Первый
закон Ньютона.
Существуют такие
системы отсчета, относительно которых
поступательно движущееся тело сохраняет
свою скорость постоянной, если на него
не действуют другие тела (или действия
других тел компенсируются).
Этот
закон часто называется законом
инерции,
поскольку движение с
постоянной скоростью при компенсации
внешних воздействий на тело называется
инерцией.
Второй
закон Ньютона.
Сила, действующая
на тело, равна произведению массы тела
на сообщаемое этой силой ускорение
.
- ускорение прямо пропорционально
действующей (или равнодействующей)
силе и обратно пропорционально массе
тела. Третий закон
Ньютона.
Из опытов по взаимодействию
тел следует
,
из второго закона Ньютона
и
,
поэтому
.
Силы взаимодействия между телами:
направлены по одной прямой, равны по
величине, противоположны по направлению,
приложены к разным телам (поэтому
не могут уравновешивать друг друга),
всегда действуют парами и имеют одну
и ту же природу.
Законы
Ньютона выполняются одновременно, они
позволяют объяснить закономерности
движения планет, их естественных и
искусственных спутников. Иначе, позволяют
предвидеть траектории движения планет,
рассчитывать траектории космических
кораблей и их координаты в любые
заданные моменты времени. В земных
условиях они позволяют объяснить
течение воды, движение многочисленных
и разнообразных транспортных средств
(движение автомобилей, кораблей,
самолетов, ракет). Для всех этих движений,
тел и сил справедливы законы Ньютона.
4. Взаимодействие тел: силы тяжести, упругости, трения. Примеры проявления этих сил в природе и технике
Опыты
с различными телами показывают, что
при взаимодействии двух тел оба тела
получают ускорения, направленные в
противоположные стороны. При этом
отношение абсолютных значений ускорений
взаимодействующих тел равно обратному
отношению их масс
.
Обычно вычисляют ускорение одного
тела (того, движение которого изучается).
Влияние же другого тела, вызывающего
ускорение, коротко называется силой.
В механике рассматриваются силатяжести,
силаупругости
и силатрения.
Сила тяжести
-это сила, с которой Земля притягивает
к себе все тела, находящиеся вблизи ее
поверхности(
).
Сила тяжести приложена к
самому телу и направлена вертикально
вниз (рис. 1а).
Сила упругости
возникает при
деформации тела (рис. 1б),
она направлена перпендикулярно
поверхности соприкосновения
взаимодействующих тел. Сила упругости
пропорциональна удлинению:
.Знак
«-»показывает, что сила упругости
направлена в сторону, противоположную
удлинению,k
-
жесткость (пружины) зависит от
ее геометрических размеров и
материала. Сила, возникающая
в месте соприкосновения тел и
препятствующая их относительному
перемещению, называется силой
трения.
Если тело скользит
по какой-либо поверхности, то его
движению препятствует сила трения
скольжения
,
гдеN - сила
реакции опоры (рис. 2),m
-коэффициент трения скольжения.
Сила трения скольжения всегда направлена
против движения тела. Сила
тяжести и сила упругости
-это силы, зависящие от координат
взаимодействующих тел относительно
друг друга. Сила трения зависит от
скорости тела, но не зависит от координат.
Как в природе, так и в технике эти
силы проявляются одновременно или
парами. Например, сила трения увеличивается
при увеличении силы тяжести. В быту
часто полезное трение усиливают, а
вредное -ослабляют
(применяют смазку, заменяют трение
скольжения трением качения).
Примеров взаимодействия тел можно привести сколь угодно много. Когда вы, находясь в одной лодке, начнете за веревку подтягивать другую, то и ваша лодка обязательно продвинется вперед (рис. 1). Действуя на вторую лодку, вы заставляете ее действовать на вашу лодку.
Если вы ударите ногой по футбольному мячу, то немедленно ощутите об-ратное действие на ногу. При соударении двух бильярдных шаров изменяют свою скорость, т. е. получают ускорения, оба шара. Когда при формировании железнодорожного состава вагоны наталкиваются друг на друга, буферные пружины сжимаются у обоих вагонов. Все это проявления общего закона взаимодействия тел.
Действия тел друг на друга носят характер взаимодействия не только при непосредственном контакте тел. Положите, например, на гладкий стол два сильных магнита разноименными полюсами навстречу друг другу, и вы тут же обнаружите, что магниты начнут двигаться навстречу друг другу. Земля притягивает Луну (сила всемирного тяготения) и заставляет ее двигаться по криволинейной траектории; в свою очередь Луна также притягивает Землю (тоже сила всемирного тяготения). Хотя, естественно, в системе отсчета, связанной с Землей, ускорение Земли, вызываемое этой силой, нельзя обнаружить непосредственно (непосредственно нельзя обнаружить даже значительно большее ускорение, вызываемое притяжением Земли Солнцем), оно проявляется в виде приливов.
Заметные изменения скоростей обоих взаимодействующих тел наблюдаются, однако, лишь в тех случаях, когда массы этих тел не сильно отличаются друг от друга. Если же взаимодействующие тела значительно различаются по массе, заметное ускорение получает только то из них, которое имеет меньшую массу. Так, при падении камня Земля заметно ускоряет движение камня, но ускорение Земли (а ведь камень тоже притягивает Землю) практически обнаружить нельзя, так как оно очень мало.
Силы взаимодействия двух тел
Выясним с помощью опыта, как связаны между собой силы взаимодействия двух тел. Грубые измерения сил взаимодействия можно произвести на следующих опытах.
1 опыт . Возьмем два динамометра, зацепим друг за друга их крючки и, взявшись за кольца, будем растягивать их, следя за показаниями, обоих динамометров (рис. 2).
Мы увидим, что при любых растяжениях показания обоих динамометров будут совпадать; значит, сила, с которой первый динамометр действует на второй, равна силе, с которой второй динамометр действует на первый.
2 опыт . Возьмем достаточно сильный магнит и железный брусок и положим их на катки, чтобы уменьшить трение о стол (рис. 3). К магниту и бруску прикрепим одинаковые мягкие пружины, зацепленные другими концами на столе. Магнит и брусок притянутся друг к другу и растянут пружины.
Опыт показывает, что к моменту прекращения движения пружины оказываются растянутыми совершенно одинаково. Это означает, что на оба тела со стороны пружин действуют одинаковые по модулю и противоположные по направлению силы:
\(\vec F_1 = -\vec F_2 \qquad (1)\)
Так как магнит покоится, то сила \(\vec F_2\) равна по модулю и противоположна по направлению силе \(\vec F_4\), с которой на него действует брусок:
\(\vec F_1 = \vec F_4 \qquad (2)\)
Точно так же равны по модулю и противоположны по направлению силы, действующие на брусок со стороны магнита и пружины:
\(\vec F_3 = -\vec F_1 \qquad (3)\)
Из равенств (1), (2), (3) следует, что силы, с которыми взаимодействуют магнит и брусок, равны по модулю и противоположны по направлению:
\(\vec F_3 = -\vec F_4 \qquad (1)\)
Опыт показывает, что силы взаимодействия между двумя телами равны по модулю и противоположны по направлению и в тех случаях когда тела движутся.
3 опыт . На двух тележках, которые могут катиться по рельсам, стоят два человека А и В (рис. 4). Они держат в руках концы веревки. Легко обнаружить, что независимо от того, кто натягивает («выбирает») веревку, А или В или оба вместе, тележки всегда приходят в движение одновременно и притом в противоположных направлениях. Измеряя ускорения тележек, можно убедиться, что ускорения обратно пропорциональны массам каждой из тележек (вместе с человеком). Отсюда следует, что силы, действующие на тележки, равны по модулю.
Третий закон Ньютона
На основе этих и подобных опытов можно сформулировать третий закон Ньютона.
Силы, с которыми тела действуют друг на друга, равны по модулю и на-правлены вдоль одной прямой в противоположные стороны.
Это означает, что если на тело А со стороны тела В действует сила \(\vec F_A\) (рис. 5), то одновременно на тело В со стороны тела А действует сила \(\vec F_B\), причем
\(\vec F_A = -\vec F_B \qquad (5)\)
Используя второй закон Ньютона, можно равенство (5) записать так:
\(m_1 \cdot \vec a_1 = -m_2 \cdot \vec a_2 \qquad (6)\)
Отсюда следует, что
\(\frac{a_1}{a_2} = \frac{m_2}{m_1}= \mbox{const} \qquad (7)\)
Отношение модулей а 1 и а 2 ускорений взаимодействующих тел определяется обратным отношением их масс и совершенно не зависит от природы действующих между ними сил.
(Здесь имеется в виду, что никакие другие силы, кроме сил взаимодействия, на эти тела не действуют.)
В этом можно убедиться на следующем простом опыте. Поставим на гладкие рельсы две тележки одинаковой массы и на одной из них закрепим небольшой электрический двигатель, на вал которого может наматываться нить, привязанная к другой тележке, а на другую поставим гирю, масса которой равна массе двигателя (рис. 6). При работающем двигателе обе тележки устремляются с одинаковыми ускорениями навстречу друг другу и проходят одинаковые пути. Если массу одной из тележек сделать вдвое большей, то ее ускорение окажется в два раза меньше, чем другой, и за то же время она пройдет вдвое меньший путь.
Связь ускорений взаимодействующих тел с их массами можно установить и на таком опыте (рис. 7). На горизонтальную платформу помещают два катка разной массы, соединенные нитью.
Опыт покажет, что можно найти такое положение катков, когда они при вращении платформы не перемещаются по ней. Измерив радиусы обращения катков вокруг центра платформы, определим отношение центростремительных ускорений катков:
\(\frac{a_1}{a_2} = \frac{\omega \cdot R_1}{\omega \cdot R_2}\) или \(\frac{a_1}{a_2} = \frac{R_1}{R_2}\).
Сравнив это отношение с обратным отношением масс тел \(\frac{m_2}{m_1}\), убеждаемся, что \(\frac{a_1}{a_2} = \frac{m_2}{m_1}\) при любых скоростях вращения платформы.
Примечание
Надо помнить, что силы, о которых идет речь в третьем законе Ньютона, приложены к разным телам и поэтому не могут уравновешивать друг друга.
Непонимание этого часто приводит к недоразумениям. Так, иногда с помощью третьего закона Ньютона пытаются объяснить, почему то или иное тело находится в покое. Например, утверждают, что мел на столе покоится якобы потому, что сила тяжести \(\vec F_t\), действующая на тело, согласно третьему закону Ньютона, равна по модулю и противоположна по направлению силе упругости \(\vec N\) (силе реакции опоры), действующей на него со стороны стола. На самом деле равенство \(\vec F_t + \vec N = 0\) является следствием второго закона Ньютона, а не третьего: ускорение равно нулю, поэтому и сумма сил, действующих на тело, равна нулю. Из третьего же закона Ньютона вытекает лишь, что сила реакции опоры \(\vec N\) равна по модулю силе \(\vec P\), с которой мел давит на стол (рис. 8). Эти силы приложены к разным телам и направлены в противоположные стороны.
Примеры применения третьего закона Ньютона.
В известной игре «перетягивание каната» обе партии действуют друг на друга (через канат) с одинаковыми силами, как это следует из закона действия и противодействия. Значит, выиграет (перетянет канат) не та партия, которая сильнее тянет, а та, которая сильнее упирается в Землю.
Как объяснить, что лошадь везет сани, если, как это следует из закона действия и противодействия, сани тянут лошадь назад с такой же по модулю силой F 2 , с какой лошадь тянет сани вперед (сила F 1)? Почему эти силы не уравновешиваются?
Дело в том, что, во-первых, хотя эти силы равны и прямо противоположны, они приложены к разным телам, а во-вторых, и на сани и на лошадь действуют еще и силы со стороны дороги (рис. 9).
Сила F 1 со стороны лошади приложена к саням, испытывающим, кроме этой силы, лишь небольшую силу трения f 1 полозьев о снег; поэтому сани начинают двигаться вперед. К лошади же, помимо силы со стороны саней F 2 направленной назад, приложены со стороны дороги, в которую она упирается ногами, силы f 2 , направленные вперед и большие, чем сила со стороны саней. Поэтому лошадь тоже начинает двигаться вперед. Если поставить лошадь на лед, то сила со стороны скользкого льда будет недостаточна; и лошадь не сдвинет сани. То же будет и с очень тяжело нагруженным возом, когда лошадь, даже упираясь ногами, не сможет создать достаточную силу, чтобы сдвинуть воз с места. После того как лошадь сдвинула сани и установилось равномерное движение саней, сила f 1 будет уравновешена силами f 2 (первый закон Ньютона).
Подобный же вопрос возникает и при разборе движения поезда под действием электровоза. И здесь, как и в предыдущем случае, движение возможно лишь благодаря тому, что, кроме сил взаимодействия между тянущим телом (лошадь, электровоз) и «прицепом» (сани, поезд), на тянущее тело действуют со стороны дороги или рельсов силы, направленные вперед. На идеально скользкой поверхности, от которой нельзя «оттолкнуться», ни сани с лошадью, ни поезд, ни автомобиль не могли бы сдвинуться с места.
Третий закон Ньютона позволяет объяснить явление отдачи при выстреле. Установим на тележку модель пушки, действующую при помощи пара (рис. 10) или при помощи пружины. Пусть вначале тележка покоится. При выстреле «снаряд» (пробка) вылетает в одну сторону, а «пушка» откатывается в другую.
Откат пушки и есть результат отдачи. Отдача есть не что иное, как противодействие со стороны снаряда, действующее, согласно третьему закону Ньютона, на пушку, выбрасывающую снаряд. Согласно этому закону сила, действующая со стороны пушки на снаряд, все время равна силе, действующей со стороны снаряда на пушку, и направлена противоположно ей.
О значении третьего закона Ньютона
Главное значение третьего закона Ньютона обнаруживается при исследовании движения системы материальных точек или системы тел. Этот закон позволяет доказать важные теоремы динамики и сильно упрощает изучение движения тел в тех случаях, когда их нельзя рассматривать как материальные точки.
Третий закон сформулирован для точечных тел (материальных точек). Его применение для реальных тел, имеющих конечные размеры, требует уточнения и обоснования. В данной формулировке нельзя применять этот закон и в неинерциальных системах отсчета.
Литература
- Физика: Механика. 10 кл.: Учеб. для углубленного изучения физики / М.М. Балашов, А.И. Гомонова, А.Б. Долицкий и др.; Под ред. Г.Я. Мякишева. – М.: Дрофа, 2002. – 496 с.
- Элементарный учебник физики: Учебное пособие. В 3 т. / Под ред. Г.С. Ландсберга: Т. 1. Механика. Теплота. Молекулярная физика - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 608с.
Действие и противодействие предметов повсеместно встречается в повседневной жизни. Приведем 14 примеров третьего закон Ньютона , которому подчиняются взаимодействующие тела.
Взаимодействие предметов
Здания, мосты, мебель в комнатах, плоды на ветках, деревья, провода на столбах, корабли в море, тучи на небе, самолеты и воздушные шары за облаками - словом, все, что лежит, стоит, висит, плавает, летает,-не проваливается под землю, не тонет, не падает, не скатывается вниз только потому, что находится во взаимодействии с каким-либо другим предметом .
Эти предметы, все равно будь то земля, подставка, подвеска, вода или воздух, являются опорой, и сила тяжести, влекущая все предметы по направлению к центру Земли, встречает со стороны опоры ответное действие. Это ответное действие мешает силе тяжести приводить предметы в движение, противодействует ей - ее уравновешивает, как одна чашка весов, мешая другой чашке опуститься, уравновешивает ее, что лежит в основе .
Точно в таком же положении находится корабль, стоящий на якоре и остающийся на месте даже в том случае, когда ветер и течение стремятся его увлечь.
Возникающие при этом силы называются силами реакции . Они уравновешивают действующую на тело силу и помогают ему оставаться в покое. Приведем 14 примеров возникновения таких сил, как подтверждение третьего закона Ньютона, это происходит при:
Строительство моста
При строительстве моста необходимо предварительно рассчитать, в какой мере мостовые опоры способны оказать противодействие той нагрузке, которая на них будет оказывать давление: смогут ли они ее выдержать, достаточен ли у опор запас противодействия, или, как говорят строители, запас прочности.
Расчеты ведутся, используя третий закон Ньютона. И строители сооружают опоры моста такими, чтобы они могли оказать противодействие любой нагрузке, какая может проявиться на мосту. Они считают, что опоры давят на мост снизу. Действие всегда равно противодействию - они равносильны, равноправны, и потому инженера-строители ведут расчет так, как им удобнее.
Фундамент зданий
Точно так же поступают инженеры, проектирующие фундаменты зданий . Они знают, что обыкновенный грунт способен оказывать противодействие тяжести здания с силой примерно в два-три килограмма на каждый квадратный сантиметр фундамента. При этом условии действие, то есть тяжесть всего здания, и противодействие, сопротивление грунта, сжимают фундамент сверху и снизу. На фундамент действуют две одинаковые, но направленные в противоположные стороны силы, о чем говорит третий закон Ньютона. Такие силы уравновешиваются и не могут сдвинуть фундамент с места, но сдавливают его, и, если запаса прочности этого фундамента не хватит, он разрушится, а здание обвалится.
Парашютист и санки
Выбросился из самолета и падает вниз в затяжном прыжке. Действие в данном случае очевидно - парашютист падает. Но где же ответное действие, о котором говорит Ньютон? Его совершенно незаметно. И таких примеров можно найти великое множество. Дети, забравшись на снежную горку, скатываются с нее на санках , лыжник прыгает с трамплина. Лавина, сорвавшаяся с горы, дождевые капли, падающие из тучи, - во всех случаях падения ответное действие невидимо, неощутимо. Но это еще не значит, что его не существует.
Парашютист падает, потому что его притягивает Земля . Но притяжение взаимно: Земля притягивает к себе парашютиста, а парашютист притягивает к себе Землю. Парашютист падает на Землю, а Земля «падает» на парашютиста. Но масса парашютиста по сравнению с массой Земли ничтожна, и потому его движение быстро, а масса Земли огромна, и ее ответное и встречное движение совершенно неуловимо.
Все это целиком и полностью относится и к санкам, скатывающимся с горки. Движение санок - тоже падение, но только происходящее по наклонному пути.
Взаимодействие железного бруска с магнитом
Эту мысль поясняет опыт Ньютона с железным брусочком и магнитом , плававшими в лодочках. Тогда Ньютон убедился, что не магнит притягивает к себе железо и не железо притягивается к магниту, а оба тела взаимодействуют - притягиваются друг к другу.
В опытах Ньютона магнит и железо были одинаковы по весу. Но представьте себе, что для этого опыта взяли очень большой и тяжелый магнит и крошечный железный брусочек. В таком случае магнит только чуть-чуть подвинулся бы к железу, а железный брусочек поплыл бы к магниту гораздо быстрее.
То же самое случилось бы и в том случае, если бы кусок железа был большим, а магнит маленьким: движение легкого предмета было бы заметным и наглядным, а ответное движение тяжелого предмета - неощутимым.
Притяжение планет
То же происходит и с планетами. Вот если бы возле Земли проходило какое-нибудь крупное небесное тело, то последствия их взаимного тяготения стали бы заметны. Это наблюдается в действительности.
Иногда большие планеты солнечной системы - Юпитер и Сатурн - располагаются в пространстве так, что сила их тяготения заставляет Землю чуть-чуть удаляться от Солнца, тогда длительность нашего года, то есть время , увеличивается на несколько минут. Потом большие планеты уходят дальше по своим орбитам, и наш год снова укорачивается. Так, например, 1946 год был короче 1945 года приблизительно на десять минут, а 1945 год был короче 1944 года минут на одиннадцать.
Такое изменение длины года нашей Земли, зависящее от положения других планет солнечной системы, обнаруживает, как действует третий закон движения далеко за пределами Земли - в безграничном мировом пространстве.
Спутник Земли, Луна, удерживается на своей орбите благодаря , но и сама притягивает Землю, вызывая на поверхности морей и слегка изменяя движение Земли около Солнца.
Прыжок из лодки
Человек, собирающийся выпрыгнуть из лодки на берег, не должен забывать о существовании третьего закона Ньютона для движения. Его действие обязательно вызовет равное и противоположно направленное ответное действие: в момент прыжка лодка отойдет назад, и неосторожный человек окажется не на берегу, а в воде. Бранить третий закон Ньютона бесполезно - надо было попросить сидящих в лодке упереться в дно веслом.
Летящий геликоптер
В истории техники записан случай, когда изобретатели важного и полезного механизма - геликоптера, недостаточно продумав конструкцию, упустили из виду третий закон движения.
Геликоптер, в отличие от обыкновенного самолета, может подниматься в воздух не с разбегу, а вертикально вверх. Подъемную силу этой машине дает большой пропеллер, вращающийся на вертикальной оси.
Когда первый геликоптер испытывали на аэродроме, третий закон движения напомнил о себе. Так как несущий пропеллер вращался справа налево, то в силу третьего закона движения корпус геликоптера стал вращаться в противоположную сторону - слева направо. Геликоптер оказался своеобразной летающей каруселью, в которую ни один пассажир не соглашался сесть.
Этот недостаток геликоптера устранили тем, что поставили на нем два несущих пропеллера, вращающихся в разные стороны. Вот тогда неприятное карусельное движение машины сразу прекратилось, потому что ее винты вращались в разные стороны, и их вредное действие взаимно уничтожилось, а подъемная сила, направленная вверх, сохранилась.
В одновинтовых геликоптерах ставят дополнительный рулевой пропеллер, который противодействует вращению корпуса.
Как движутся плавающие в воде
Все плавающие в воде и по воде: рыбы, утки, бобры, угри, лягушки, жуки-плавунцы, (подробнее: ) и прочие водяные существа, а также пароходы, катера и лодки - движутся вперед только потому, что находятся во взаимодействии с водой, о чем говорит Ньютон. Они гребными винтами, веслами, плавниками, хвостами, лапками отталкивают воду назад, а сами в силу ответного действия плывут вперед.
Как движется все летающее
Всё летающее : самолеты, вертолеты, птицы, бабочки, комары, летучие мыши, а также аэросани и глиссеры - движутся только потому, что находятся во взаимодействии с воздухом. Они отталкивают воздух назад, а сами в силу ответного действия движутся вперед. Но что отталкивают назад обитатели суши, пользующиеся для передвижения ногами и колесами, остается неясным.
Как движутся автомобили и поезда
Они отталкивают то, что служит для них опорой: паровозы отталкивают рельсы, автомобили и лошади - асфальт шоссейных дорог и мостовых. Рельсы и покрытие шоссейных дорог намертво скреплены с землей, следовательно, все движущееся по земле отталкивает Землю, и земной шар должен поворачиваться в сторону, противоположную движению паровоза или автомобиля.
Но составляет многие миллиарды миллиардов тонн. Движение таких ничтожных по сравнению с Землей предметов, как паровозы и автомобили, на скорости вращения нашей планеты не сказывается. Кроме того, все поезда и автомобили движутся в разные стороны, и, когда один поезд едет направо, какой-то другой в это же время едет налево. Каждый автомобиль после работы возвращается обратно в гараж - туда, откуда он выехал утром. При встречном движении транспорта его воздействие на Землю взаимно уничтожается.
Движении тележки по рельсам
Представим себе, что на рельсах стоит длинная и легкая тележка . Ее оси вращаются в шарикоподшипниках. Подшипники хорошо смазаны, и потому тележка способна перекатываться с одного конца рельсов к другому почти без всякого трения.
На этой тележке, с одного ее края, стоит человек. Попросим этого человека пробежать по тележке к другому ее концу. И как только человек побежит, тележка тоже придет в движение: она покатится в сторону, противоположную движению человека. Человек остановится - и остановится тележка. Человек побежит обратно - и тележка покатится в другую сторону.
Движение человека в одну сторону заставляет тележку двигаться в противоположную сторону. Действие вызывает ответное действие, и они равны между собой: если тележка имеет такую же массу, как человек, то относительно земли она откатится в сторону настолько же, насколько подвинется человек.
Белка в колесе
В незапамятные времена люди придумали игрушку, которая показывает закон взаимодействия - третий закон Ньютона - простым и убедительным образом. Случается, охотники приносят домой ребятам на забаву маленьких бельчат. Бельчата растут, привыкают к людям и к жизни в неволе, становятся ручными. Но все-таки им трудно жить в тесных домах. В лесу белка целый день в движении: с ветки на ветку, с дерева на дерево, а в доме ей развернуться негде.
И вот, может быть, тысячу лет назад, люди придумали для белок «физкультуру» - колесо, сделанное наподобие барабана, чтобы белка могла бегать внутри этого колеса. Белку впускают в колесо , и она принимается бегать, а колесо начинает поворачиваться в противоположном направлении и вертится до тех пор, пока бежит в нем белка. Разумеется, беличье колесо надо время от времени останавливать и выпускать зверька, чтобы дать ему отдохнуть и поесть. Белочки глупые - они могут бегать в колесе до изнеможения.
Беличье колесо - замечательное и наглядное доказательство правильности третьего закона движения. Взаимодействие двух тел приводит к тому, что оба тела - и белка и колесо - движутся. В этом случае действие и ответное действие (противодействие) вызывают видимое движение.
И действие и ответное действие равны между собой: когда белка бежит неторопливо, то и колесо крутится медленно, а когда белка ускоряет свой бег, колесо начинает вертеться быстрее.
И действие и ответное действие противоположны: белка бежит в одну сторону, а колесо крутится в другую.
Пешком по столбу
Связисты и электромонтеры , которым часто приходится взбираться на телеграфные столбы , носят с собой очень простое приспособление, называемое «кошками». «Кошки» - это две железные дуги с острыми зубцами и площадочкой для ноги; они похожи по форме на серпы или на большие рога жука-оленя.
Связист надевает «кошки» на ноги и, ковыляя, потому что передвигаться по земле в «кошках» очень неудобно, подходит к столбу. Тут он охватывает одной «кошкой» столб, ее шипы врезаются в дерево или бетон. Связист, придерживаясь руками за столб, переносит всю тяжесть своего тела на «кошку» и одновременно закидывает вторую «кошку» так, чтобы она вцепилась повыше первой. Затем он переносит тяжесть тела на вторую «кошку», а первую переставляет еще выше. Так он «шагает» по гладкому вертикальному столбу, как по лестнице. Острые зубцы «кошек» обеспечивают связисту надежное взаимодействие со столбом - дают ноге хороший упор. Не было бы взаимодействия со столбом - и связист не мог бы влезть на него, именно это отразил в своем законе Ньютон.
Взаимодействие с землей
Словом, все, что бегает, ползает, прыгает, шагает, летает, плавает, лазает, может двигаться только потому, что находится во взаимодействии с землей , водой, воздухом, рельсами, стволами деревьев, столбами, веревками или лианами в тропическом лесу.
Во всех случаях, без всякого исключения, действие одного предмета всегда встречает равное и противоположно направленное ответное действие (противодействие) со стороны других окружающих предметов. Слово «противодействие», которое употребил Ньютон, не нужно понимать буквально - ответное действие, оказываемое движущемуся предмету, отнюдь не мешает ему, не действует напротив или наперекор, а, наоборот, именно оно помогает, содействует его движению. Просто появляется сила противодействия, направленная противоположно силе действия .
При этом надо заметить, что действие и ответное действие во всех случаях бывают приложены к разным предметам: действие - к земле, воде, воздуху, «Пешком» по столбу, рельсам, веревкам, столбам, к асфальту шоссе и так далее, а ответное действие - к ногам, лапам, колесам, копытам, гусеницам, крыльям, плавникам, пароходным винтам, к пропеллерам самолетов и «кошкам» связистов…
Вывод несколько удивительный. Получается, что мы движемся не столько в силу нашего действия, сколько в силу ответного действия. Когда мы ходим, усилия наших ног направлены на то, чтобы толкать землю, а идем, движемся вперед только потому, что нас толкает земля. Может быть, такой вывод покажется странным, но это так и есть. В , то есть без взаимодействия между телами, человек мог бы только перебирать ногами, но никогда не сумел бы сдвинуться с места.
Когда человек идет, он не замечает, как его «толкает» земля. Каждому кажется, что он сам ходит, но это маленькое заблуждение объясняется тем, что свое действие он сам направляет, оно бросается в глаза, а ответное действие не привлекает внимания. Но можно сделать так, что прямое и ответное действия станут одинаково заметны, как в опытах Ньютона.
Основные законы классической механики Исаак Ньютон (1642-1727) собрал и опубликовал в 1687 году. Три знаменитых закона были включены в труд, который назывался «Математические начала натуральной философии».
Был долго этот мир глубокой тьмой окутан
Да будет свет, и тут явился Ньютон.
(Эпиграмма 18-го века)
Но сатана недолго ждал реванша -
Пришел Эйнштейн, и стало все как раньше.
(Эпиграмма 20-го века)
Что стало, когда пришел Эйнштейн, читайте в отдельном материале про релятивистскую динамику . А мы пока приведем формулировки и примеры решения задач на каждый закон Ньютона.
Первый закон Ньютона
Первый закон Ньютона гласит:
Существуют такие системы отсчета, называемые инерциальными, в которых тела движутся равномерно и прямолинейно, если на них не действуют никакие силы или действие других сил скомпенсировано.
Проще говоря, суть первого закона Ньютона можно сформулировать так: если мы на абсолютно ровной дороге толкнем тележку и представим, что можно пренебречь силами трения колес и сопротивления воздуха, то она будет катиться с одинаковой скоростью бесконечно долго.
Инерция – это способность тела сохранять скорость как по направлению, так и по величине, при отсутствии воздействий на тело. Первый закон Ньютона еще называют законом инерции.
До Ньютона закон инерции был сформулирован в менее четкой форме Галилео Галилеем. Инерцию ученый называл «неистребимо запечатленным движением». Закон инерции Галилея гласит: при отсутствии внешних сил тело либо покоится, либо движется равномерно. Огромная заслуга Ньютона в том, что он сумел объединить принцип относительности Галилея, собственные труды и работы других ученых в своих "Математических началах натуральной философии".
Понятно, что таких систем, где тележку толкнули, а она покатилась без действия внешних сил, на самом деле не бывает. На тела всегда действуют силы, причем скомпенсировать действие этих сил полностью практически невозможно.
Например, все на Земле находится в постоянном поле силы тяжести. Когда мы передвигаемся (не важно, ходим пешком, ездим на машине или велосипеде), нам нужно преодолевать множество сил: силу трения качения и силу трения скольжения, силу тяжести, силу Кориолиса.
Второй закон Ньютона
Помните пример про тележку? В этот момент мы приложили к ней силу ! Интуитивно понятно, что тележка покатится и вскоре остановится. Это значит, ее скорость изменится.
В реальном мире скорость тела чаще всего изменяется, а не остается постоянной. Другими словами, тело движется с ускорением. Если скорость нарастает или убывает равномерно, то говорят, что движение равноускоренное.
Если рояль падает с крыши дома вниз, то он движется равноускоренно под действием постоянного ускорения свободного падения g . Причем любой дугой предмет, выброшенный из окна на нашей планете, будет двигаться с тем же ускорением свободного падения.
Второй закон Ньютона устанавливает связь между массой, ускорением и силой, действующей на тело. Приведем формулировку второго закона Ньютона:
Ускорение тела (материальной точки) в инерциальной системе отсчета прямо пропорционально приложенной к нему силе и обратно пропорционально массе.
Если на тело действует сразу несколько сил, то в данную формулу подставляется равнодействующая всех сил, то есть их векторная сумма.
В такой формулировке второй закон Ньютона применим только для движения со скоростью, много меньшей, чем скорость света.
Существует более универсальная формулировка данного закона, так называемый дифференциальный вид.
В любой бесконечно малый промежуток времени dt сила, действующая на тело, равна производной импульса тела по времени.
В чем состоит третий закон Ньютона? Этот закон описывает взаимодействие тел.
3 закон Ньютона говорит нам о том, что на любое действие найдется противодействие. Причем, в прямом смысле:
Два тела воздействуют друг на друга с силами, противоположными по направлению, но равными по модулю.
Формула, выражающая третий закон Ньютона:
Другими словами, третий закон Ньютона - это закон действия и противодействия.
Пример задачи на законы Ньютона
Вот типичная задачка на применение законов Ньютона. В ее решении используются первый и второй законы Ньютона.
Десантник раскрыл парашют и опускается вниз с постоянной скоростью. Какова сила сопротивления воздуха? Масса десантника – 100 килограмм.
Решение:
Движение парашютиста – равномерное и прямолинейное, поэтому, по первому закону Ньютона , действие сил на него скомпенсировано.
На десантника действуют сила тяжести и сила сопротивления воздуха. Силы направлены в противоположные стороны.
По второму закону Ньютона , сила тяжести равна ускорению свободного падения, умноженному на массу десантника.
Ответ: Сила сопротивления воздуха равна силе тяжести по модулю и противоположна направлена.
Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на
А вот еще одна физическая задачка на понимание действия третьего закона Ньютона.
Комар ударяется о лобовое стекло автомобиля. Сравните силы, действующие на автомобиль и комара.
Решение:
По третьему закону Ньютона, силы, с которыми тела действуют друг на друга, равны по модулю и противоположны по направлению. Сила, с которой комар действует на автомобиль, равна силе, с которой автомобиль действует на комара.
Другое дело, что действие этих сил на тела сильно отличаются вследствие различия масс и ускорений.
Исаак Ньютон: мифы и факты из жизни
На момент публикации своего основного труда Ньютону было 45 лет. За свою долгую жизнь ученый внес огромный вклад в науку, заложив фундамент современной физики и определив ее развитие на годы вперед.
Он занимался не только механикой, но и оптикой, химией и другими науками, неплохо рисовал и писал стихи. Неудивительно, что личность Ньютона окружена множеством легенд.
Ниже приведены некоторые факты и мифы из жизни И. Ньютона. Сразу уточним, что миф – это не достоверная информация. Однако мы допускаем, что мифы и легенды не появляются сами по себе и что-то из перечисленного вполне может оказаться правдой.
- Факт. Исаак Ньютон был очень скромным и застенчивым человеком. Он увековечил себя благодаря своим открытиям, однако сам никогда не стремился к славе и даже пытался ее избежать.
- Миф. Существует легенда, согласно которой Ньютона осенило, когда на наго в саду упало яблоко. Это было время чумной эпидемии (1665-1667), и ученый был вынужден покинуть Кембридж, где постоянно трудился. Точно неизвестно, действительно ли падение яблока было таким роковым для науки событием, так как первые упоминания об этом появляются только в биографиях ученого уже после его смерти, а данные разных биографов расходятся.
- Факт. Ньютон учился, а потом много работал в Кембридже. По долгу службы ему нужно было несколько часов в неделю вести занятия у студентов. Несмотря на признанные заслуги ученого, занятия Ньютона посещались плохо. Бывало, что на его лекции вообще никто не приходил. Скорее всего, это связано с тем, что ученый был полностью поглощен своими собственными исследованиями.
- Миф. В 1689 году Ньютон был избран членом Кембриджского парламента. Согласно легенде, более чем за год заседания в парламенте вечно поглощенный своими мыслями ученый взял слово для выступления всего один раз. Он попросил закрыть окно, так как был сквозняк.
- Факт. Неизвестно, как бы сложилась судьба ученого и всей современной науки, если бы он послушался матери и начал заниматься хозяйством на семейной ферме. Только благодаря уговорам учителей и своего дяди юный Исаак отправился учиться дальше вместо того, чтобы сажать свеклу, разбрасывать по полям навоз и по вечерам выпивать в местных пабах.
Дорогие друзья, помните - любую задачу можно решить! Если у вас возникли проблемы с решением задачи по физике, посмотрите на основные физические формулы . Возможно, ответ перед глазами, и его нужно просто рассмотреть. Ну а если времени на самостоятельные занятия совершенно нет, специализированный студенческий сервис всегда к вашим услугам!
В самом конце предлагаем посмотреть видеоурок на тему "Законы Ньютона".
Главными законы классической механики являются три закона Ньютона. Сейчас мы рассмотрим их подробней.
Первый закон Ньютона
Наблюдения и опыт показывают, что тела получают ускорение относительно Земли, т. е. изменяют свою скорость относительно Земли, только при действии на них других тел.
Представим себе, что пробка воздушного «пистолета» приходит в движении под действием газа, сжимаемого выдвигаемым поршнем, т.е. получается такая последовательная цепочка сил:
Сила, приводящая в движение поршень => Сила поршня, сжимающая газ в цилиндре => Сила газа, приводящая в движение пробку.
В этом и других подобных случаях изменение скорости, т.е. возникновение ускорения, есть результат действие сил на данное тело других тел.
Если же на тело не будут действовать силы (или силы будут скомпенсированным, т.е. ), то тело будет оставаться в покое (относительно Земли), либо двигаться равномерно и прямолинейно, т.е. без ускорения.
На основе этого позволило установить первый закон Ньютона, который чаще называют закон инерции:
Существуют такие инерциальные системы отсчета, относительно которых, тело покоится (частный случай движения) или движется равномерно и прямолинейно, если на тело не действуют силы или действия этих сил скомпенсировано.
Проверить простыми опытами данный закон практически невозможно, потому что невозможно полностью устранить действие всех окружающих сил, особенно действие трения.
Тщательные опыты по изучению движения тел были впервые произведены итальянским физиком Галилеем Галилео в конце XVI и начале XVII веков. Позже более подробнее этот закон был описан Исааком Ньютоном, поэтому в честь него и был назван этот закон.
Подобные проявления инерции тел широко используются в быту и технике. Встряхивание пыльной тряпки, «сбрасывания» столбика ртути в термометре.
Второй закон Ньютона
Различные опыты показывают, что ускорения совпадает с направлением силы, вызывающее это ускорение. Поэтому, можно сформулировать закон зависимости сил приложенных к телу от ускорения:
В инерциальной системе отсчёта произведение массы и ускорение равно равнодействующей силы (равнодействующая сила – геометрическая сумма всех сил, приложенных к телу) .
Масса тела, является коэффициентом пропорциональности данной зависимости. По определению ускорения () запишем закон в иной форме, а далее получается, что в числители правой части равенства является изменение импульса Δ p , поскольку Δ p=m Δv
Значит, второй закон можно записать в такой виде:
В таком виде Ньютон и записал свой второй закон.
Данный закон действителен только для скоростей, много меньших скорости света и в инерциальных системах отсчёта.
Третьей закон Ньютона
При соударении двух тел изменяют свою скорость, т.е. получают ускорения оба тела. Земля притягивает Луну и заставляет ее двигаться по криволинейной траектории; в свою же очередь Луна также притягивает Землю (сила всемирного тяготения).
Эти примеры показывают, что силы всегда возникают парами: если одно тело действует с силой на другое, то и второе тело действует на первое с такой же силой. Все силы носят взаимный характер.
Тогда можно сформулировать третий закон Ньютона:
Тела попарно действуют друг на друга с силами, направленными вдоль прямой, равными по модулю и противоположными по направлению.
Часто этот закон называют трудным законом, т.к. не понимают смысл этот закон. Для простоты понимания закона можно переформулировать данный закон («Действие равно противодействию») на « Сила, противодействующая равна силе действующей» , так как эти силы приложены к разным телам.
Даже падение тел строго подчиняется закону противодействия. Яблоко надает на Землю оттого, что его притягивает земной шар; но точно с такой же силой и яблоко притягивает к себе всю нашу планету.
Для силы Лоренца третий закон Ньютона не выполняется.
Основные законы механики Ньютон
сформулировал в своей книге «Математические начала натуральной философии».
Итак, можно сделать вывод, что все эти три закона Ньютона являются фундаментном классической механики; и каждый из законов вытекает в другой.