Prawo fizyki mówi, że na każdą akcję istnieje reakcja. Prawa Newtona. Przyczyny siły tarcia

Kiedy ciała oddziałują na siebie, siły powstające między nimi są równe pod względem wielkości i skierowane przeciwko sobie. Tak działa trzecie prawo Newtona, które jest ważne nie tylko na mechanice, ale także na przedmiotach z 10 klasy - elektryczności i magnetyzmie.

Sformułowanie

Izaak Newton w matematycznych zasadach filozofii przyrody wprowadził zasadę znaną obecnie jako trzecie prawo Newtona. Zgodnie z tą zasadą na każde działanie przypada równa i przeciwna reakcja. We współczesnej fizyce formułuje się to inaczej: punkty materialne działają na siebie siłami tej samej natury, których wartości bezwzględne są równe, a kierunki są przeciwne.

Mechanizm trzeciego prawa jest jasno opisany przez układ dwóch ciał połączonych nitką. Jeśli jedno z ciał zostanie pociągnięte, w gwincie pojawi się siła naciągu. Działa jednakowo w dwóch przeciwnych kierunkach.

Ryż. 1. Siła naciągu nici.

Innym przykładem jest przedmiot leżący na dowolnej powierzchni. Sam przedmiot naciska na powierzchnię siłą $\vec P = m \vec g$, zwaną ciężarem ciała. Natomiast powierzchnia działa na obiekt siłą $\vec N = m \vec g$, zwaną normalną siłą reakcji podpory.

Ryż. 2. Masa ciała i reakcja podłoża.

Siła powszechnej grawitacji również działa wzajemnie. Tak jak Ziemia przyciąga Księżyc, tak Księżyc przyciąga Ziemię. Ale ponieważ przyspieszenie swobodnego spadania Księżyca jest znacznie większe niż w przypadku Ziemi, na zewnątrz wszystko wygląda tak, jakby spadał tylko Księżyc.

Ryż. 3. Przyciąganie ciał do siebie.

Wzór na trzecie prawo Newtona wygląda następująco:

$F_(1,2) = – F_(2,1)$, gdzie znak minus wskazuje kierunek sił.

Dotyczy to inercjalnych układów odniesienia i sił dowolnego rodzaju. Zatem siły oddziaływania kulombowskiego między ładunkami punktowymi są równe co do wielkości i przeciwne w kierunku, a samo prawo Coulomba w zapisie matematycznym wygląda podobnie do prawa powszechnego ciążenia.

Dodatek do innych praw Newtona

W układzie zamkniętym siły interakcji między punktami materialnymi powstają parami i równoważą się nawzajem, a sam układ pozostaje w spoczynku. To uzupełnienie pierwszej i drugiej zasady Newtona prowadzi do prawa zachowania pędu w układzie zamkniętym.

Jeśli na układ nie działa siła zewnętrzna, wówczas całkowita zmiana pędu jego punktów wynosi zero:

$(d \over dt)\sum\limits_(i=1)^n \vec p_n = 0$

Zadania

• Chłopiec kopnął piłkę, nadając jej przyspieszenie równe 2 m/s^2 $. Masa piłki wynosi 300 gramów. Znajdź siłę ich interakcji.

Rozwiązanie

Zgodnie z trzecim prawem Newtona siła, z jaką chłopiec kopie piłkę, jest równa sile, z jaką piłka kopie chłopca:

$F_(1,2) = – F_(2,1) = F$, gdzie F jest siłą oddziaływania.

$F = ma = (0,3 \cdot 2) = 0,6 N$

• Człowiek w wodzie odepchnął się od boku. Masa człowieka wynosi 60 kg, przyspieszenie, jakie uzyskał, wynosi 1 m/s^2 $. Znajdź siłę, z jaką bok zostaje odepchnięty od osoby. Pomiń wodoodporność.

Rozwiązanie

Zgodnie z trzecim prawem Newtona siła, z jaką bok działa na osobę, jest równa sile, z jaką osoba działa na bok.

$F_(1,2) = – F_(2,1)$

$F_(1,2) = ma = 60 N$

$F_(2,1) = – 60 N$

Czego się nauczyliśmy?

Na lekcji sformułowano definicję III zasady Newtona, rozważono przykłady ją ilustrujące, podano matematyczną reprezentację prawa oraz podano istotny dodatek, który z niej wynika - zasadę zachowania pędu układu zamkniętego. Na koniec lekcji następuje analiza zadań.

Testuj w temacie

Ocena raportu

Średnia ocena: 4.6. Łączna liczba otrzymanych ocen: 293.

DEFINICJA

Sformułowanie pierwszego prawa Newtona. Istnieją układy odniesienia, względem których ciało utrzymuje stan spoczynku lub stan ujednolicenia ruch prostoliniowy, jeżeli inne ciała na to nie działają lub działanie innych organów jest kompensowane.

Opis pierwszego prawa Newtona

Na przykład, kulka na nitce wisi w spoczynku, ponieważ siła ciężkości jest kompensowana przez napięcie nici.

Pierwsze prawo Newtona jest prawdziwe tylko w . Na przykład ciała znajdujące się w spoczynku w kabinie samolotu poruszającego się ruchem jednostajnym mogą zacząć się poruszać bez żadnego wpływu innych ciał, jeśli samolot zacznie manewrować. W transporcie podczas gwałtownego hamowania pasażerowie upadają, mimo że nikt ich nie popycha.

Pierwsze prawo Newtona pokazuje, że stan spoczynku i stan nie wymagają wpływów zewnętrznych do swojego utrzymania. Właściwość swobodnego ciała polegająca na utrzymywaniu niezmienionej prędkości nazywa się bezwładnością. Dlatego nazywa się również pierwszą zasadą Newtona prawo bezwładności. Ruch jednostajny prostoliniowy ciała swobodnego nazywany jest ruchem bezwładności.

Pierwsze prawo Newtona zawiera dwa ważne stwierdzenia:

1. wszystkie ciała mają właściwość bezwładności;
2. istnieją inercjalne układy odniesienia.

Należy pamiętać, że pierwsze prawo Newtona dotyczy ciał, które można przyjąć jako .

Prawo bezwładności wcale nie jest oczywiste, jak mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka. Jego odkrycie położyło kres jednemu od dawna błędnemu mniemaniu. Wcześniej przez wieki wierzono, że przy braku zewnętrznych wpływów na ciało może ono znajdować się jedynie w stanie spoczynku, że odpoczynek jest niejako naturalnym stanem organizmu. Aby ciało poruszało się ze stałą prędkością, konieczne jest działanie innego ciała. Codzienne doświadczenie zdawało się to potwierdzać: aby wóz mógł poruszać się ze stałą prędkością, musi być cały czas ciągnięty przez konia; aby stół mógł się poruszać po podłodze, należy go ciągle ciągnąć lub pchać itp. Galileo Galilei jako pierwszy zwrócił uwagę, że to nieprawda, że ​​w przypadku braku wpływ zewnętrzny ciało może nie tylko odpoczywać, ale także poruszać się prostoliniowo i równomiernie. Ruch prostoliniowy i jednostajny jest zatem tym samym „naturalnym” stanem ciał, co spoczynek. Tak naprawdę pierwsze prawo Newtona mówi, że nie ma różnicy pomiędzy ciałem w spoczynku a ruchem jednostajnym po linii prostej.

Nie da się eksperymentalnie sprawdzić prawa bezwładności, gdyż nie da się stworzyć warunków, w których ciało byłoby wolne od wpływów zewnętrznych. Jednak zawsze można prześledzić sytuację odwrotną. W każdym razie. kiedy ciało zmienia prędkość lub kierunek swojego ruchu, zawsze można znaleźć przyczynę – siłę, która spowodowała tę zmianę.

Przykłady rozwiązywania problemów

PRZYKŁAD 1

PRZYKŁAD 2

Na szkolnym kursie fizyki badane są trzy prawa Newtona, które stanowią podstawę mechaniki klasycznej. Dziś zna je każdy uczeń, ale w czasach wielkiego naukowca takie odkrycia uważano za rewolucyjne. Poniżej zostaną krótko i przejrzyście opisane prawa Newtona, które pomagają nie tylko zrozumieć podstawy mechaniki i wzajemnego oddziaływania obiektów, ale także pomagają zapisać dane w postaci równania.

Po raz pierwszy te trzy prawa opisał Izaak Newton w swoim dziele „Matematyczne zasady filozofii naturalnej” (1867), w którym szczegółowo przedstawiono nie tylko własne wnioski naukowca, ale całą wiedzę na ten temat odkrytą przez innych filozofowie i matematycy. Tym samym praca stała się fundamentalna w historii mechaniki, a później fizyki. Bada ruch i interakcję masywnych ciał.

Warto wiedzieć! Izaak Newton był nie tylko utalentowanym fizykiem, matematykiem i astronomem, ale był także uważany za geniusza w mechanice. Pełnił funkcję prezesa Royal Society of London.

Każde stwierdzenie naświetla jedną ze sfer interakcji i ruchu obiektów w przyrodzie, choć Newton nieco zniósł ich atrakcyjność i przyjął je jako punkty bez określonej wielkości (matematycznej).

To właśnie to uproszczenie umożliwiło zignorowanie naturalnych zjawisk fizycznych: oporu powietrza, tarcia, temperatury czy innych wskaźników fizycznych obiektu.

Uzyskane dane można było opisać jedynie w kategoriach czasu, masy lub długości. Z tego powodu formuły Newtona podają jedynie odpowiednie, ale przybliżone wartości, których nie można zastosować do opisania dokładnej reakcji dużych lub zmieniających kształt obiektów.

Ruch obiektów masywnych objętych definicjami jest zwykle obliczany inercyjnie, przedstawiany w postaci trójwymiarowego układu współrzędnych, a jednocześnie nie zwiększa swojej prędkości i nie obraca się wokół własnej osi.

Często nazywa się go układem odniesienia Newtona, jednak naukowiec nigdy takiego systemu nie stworzył ani nie stosował, lecz posłużył się irracjonalnym. To właśnie w tym układzie ciała mogą się poruszać, jak to opisuje Newton.

Pierwsze Prawo

Nazywane prawem bezwładności. Nie ma na to praktycznej formuły, ale istnieje kilka formuł. W podręcznikach fizyki podaje się następujące sformułowanie pierwszego prawa Newtona: istnieją inercjalne układy odniesienia, w stosunku do których obiekt, jeśli jest wolny od wpływu jakichkolwiek sił (lub są one natychmiast kompensowane), znajduje się w całkowitym spoczynku lub porusza się po po linii prostej i z tą samą prędkością. Co to znaczy tę definicję i jak to rozumieć?

W prostych słowach pierwsze prawo Newtona jest wyjaśnione w następujący sposób: każde ciało, jeśli nie jest dotykane ani nie ulega w żaden sposób wpływowi, pozostaje stale w spoczynku, to znaczy stoi w miejscu przez czas nieokreślony. To samo dzieje się, gdy się porusza: będzie poruszać się równomiernie po zadanej ścieżce w nieskończoność, dopóki coś na nią nie zadziała.

Podobne stwierdzenie wygłosił Galileo Galilei, jednak nie potrafił wyjaśnić i dokładnie opisać tego zjawiska. W tym sformułowaniu ważne jest prawidłowe zrozumienie, czym są inercyjne układy odniesienia. Mówiąc prościej w prostych słowach, to jest to system, w którym wykonywane jest działanie tej definicji.

Na świecie można zobaczyć ogromną różnorodność podobne systemy, jeśli obserwujesz ruch:

• pociągi na danym odcinku z tą samą prędkością;
• Księżyce wokół Ziemi;
• Diabelskie młyny w parku.

Weźmy za przykład pewnego spadochroniarza, który otworzył już spadochron i porusza się po linii prostej, a jednocześnie równomiernie w stosunku do powierzchni Ziemi. Ruch człowieka nie ustanie, dopóki grawitacja nie zostanie zrekompensowana ruchem i oporem powietrza. Gdy tylko ten opór maleje, przyciąganie wzrasta, co doprowadzi do zmiany prędkości spadochroniarza - jego ruch stanie się prostoliniowy i równomiernie przyspieszony.

To w związku z tym sformułowaniem istnieje legenda o jabłkach: Izaak odpoczywał w ogrodzie pod jabłonią i rozmyślał o tym, zjawiska fizyczne kiedy dojrzałe jabłko spadło z drzewa i upadło na trawę. To właśnie równy upadek zmusił naukowca do zbadania tego zagadnienia i ostatecznie do znalezienia naukowego wyjaśnienia ruchu obiektu w określonym układzie odniesienia.

Warto wiedzieć! Oprócz trzech zjawisk w mechanice Izaak Newton wyjaśnił także ruch Księżyca jako satelity Ziemi, stworzył korpuskularną teorię światła i rozłożył tęczę na 7 kolorów.

Drugie prawo

To naukowe uzasadnienie dotyczy nie tylko ruchu obiektów w przestrzeni, ale ich interakcji z innymi obiektami i rezultatów tego procesu.

Prawo stanowi: wzrost prędkości obiektu o pewnej stałej masie w inercjalnym układzie odniesienia jest wprost proporcjonalny do siły uderzenia i odwrotnie proporcjonalny do stałej masy poruszającego się obiektu.

Mówiąc najprościej, jeśli istnieje pewne poruszające się ciało, którego masa się nie zmienia i nagle zaczyna na nie działać siła zewnętrzna, wówczas zacznie ono przyspieszać. Jednak prędkość przyspieszenia będzie bezpośrednio zależeć od uderzenia i odwrotnie, będzie zależeć od masy poruszającego się obiektu.

Weźmy na przykład kulę śnieżną toczącą się po zboczu góry. Jeśli piłkę popchnie się w kierunku ruchu, przyspieszenie piłki będzie zależeć od siły uderzenia: im większa, tym większe przyspieszenie. Ale im większa masa danej piłki, tym mniejsze będzie przyspieszenie. Zjawisko to opisuje wzór uwzględniający przyspieszenie, czyli „a”, wypadkową masę wszystkich działających sił, czyli „F”, a także masę samego obiektu, czyli „m”:

Należy wyjaśnić, że wzór ten może istnieć tylko wtedy, gdy wypadkowa wszystkich sił jest nie mniejsza i różna od zera. Prawo to dotyczy tylko ciał poruszających się z prędkością mniejszą od światła.

Przydatny film: pierwsze i drugie prawo Newtona

Trzecie prawo

Wiele osób słyszało powiedzenie: „Każda akcja wiąże się z reakcją”. Często używa się go nie tylko do ogólnych celów edukacyjnych, ale także do celów edukacyjnych, wyjaśniając, że dla każdej siły istnieje większa.

Sformułowanie to pochodzi z innego naukowego stwierdzenia Izaaka Newtona, a raczej jego trzeciego prawa, które wyjaśnia oddziaływanie różnych sił w przyrodzie w odniesieniu do dowolnego ciała.

Trzecie prawo Newtona ma następującą definicję: ciała oddziałują na siebie siłami o tym samym charakterze (łączącymi masy obiektów i skierowanymi po linii prostej), które są równe w swoich modułach i jednocześnie skierowane w różnych kierunkach. Sformułowanie to brzmi dość skomplikowanie, ale łatwo jest wyjaśnić to prawo prostymi słowami: każda siła ma swoją własną reakcję lub równą siłę skierowaną w przeciwnym kierunku.

Znacznie łatwiej będzie zrozumieć znaczenie prawa, jeśli weźmiemy za przykład armatę, z której wystrzeliwane są kule armatnie. Działo działa na pocisk z taką samą siłą, jaką pocisk wywiera na działo. Potwierdzeniem tego będzie lekkie cofnięcie broni w trakcie strzału, co potwierdzi uderzenie kuli armatniej w broń. Jeśli weźmiemy za przykład to samo jabłko, które spada na ziemię, stanie się jasne, że jabłko i ziemia oddziałują na siebie z równą siłą.

Prawo ma również definicję matematyczną, która wykorzystuje siłę pierwszego ciała (F1) i drugiego (F2):

Znak minus wskazuje, że wektory sił dwóch różnych ciał są skierowane w przeciwne strony. Należy pamiętać, że siły te nie kompensują się wzajemnie, ponieważ są skierowane względem dwóch ciał, a nie jednego.

Przydatny film: 3 prawa Newtona na przykładzie roweru

Wniosek

Te prawa Newtona muszą być krótko i wyraźnie znane każdemu dorosłemu, ponieważ stanowią podstawę mechaniki i działają w Życie codzienne, pomimo faktu, że wzorce te nie są obserwowane we wszystkich warunkach. Stały się aksjomatami mechaniki klasycznej i na ich podstawie stworzono równania ruchu i energii (zachowanie pędu i zachowanie energii mechanicznej).

W kontakcie z

W tej części przyjrzymy się trzeciemu prawu Newtona, przedstawimy szczegółowe wyjaśnienia, zapoznamy się z istotnymi pojęciami i wyprowadzimy wzór. Suchą teorię „rozcieńczymy” przykładami i diagramami, które ułatwią zrozumienie tematu.

W jednym z poprzednich rozdziałów przeprowadziliśmy eksperymenty mające na celu pomiar przyspieszeń dwóch ciał po ich interakcji i uzyskaliśmy następujący wynik: masy ciał oddziałujących ze sobą są odwrotnie powiązane z wartościami liczbowymi przyspieszeń. W ten sposób wprowadzono pojęcie masy ciała.

m 1 m 2 = - za 2 za 1 lub m 1 za 1 = - m 2 za 2

Stwierdzenie trzeciego prawa Newtona

Jeśli nadamy tej relacji postać wektorową, otrzymamy:

m 1 za 1 → = - m 2 za 2 →

Znak minus we wzorze nie pojawił się przypadkowo. Oznacza to, że przyspieszenia dwóch oddziałujących ze sobą ciał są zawsze skierowane w przeciwne strony.

Czynnikami decydującymi o pojawieniu się przyspieszenia, zgodnie z drugim prawem Newtona, są siły F 1 → = m 1 a 1 → i F 2 → = m 2 a 2 →, które powstają podczas oddziaływania ciał.

Stąd:

F 1 → = - F 2 →

W ten sposób otrzymaliśmy wzór trzeciego prawa Newtona.

Definicja 1

Siły, z którymi ciała oddziałują na siebie, są równe co do wielkości i przeciwne w kierunku.

Charakter sił powstających podczas oddziaływania ciał jest taki sam. Siły te działają na różne ciała, dlatego nie mogą się wzajemnie równoważyć. Zgodnie z zasadami dodawania wektorów możemy dodawać tylko te siły, które przyłożone są do jednego ciała.

Ładowarka wywiera wpływ na określony ładunek z taką samą siłą, jaką to obciążenie wywiera na ładowarkę. Siły skierowane są w przeciwne strony. Ich natura fizyczna jest taka sama: siły sprężyste liny. Przyspieszenie nadane każdemu z ciał w przykładzie jest odwrotnie proporcjonalne do masy ciał.

Ten przykład zastosowania trzeciego prawa Newtona zilustrowaliśmy rysunkiem.

Obrazek 1 . 9. 1. Trzecie prawo Newtona

fa 1 → = - fa 2 → · za 1 → = - m 2 m 1 za 2 →

Siły działające na ciało mogą być zewnętrzne i wewnętrzne. Wprowadźmy definicje niezbędne do zapoznania się z tematem trzeciego prawa Newtona.

Definicja 2

Siły wewnętrzne- są to siły działające na różne części tego samego ciała.

Jeśli uznamy ciało w ruchu za jedną całość, to o przyspieszeniu tego ciała będzie decydowała tylko siła zewnętrzna. Drugie prawo Newtona nie uwzględnia sił wewnętrznych, ponieważ suma ich wektorów wynosi zero.

Przykład 2

Załóżmy, że mamy dwa ciała o masach m 1 i m 2. Ciała te są sztywno połączone ze sobą nicią, która nie ma ciężaru i nie rozciąga się. Obydwa ciała poruszają się z tym samym przyspieszeniem a → pod wpływem jakiejś siły zewnętrznej F → . Te dwa ciała poruszają się jako jedno.

Siły wewnętrzne działające pomiędzy ciałami podlegają trzeciemu prawu Newtona: F 2 → = - F 1 →.

Ruch każdego z ciał w sprzęgle zależy od sił oddziaływania pomiędzy tymi ciałami. Jeśli zastosujemy drugie prawo Newtona do każdego z tych ciał z osobna, otrzymamy: m 1 a 1 → = F 1 → , m 2 a 1 → = F 2 → + F → .

Pierwsza zasada Newtona (prawo bezwładności)

Istnieją układy odniesienia tzw inercyjny(zwane dalej $-$ISO), w którym dowolne ciało znajduje się w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym i prostoliniowym, jeżeli nie działają na nie inne ciała lub działanie tych ciał jest kompensowane. W takich układach ciało będzie utrzymywać początkowy stan spoczynku lub jednostajny ruch prostoliniowy do czasu, aż działanie innych ciał wymusi na nim zmianę tego stanu.

ISO $-$ to szczególna klasa układów odniesienia, w których o przyspieszeniach ciał decydują wyłącznie rzeczywiste siły działające na ciała, a nie właściwości układów odniesienia. W konsekwencji, jeśli na ciało nie działają żadne siły lub ich działanie jest kompensowane $\vec(R_())=\vec(F_1)+\vec(F_2)+\vec(F_3)+…=\vec(0_( )) $, wówczas ciało albo nie zmienia prędkości $\vec(V_())=\vec(const)$ i porusza się ruchem jednostajnym po linii prostej, albo pozostaje w spoczynku $\vec(V_())=\vec (0_())$.

Istnieje nieskończona liczba układów inercjalnych. Układ odniesienia związany z pociągiem poruszającym się ze stałą prędkością po prostym odcinku toru jest również układem inercjalnym (w przybliżeniu), podobnie jak układ związany z Ziemią. Wszystkie ISO tworzą klasę systemów, które poruszają się względem siebie równomiernie i prostoliniowo. Przyspieszenia dowolnego ciała w różnych ISO są takie same.

Jak zainstalować co ten system punkt odniesienia jest bezwładny? Można tego dokonać jedynie poprzez doświadczenie. Obserwacje pokazują, że z bardzo dużą dokładnością układ heliocentryczny można uznać za inercjalny układ odniesienia, w którym początek współrzędnych jest powiązany ze Słońcem, a osie są skierowane w stronę pewnych „stałych” gwiazd. Układy odniesienia sztywno połączone z powierzchnią Ziemi, ściśle rzecz biorąc, nie są inercjalne, ponieważ Ziemia porusza się po orbicie wokół Słońca i jednocześnie obraca się wokół własnej osi. Jednakże opisując ruchy, które nie mają skali globalnej (tj. Światowej), układy odniesienia związane z Ziemią można z wystarczającą dokładnością uznać za inercyjne.

Układy odniesienia, które poruszają się równomiernie i prostoliniowo względem jakiegoś inercyjnego układu odniesienia, są również bezwładne.

Galileo ustalił, że żadne eksperymenty mechaniczne przeprowadzone wewnątrz inercyjnego układu odniesienia nie mogą ustalić, czy układ ten jest w spoczynku, czy też porusza się równomiernie i prostoliniowo. To stwierdzenie nazywa się Zasada względności Galileusza, czyli mechaniczna zasada względności.

Zasada ta została następnie rozwinięta przez A. Einsteina i jest jednym z postulatów szczególnej teorii względności. ISO odgrywają niezwykle ważną rolę w fizyce, ponieważ zgodnie z zasadą względności Einsteina matematyczny wyraz dowolnego prawa fizyki ma tę samą formę w każdym ISO.

Nieinercyjny układ odniesienia Układ odniesienia $-$, który nie jest inercjalny. Właściwość opisana w prawie bezwładności nie działa w tych układach. W rzeczywistości każdy układ odniesienia, który porusza się względem układu bezwładnościowego z przyspieszeniem, będzie nieinercyjny.