Основні закони класичної механіки Ісаак Ньютон (1642-1727) зібрав та опублікував у 1687 році. Три знамениті закони були включені в працю, яка називалася «Математичні засади натуральної філософії».
Був довго цей світ глибокою темрявою оповитий
Нехай буде світло, і тут з'явився Ньютон.
(Епіграма 18 століття)
Але сатана недовго чекав на реванш -
Прийшов Ейнштейн, і все стало як раніше.
(Епіграма 20-го століття)
Що сталося, коли прийшов Ейнштейн, читайте в окремому матеріалі про релятивістську динаміку. А ми поки що наведемо формулювання та приклади вирішення завдань на кожен закон Ньютона.
Перший закон Ньютона
Перший закон Ньютона свідчить:
Існують такі системи відліку, які називаються інерціальними, в яких тіла рухаються рівномірно і прямолінійно, якщо на них не діють жодні сили або дія інших сил скомпенсована.
Простіше кажучи, суть першого закону Ньютона можна сформулювати так: якщо ми на абсолютно рівній дорозі штовхнемо візок і уявимо, що можна знехтувати силами тертя коліс та опору повітря, то він котитиметься з однаковою швидкістю нескінченно довго.
Інерція– це здатність тіла зберігати швидкість як у напрямку, і за величиною, за відсутності впливів на тіло. Перший закон Ньютона ще називають законом інерції.
До Ньютона закон інерції було сформульовано у менш чіткій формі Галілео Галілеєм. Інерцію вчений називав «незнищенно зображеним рухом». Закон інерції Галілея говорить: за відсутності зовнішніх сил тіло або спочиває, або рухається поступово. Величезна заслуга Ньютона у цьому, що він зумів об'єднати принцип відносності Галілея, власні праці та інших учених у своїх " Математичних засадах натуральної філософії " .
Зрозуміло, що таких систем, де візок штовхнули, а він покотився без дії зовнішніх сил, насправді не буває. На тіла завжди діють сили, причому компенсувати дію цих сил цілком практично неможливо.
Наприклад, все Землі перебуває у постійному полі сили тяжкості. Коли ми пересуваємось (не важливо, ходимо пішки, їздимо на машині чи велосипеді), нам потрібно долати безліч сил: силу тертя кочення і силу тертя ковзання, силу тяжіння, силу Коріоліса.
Другий закон Ньютона
Пам'ятаєте приклад про візок? У цей момент ми доклали до неї силу! Інтуїтивно зрозуміло, що візок покотиться і незабаром зупиниться. Це означає, що її швидкість зміниться.
У реальному світі швидкість тіла найчастіше змінюється, а чи не залишається постійної. Іншими словами, тіло рухається із прискоренням. Якщо швидкість наростає або зменшується рівномірно, то кажуть, що рух рівноприскорений.
Якщо рояль падає з даху будинку вниз, він рухається рівноприскорено під дією постійного прискорення вільного падіння g. Причому будь-який дугою предмет, викинутий з вікна на планеті, рухатиметься з тим самим прискоренням вільного падіння.
Другий закон Ньютона встановлює зв'язок між масою, прискоренням та силою, що діє на тіло. Наведемо формулювання другого закону Ньютона:
Прискорення тіла (матеріальної точки) в інерційній системі відліку прямо пропорційно доданій до нього силі і обернено пропорційно масі.
Якщо тіло діє відразу кілька сил, то цю формулу підставляється рівнодіюча всіх сил, тобто їх векторна сума.
У такому формулюванні другий закон Ньютона застосовний тільки для руху зі швидкістю, набагато меншою, ніж швидкість світла.
Існує більш універсальне формулювання цього закону, так званий диференціальний вигляд.
У будь-який нескінченно малий проміжок часу dtсила, що діє на тіло, дорівнює похідній імпульсу тіла за часом.
У чому третій закон Ньютона? Цей закон визначає взаємодію тел.
3 закон Ньютона говорить нам у тому, що у будь-яке дію знайдеться протидія. Причому, у прямому значенні:
Два тіла впливають одне на одного із силами, протилежними за напрямом, але рівними за модулем.
Формула, що виражає третій закон Ньютона:
Іншими словами, третій закон Ньютона – це закон дії та протидії.
Приклад завдання на закони Ньютона
Ось своєрідне завдання застосування законів Ньютона. У її рішенні використовуються перший та другий закони Ньютона.
Десантник розкрив парашут і опускається вниз із постійною швидкістю. Яка сила опору повітря? Маса десантника – 100 кілограмів.
Рішення:
Рух парашутиста - рівномірний і прямолінійний, тому, першому закону Ньютона, вплив сил на нього компенсовано.
На десантника діють сила тяжіння та сила опору повітря. Сили спрямовані у протилежні сторони.
За другим законом Ньютона, сила тяжіння дорівнює прискоренню вільного падіння, помноженого на масу десантника
Відповідь: Сила опору повітря дорівнює силі тяжіння за модулем і протилежна спрямована.
До речі! Для наших читачів зараз діє знижка 10% на будь-який вид роботи
А ось ще одне фізичне завдання на розуміння дії третього закону Ньютона.
Комар ударяється об лобове скло автомобіля. Порівняйте сили, що діють на автомобіль та комара.
Рішення:
За третім законом Ньютона, сили, з якими тіла діють один на одного, рівні за модулем і протилежні у напрямку. Сила, з якою комар діє автомобіль, дорівнює силі, з якою автомобіль діє комара.
Інша річ, що дія цих сил на тіла сильно відрізняються внаслідок різниці мас та прискорень.
Ісаак Ньютон: міфи та факти з життя
На момент публікації своєї основної праці Ньютону було 45 років. За свою довге життявчений зробив величезний внесок у науку, заклавши фундамент сучасної фізики та визначивши її розвиток на роки вперед.
Він займався як механікою, а й оптикою, хімією та інші науками, непогано малював і писав вірші. Не дивно, що особистість Ньютона оточена безліччю легенд.
Нижче наведено деякі факти та міфи з життя І. Ньютона. Відразу уточнимо, що міф – це не достовірна інформація. Однак ми припускаємо, що міфи і легенди не з'являються власними силами і щось із перерахованого цілком може виявитися правдою.
- факт.Ісаак Ньютон був дуже скромною і сором'язливою людиною. Він увічнив себе завдяки своїм відкриттям, проте сам ніколи не прагнув слави і навіть намагався її уникнути.
- Міф.Існує легенда, за якою Ньютона осяяло, коли на наго в саду впало яблуко. Це був час чумної епідемії (1665-1667) і вчений був змушений покинути Кембридж, де постійно працював. Точно невідомо, чи справді падіння яблука було такою фатальною для науки подією, оскільки перші згадки про це з'являються лише в біографіях вченого вже після його смерті, а дані різних біографів розходяться.
- факт.Ньютон навчався, а потім багато працював у Кембриджі. За обов'язком служби йому потрібно було кілька годин на тиждень вести заняття у студентів. Незважаючи на визнані заслуги вченого, заняття Ньютона відвідували погано. Бувало, що на його лекції взагалі ніхто не приходив. Швидше за все це пов'язано з тим, що вчений був повністю поглинений своїми власними дослідженнями.
- Міф.У 1689 Ньютон був обраний членом Кембриджського парламенту. Згідно з легендою, більш ніж за рік засідання в парламенті вчений вчений своїми думками вчений взяв слово для виступу лише один раз. Він попросив зачинити вікно, бо був протяг.
- факт.Невідомо, як би склалася доля вченого та всієї сучасної науки, якби він послухався матері та почав займатися господарством на сімейній фермі. Тільки завдяки вмовлянням вчителів і свого дядька юний Ісаак вирушив вчитися далі замість того, щоб садити буряки, розкидати по полях гній і вечорами випивати у місцевих пабах.
Дорогі друзі, пам'ятайте – будь-яке завдання можна вирішити! Якщо у вас виникли проблеми з вирішенням задачі з фізики, подивіться на основні фізичні формули. Можливо, відповідь перед очима і її потрібно просто розглянути. Ну а якщо часу на самостійні заняття немає, спеціалізований студентський сервіс завжди до ваших послуг!
Наприкінці пропонуємо подивитися відеоурок на тему "Закони Ньютона".
У відомій грі «перетягування каната» обидві партії діють одна на одну (через канат) з однаковими силами, як це випливає із закону дії та протидії. Значить, виграє (перетягне канат) не та партія, яка сильніше тягне, а та, яка сильніше впирається у Землю.
Як пояснити, що кінь везе сани, якщо, як це випливає із закону дії та протидії, сани тягнуть коня назад з такою ж по модулю силою F 2 , з якою кінь тягне сани вперед (сила F 1)? Чому ці сили не врівноважуються?
Справа в тому, що, по-перше, хоча ці сили рівні і прямо протилежні, вони прикладені до різних тіл, а по-друге, і на сани, і на коня діють ще й сили з боку дороги (рис. 9).
Сила F 1 з боку коня прикладена до саней, які відчувають, крім цієї сили, лише невелику силу тертя f 1 полозів об сніг; тому сани починають рухатися вперед. До коня ж, крім сили з боку саней F 2 спрямованої назад, прикладені з боку дороги, в яку вона упирається ногами, сили f 2 , спрямовані вперед і більші, ніж сила з боку саней. Тому кінь теж починає рухатися вперед. Якщо поставити коня на лід, то сила з боку слизького льоду буде недостатня; і кінь не зрушить сани. Те саме буде і з дуже важко навантаженим возом, коли кінь, навіть упираючись ногами, не зможе створити достатньої сили, щоб зрушити віз з місця. Після того як кінь зрушив сани і встановився рівномірний рух саней, сила f 1 буде врівноважена силами f 2 (перший закон Ньютона).
Подібне питання виникає і при розборі руху поїзда під дією електровоза. І тут, як і в попередньому випадку, рух можливий лише завдяки тому, що, крім сил взаємодії між тілом, що тягне (кінь, електровоз) і «причепом» (сані, потяг), на тіло, що тягне, діють з боку дороги або рейок сили, спрямовані уперед. На ідеально слизькій поверхні, від якої не можна відштовхнутися, ні сани з конем, ні поїзд, ні автомобіль не могли б зрушити з місця.
Третій закон Ньютона дозволяє пояснити явище віддачіпід час пострілу. Встановимо на візок модель гармати, що діє за допомогою пари (рис. 10) або за допомогою пружини. Нехай спочатку візок спочиває. При пострілі "снаряд" (пробка) вилітає в один бік, а "гармата" відкочується в інший.
Відкат гармати і є результатом віддачі. Віддача є не що інше, як протидія з боку снаряда, що діє, згідно з третім законом Ньютона, на гармату, що викидає снаряд. Відповідно до цього закону сила, що діє з боку гармати на снаряд, весь час дорівнює силі, що діє з боку снаряда на гармату, і протилежно їй спрямована.
У відомій грі «перетягування каната» обидві партії діють одна на одну (через канат) з однаковими силами, як це випливає із закону дії та протидії. Значить, виграє (перетягне канат) не та партія, яка сильніше тягне, а та, яка сильніше впирається у Землю.
Мал. 72. Кінь зрушить і повезе навантажені сани, бо з боку дороги на її копита діють більші сили тертя, ніж на слизькі полозья саней.
Як пояснити, що кінь везе сани, якщо, як це випливає із закону дії та протидії, сани тягнуть коня назад з такою ж по модулю силою, з якою кінь тягне сани вперед (сила)? Чому ці сили не врівноважуються? Справа в тому, що, по-перше, хоча ці сили рівні і прямо протилежні, вони прикладені до різних тіл, а по-друге, і на сани і на коня діють ще й сили з боку дороги (рис. 72). Сила з боку коня прикладена до саней, які відчувають, крім цієї сили, лише невелику силу тертя полозів об сніг; тому сани починають рухатися вперед. До коня ж, крім сили з боку саней, спрямованої назад, прикладені з боку дороги, в яку вона упирається ногами, сили, спрямовані вперед і більші, ніж сила з боку саней. Тому кінь теж починає рухатися вперед. Якщо поставити коня на лід, то сила з боку слизького льоду буде недостатня, і кінь не зрушить сани. Те саме буде і з дуже важко навантаженим возом, коли кінь, навіть упираючись ногами, не зможе створити достатньої сили, щоб зрушити віз з місця. Після того, як кінь зрушив сани і встановився рівномірний рух саней, сила буде врівноважена силами (перший закон Ньютона).
Подібне питання виникає і при розборі руху поїзда під дією електровоза. І тут, як і в попередньому випадку, рух можливий лише завдяки тому, що, крім сил взаємодії між тілом, що тягне (кінь, електровоз) і «причепом» (сані, потяг), на тіло, що тягне, діють з боку дороги або рейок сили, спрямовані уперед. На ідеально слизькій поверхні, від якої не можна відштовхнутися, ні сани з конем, ні поїзд, ні автомобіль не могли б зрушити з місця.
Мал. 73. При нагріванні пробірки з водою пробка вилітає в один бік, а гармата котиться в протилежний бік.
Третій закон Ньютона дозволяє розрахувати явище віддачіпід час пострілу. Встановимо на візок модель гармати, що діє за допомогою пари (рис. 73) або за допомогою пружини. Нехай спочатку візок спочиває. При пострілі "снаряд" (пробка) вилітає в один бік, а "гармата" відкочується в інший. Відкат гармати і є результатом віддачі. Віддача є не що інше, як протидія з боку снаряда, що діє, згідно з третім законом Ньютона, на гармату, що викидає снаряд. Відповідно до цього закону сила, що діє з боку гармати на снаряд, весь час дорівнює силі, що діє з боку снаряда на гармату, і протилежно їй спрямована. Таким чином, прискорення, одержувані гарматою та снарядом, спрямовані протилежно, а по модулю обернено пропорційні масам цих тіл. В результаті снаряд і гармата придбають протилежно спрямовані швидкості, що знаходяться в тому самому відношенні. Позначимо швидкість, отриману снарядом, через , а швидкість, отриману гарматою, через а маси цих тіл позначимо через і відповідно. Тоді
ВИЗНАЧЕННЯ
Формулювання третього закону Ньютона. Два тіла діють один на одного з , рівними за модулем і протилежними у напрямку. Ці сили мають одну й ту саму фізичну природу і спрямовані вздовж прямої точки, що їх з'єднує.
Опис третього закону Ньютона
Наприклад, книга, що лежить на столі, діє на стіл із силою, прямо пропорційною своєю і спрямованою вертикально вниз. Згідно з третім законом Ньютона стіл у цей час діє на книгу з абсолютно такою ж за величиною силою, але спрямованою не вниз, а вгору.
Коли яблуко падає з дерева, це Земля діє на яблуко силою свого гравітаційного тяжіння (внаслідок чого яблуко рівноприскорено рухається до Землі), але при цьому і яблуко притягує до себе Землю з такою ж силою. А те, що нам здається, що це саме яблуко падає на Землю, а не навпаки, є наслідком. Маса яблука в порівнянні з масою Землі мала до незрівнянності, тому саме яблука помітно для очей спостерігача. Маса Землі, в порівнянні з масою яблука, величезна, тому її прискорення практично непомітно.
Аналогічно, якщо ми штурхаємо м'яч, то м'яч у відповідь штовхає нас. Інша річ, що м'яч має набагато меншу масу, ніж тіло людини, і тому його вплив практично не відчувається. Однак якщо штовхнути важкий залізний м'яч, вплив у відповідь добре відчувається. Фактично, ми щодня багато разів «пінаємо» дуже і дуже важкий м'яч — нашу планету. Ми штовхаємо її кожним своїм кроком, але при цьому відлітає не вона, а ми. А все тому, що планета в мільйони разів перевершує нас за масою.
Отже, третій закон Ньютона стверджує, що як взаємодії завжди виникають парами. Ці сили не врівноважуються, оскільки завжди прикладені до різних тіл.
Третій закон Ньютона виконується тільки в і справедливий для сил будь-якої природи.
Приклади розв'язання задач
ПРИКЛАД 1
Завдання | На підлозі ліфта стоїть вантаж масою 20 кг. Ліфт рухається з прискоренням м/с, спрямованим нагору. Визначити силу, з якою вантаж діятиме на підлогу ліфта. |
Рішення | Зробимо малюнок
На вантаж у ліфті діють сила тяжкості та сила реакції опори. За другим законом Ньютона: Направимо координатну вісь, як показано на малюнку і запишемо цю векторну рівність у проекціях на координатну вісь: звідки сила реакції опори: Вантаж діятиме на підлогу ліфта з силою, що дорівнює його вазі. За третім законом Ньютона, ця сила дорівнює по модулю силі, з якою підлога ліфта діє вантаж, тобто. силі реакції опори: Прискорення вільного падіння м/с Підставивши у формулу чисельні значення фізичних величин, обчислимо: |
Відповідь | Вантаж діятиме на підлогу ліфта з силою 236 н. |
ПРИКЛАД 2