодействие на лошадь, заставляя ее ускоряться.

3 закон Ньютона в действии

Ракеты, путешествующие через космос, охватывают все три закона движения Ньютона.

Когда двигатели стреляют и продвигают ракету вперед, это результат реакции. Двигатель сжигает топливо, которое ускоряется к задней части корабля. Это приводит к тому, что сила в обратном направлении продвигает ракету вперед. На боковых сторонах ракеты также можно использовать двигатели, чтобы изменить направление движения, или спереди, чтобы создать противодействие, чтобы замедлить ракету.

И если, работая снаружи ракеты, веревка космонавта рвется, и они уходят от ракеты, можно использовать один из своих инструментов например, чтобы изменить направление и вернуться к ракете. Космонавт может бросить молоток в направлении, прямо противоположном тому, куда они хотят попасть. Молоток улетит очень быстро от ракеты, и космонавт очень медленно вернется к ракете. Вот почему третий закон Ньютона считается фундаментальным принципом ракетной науки.