Където се използва първият закон на Нютон. Законите на механиката на Нютон. Принципът на суперпозицията на силите

Трите закона на сър Исак Нютон описват движението на масивни тела и как те взаимодействат.

Докато законите на Нютон може да изглеждат очевидни за нас днес, преди повече от три века те са били смятани за революционни.

съдържание:

Нютон е може би най-известен с работата си върху гравитацията и движението на планетите. Повикан от астронома Едмонд Халей, след като призна, че е загубил доказателството си за елиптични орбити няколко години по-рано, Нютон публикува своите закони през 1687 г. в оригиналния си труд Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (Математически принципи на естествената философия), в който формализира описанието от това как се движат масивни тела под въздействието на външни сили.

При формулирането на трите си закона Нютон опрости призива към масивни тела, считайки ги за математически точки без размер или въртене. Това му позволи да игнорира фактори като триене, съпротивление на въздуха, температура, свойства на материала и т.н., и да се съсредоточи върху явления, които могат да бъдат описани единствено от гледна точка на маса, дължина и време. Следователно трите закона не могат да се използват за описване на точността на поведението на големи твърди или деформируеми обекти. Въпреки това, в много случаи те осигуряват подходящи точни приближения.

законите на Нютон

Законите на Нютон се отнасят до движението на масивни тела в инерционна референтна система, понякога наричана нютонова референтна система, въпреки че самият Нютон никога не е описвал такава система. Инерциалната референтна система може да бъде описана като триизмерна координатна система, която е или неподвижна, или равномерно линейна, т.е. нито ускорява, нито се върти. Той откри, че движението в такава инерционна референтна система може да се опише с три прости закона.

Първият закон за движение на Нютон

Той казва: Ако върху тялото не действат сили или тяхното действие е компенсирано, тогава това тяло е в покой или равномерно праволинейно движение. Това просто означава, че нещата не могат да започнат, да спрат или да променят посоката сами.

Необходима е сила, действаща върху тях отвън, за да доведе до такава промяна. Това свойство на масивните тела да се съпротивляват на промените в движението си понякога се нарича инерция.

В съвременната физика първият закон на Нютон обикновено се формулира по следния начин:

Има такива референтни системи, наречени инерционни, спрямо които материалните точки, когато върху тях не действат сили (или действат взаимно уравновесени сили), са в състояние на покой или равномерно праволинейно движение.

Вторият закон за движението на Нютон

Описва какво се случва с масивно тяло, когато върху него действа външна сила. Той казва: Силата, действаща върху обект, е равна на масата на този обект на неговото ускорение. Това се записва в математическа форма като F = ma, където F е сила, m е маса, a е ускорение. Удебелите букви показват, че силата и ускорението са векторни величини, което означава, че имат както величина, така и посока. Силата може да бъде единична сила или може да бъде векторната сума на повече от една сила, която е нетната сила, след като всички сили са комбинирани.

Когато върху масивно тяло действа постоянна сила, тя го кара да се ускорява, тоест да променя скоростта си с постоянна скорост. В най-простия случай сила, приложена към неподвижен обект, го кара да се ускори по посока на силата. Въпреки това, ако обектът вече е в движение или ако ситуацията се гледа от движеща се референтна система, това тяло може да изглежда, че ускорява, забавя или променя посоката в зависимост от посоката на силата и посоките, в които обектът и референтният елемент рамката се движат една спрямо друга.

В съвременната физика вторият закон на Нютон обикновено се формулира по следния начин:

В инерциална референтна система ускорението, което материална точка получава с постоянна маса, е право пропорционално на резултата на всички сили, приложени към нея, и обратно пропорционално на нейната маса.

С подходящ избор на мерни единици този закон може да се запише като формула:

Третият закон за движение на Нютон

Той казва: За всяко действие има еднаква и противоположна реакция. Този закон описва какво се случва с едно тяло, когато то упражни сила върху друго тяло. Силите винаги идват по двойки, така че когато едно тяло тласне друго, другото тяло се отблъсква също толкова силно. Например, когато бутате количката, количката се отблъсква от вас; когато дърпате въжето, въжето пада обратно върху вас; когато гравитацията ви дърпа към земята, земята ви избутва и докато ракетата запалва горивото си зад себе си, разширяващият се отработен газ натиска ракетата, карайки я да се ускори.

Ако един обект е много, много по-масивен от другия, особено в случай на първия обект, който е закотвен към Земята, почти цялото ускорение се прехвърля към втория обект и ускорението на първия обект може безопасно да бъде игнорирано. Например, ако хвърлите топка на запад, не е нужно да смятате, че всъщност сте накарали Земята да се върти по-бързо, докато топката е била във въздуха. Ако обаче сте на ролкови кънки и хвърлите топка за боулинг, ще започнете да се движите назад със забележима скорост.

В съвременната физика третият закон на Нютон обикновено се формулира по следния начин:

Материалните точки взаимодействат помежду си чрез сили от едно и също естество, насочени по правата линия, свързваща тези точки, еднакви по величина и противоположни по посока:

Трите закона са тествани чрез безброй експерименти през последните три века и все още се използват широко днес за описване на видовете обекти и скорости, които срещаме в ежедневния живот. Те формират основата на това, което сега е известно като класическа механика, а именно изучаването на масивни обекти, които са по-големи от много малките мащаби, разглеждани от квантовата механика, и които се движат по-бавно от много високите скорости на релативистичната механика.

При липса на външни силови влияния тялото ще продължи да се движи равномерно по права линия.

Ускорението на движещо се тяло е пропорционално на сумата от приложените към него сили и обратно пропорционално на неговата маса.

Всяко действие има еднаква и противоположна реакция.

Законите на Нютон, в зависимост от това как ги погледнете, представляват или края на началото, или началото на края на класическата механика. Във всеки случай това е повратна точка в историята на физическата наука - брилянтна компилация от всички натрупани от този исторически момент знания за движението на физическите тела в рамките на една физическа теория, която днес обикновено се нарича класическа механика.Може да се каже, че историята на съвременната физика и естествените науки като цяло започва от Нютоновите закони за движение.

Въпреки това, Исак Нютон не взе от нищото законите, кръстени на него. Те всъщност се превърнаха в кулминацията на дълъг исторически процес на формулиране на принципите на класическата механика. Мислители и математици - ще споменем само Галилей ( см.Уравнения на равномерно ускорено движение) - в продължение на векове те се опитваха да извлекат формули за описание на законите на движението на материалните тела - и непрекъснато се препъваха в това, което аз лично наричам неизказани конвенции за себе си, а именно и двете основни идеи за това на какви принципи се основава материалният свят на, които са толкова здраво влезли в съзнанието на хората, че изглеждат неоспорими. Например, древните философи дори не са мислили, че небесните тела могат да се движат по орбити, различни от кръгови; в най-добрия случай възникна идеята, че планетите и звездите се въртят около Земята в концентрични (тоест вложени една в друга) сферични орбити. Защо? Да, защото от времето на древните мислители на Древна Гърция на никого не е хрумвало, че планетите могат да се отклоняват от съвършенството, чието въплъщение е строг геометричен кръг. Беше необходимо да имаме гения на Йоханес Кеплер, за да погледнем честно на този проблем от различен ъгъл, да анализираме данните от реални наблюдения и оттегли сеот тях, че в действителност планетите се въртят около Слънцето по елиптични траектории ( см.законите на Кеплер).

Първият закон на Нютон

Предвид такъв сериозен исторически провал, първият закон на Нютон е формулиран по недвусмислено революционен начин. Той твърди, че ако някоя материална частица или тяло просто не се докосне, то ще продължи да се движи по права линия с постоянна скорост сама по себе си. Ако едно тяло се движи равномерно по права линия, то ще продължи да се движи по права линия с постоянна скорост. Ако тялото е в покой, то ще остане такова, докато към него не се приложат външни сили. Трябва просто да преместите физическото тяло от мястото му задължителноприлага външна сила. Вземете самолет: той никога няма да помръдне, докато двигателите не бъдат стартирани. Изглежда, че наблюдението е очевидно, но веднага щом се отклоним от праволинейното движение, то престава да изглежда така. Когато едно тяло се движи инерционно по затворена циклична траектория, неговият анализ от гледна точка на първия закон на Нютон дава възможност само да се определят точно неговите характеристики.

Представете си нещо като лекоатлетически чук – топка в края на връв, която въртите около главата си. Ядрото в този случай не се движи по права линия, а в кръг, което означава, че според първия закон на Нютон нещо го държи; това „нещо“ е центростремителната сила, която прилагате към ядрото, завъртайки го. Всъщност вие сами можете да го усетите - дръжката на лекоатлетическия чук забележимо притиска дланите ви. Ако отворите ръката си и пуснете чука, той - при липса на външни сили - веднага ще тръгне по права линия. По-точно би било да се каже, че така ще се държи чукът в идеални условия (например в космическото пространство), тъй като под въздействието на силата на гравитационното привличане на Земята той ще лети строго по права линия само при в момента, когато го освободите, и в бъдеще пътят на полета ще се отклони повече към земната повърхност. Ако се опитате наистина да освободите чука, се оказва, че чукът, освободен от кръговата орбита, ще тръгне строго по права линия, която е допирателна (перпендикулярна на радиуса на окръжността, по която е завъртян) с линейна скорост равна на скоростта на нейната циркулация по „орбитата“.

Сега заменяме сърцевината на лекоатлетическия чук с планета, чука със Слънцето, а струната със силата на гравитационно привличане: ето нютоновия модел на Слънчевата система.

Подобен анализ на това какво се случва, когато едно тяло се върти около друго в кръгова орбита на пръв поглед изглежда нещо самоочевидно, но не забравяйте, че той погълна редица заключения на най-добрите представители на научната мисъл от предишното поколение ( достатъчно е да си припомним Галилео Галилей). Проблемът тук е, че когато се движи по неподвижна кръгова орбита, небесното (и всяко друго) тяло изглежда много спокойно и изглежда е в състояние на стабилно динамично и кинематично равновесие. Въпреки това, ако го погледнете, само модул(абсолютна стойност) на линейната скорост на такова тяло, докато неговата посокапостоянно се променя под въздействието на гравитационното привличане. Това означава, че небесното тяло се движи равномерно ускорено. Между другото, самият Нютон нарича ускорението „промяна в движението“.

Първият закон на Нютон играе и друга важна роля от гледна точка на нашето научно отношение към природата на материалния свят. Той ни казва, че всяка промяна в характера на движението на тялото показва наличието на външни сили, действащи върху него. Относително казано, ако наблюдаваме железни стърготини, например, скачащи и залепващи за магнит, или, изваждайки дрехи от сушилнята на пералня, откриваме, че нещата са залепнали и изсъхнали едно към друго, можем да се почувстваме спокойни и уверени: тези ефекти са се превърнали в следствие от действието на природни сили (в дадените примери това са съответно силите на магнитно и електростатично привличане).

Вторият закон на Нютон

Ако първият закон на Нютон ни помага да определим дали дадено тяло е под въздействието на външни сили, то вторият закон описва какво се случва с физическо тяло под тяхно влияние. Колкото по-голям е сборът на външните сили, приложени към тялото, казва този закон, толкова по-голяма ускорениепридобива тяло. Този път. В същото време, колкото по-масивно е тялото, към което се прилага равен сбор от външни сили, толкова по-малко ускорение придобива. Това са две. Интуитивно тези два факта изглеждат очевидни и в математическа форма са записани по следния начин:

Ф = ма

където F-сила, м -тегло, а -ускорение. Това е може би най-полезното и най-широко използваното за приложни цели от всички физически уравнения. Достатъчно е да се знае величината и посоката на всички сили, действащи в механичната система, и масата на материалните тела, от които се състои, и е възможно да се изчисли поведението й във времето с изчерпателна точност.

Именно вторият закон на Нютон придава на цялата класическа механика особен чар – започва да изглежда така, сякаш целият физически свят е подреден като най-точния хронометър и нищо в него не убягва от погледа на любознателен наблюдател. Дайте ми пространствените координати и скорости на всички материални точки във Вселената, сякаш Нютон ни казва, покажете ми посоката и интензитета на всички действащи в нея сили и аз ще ви предскажа всяко бъдещо състояние. И такъв възглед за природата на нещата във Вселената е съществувал до появата на квантовата механика.

Трети закон на Нютон

За този закон най-вероятно Нютон си е спечелил чест и уважение не само от естествените учени, но и от хуманитарните учени и просто от широката общественост. Те обичат да го цитират (по работа и без бизнес), като правят най-широките паралели с това, което сме принудени да наблюдаваме в ежедневието си, и дърпат почти за ушите, за да обосноват най-противоречивите разпоредби по време на дискусии по всякакви въпроси, като се започне от междуличностните и завършвайки с международните отношения и глобалната политика. Нютон обаче вложи в своя по-късно наречен трети закон напълно специфично физическо значение и едва ли го представи в друго качество освен като точно средство за описване на природата на силовите взаимодействия. Този закон гласи, че ако тялото A действа с определена сила върху тялото B, то тялото B също действа върху тялото A с еднаква и противоположна сила. С други думи, стоейки на пода, действате на пода със сила, пропорционална на масата на тялото ви. Според третия закон на Нютон подът в същото време действа върху вас с абсолютно същата сила, но насочена не надолу, а строго нагоре. Не е трудно да проверите този закон експериментално: постоянно усещате как земята притиска подметките ви.

Тук е важно да се разбере и запомни, че Нютон говори за две сили от напълно различно естество и всяка сила действа върху „собствен“ обект. Когато ябълка падне от дърво, Земята е тази, която упражнява своето гравитационно привличане върху ябълката (в резултат на което ябълката се втурва към земната повърхност с равномерно ускорение), но в същото време ябълката също привлича Земята към себе си с еднаква сила. А това, че ни се струва, че именно ябълката пада на Земята, а не обратното, вече е следствие от втория закон на Нютон. Масата на една ябълка в сравнение с масата на Земята е ниска до степен на несравнимост, така че именно нейното ускорение е забележимо за очите на наблюдателя. Масата на Земята, в сравнение с масата на ябълка, е огромна, така че нейното ускорение е почти незабележимо. (В случай на падане на ябълка, центърът на Земята се измества нагоре на разстояние, по-малко от радиуса на атомното ядро.)

Взети заедно, трите закона на Нютон са дали на физиците инструментите, от които се нуждаят, за да започнат цялостно наблюдение на всички явления, случващи се в нашата Вселена. И въпреки целия огромен напредък в науката след Нютон, за да проектирате нова кола или да изпратите космически кораб до Юпитер, вие все още използвате трите закона на Нютон.

Вижте също:

1609, 1619

Законите на Кеплер

1659

Центробежна сила

1668

Закон за запазване на линейния импулс

1736

Закон за запазване на ъгловия импулс

1738

уравнение на Бернули

1835

Кориолис ефект

1851

Ограничение на скоростта на падане

1891

Принцип на еквивалентност

1923

Принцип на съответствие

Исак Нютон, 1642-1727

Англичанин, който по принцип е смятан от мнозина за най-великия учен на всички времена и народи. Роден в семейство на дребни благородници в околностите на Woolsthorpe (Линкълншир, Англия). Не намерил баща си жив (починал три месеца преди раждането на сина си). След като се омъжи повторно, майката остави двегодишния Исак на грижите на баба му. Много изследователи на неговата биография приписват особеното ексцентрично поведение на вече възрастен учен на факта, че до деветгодишна възраст, когато последва смъртта на втория му баща, момчето е било напълно лишено от родителски грижи.

За известно време младият Исак изучава мъдростта на земеделието в търговско училище. Както често се случва с по-късните велики мъже, все още има много легенди за неговите ексцентричности в този ранен период от живота му. Така, по-специално, те казват, че веднъж той бил изпратен на паша да пази добитък, който безопасно се разпръснал в неизвестна посока, докато момчето седело под едно дърво и ентусиазирано четело книга, която го интересувала. Харесва ли ви или не, но жаждата на тийнейджъра за знания скоро беше забелязана - и изпратена обратно в гимназията в Грантъм, след което младежът успешно влезе в колежа Тринити, университета в Кеймбридж.

Нютон бързо усвоява учебната програма и преминава към изучаване на трудовете на водещите учени от онова време, по-специално последователите на френския философ Рене Декарт (1596-1650), който има механистичен възглед за Вселената. През пролетта на 1665 г. той получава бакалавърска степен - и тогава се случват най-невероятните събития в историята на науката. През същата година в Англия избухна последната бубонна чума, все по-често се чуваше биенето на погребални камбани и Кеймбриджският университет беше затворен. Нютон се върна в Уулсторп за почти две години, като взе със себе си само няколко книги и забележителната си интелигентност.

Когато университетът в Кеймбридж отново отвори врати две години по-късно, Нютон вече (1) е разработил диференциално смятане, отделен клон на математиката, (2) очертава основите на съвременната теория на цветовете, (3) извежда закона за всемирното притегляне и (4) ) решава няколко математически задачи, които са били пред него. Никой не може да реши. Както самият Нютон каза: „В онези дни бях на върха на изобретателските си сили, а математиката и философията никога оттогава не са ме завладявали толкова силно, колкото тогава.“ (Често питам учениците си, като им казвам още веднъж за постиженията на Нютон: „Какво Виеуспяхте ли да го направите през лятната ваканция?)

Малко след завръщането си в Кеймбридж, Нютон е избран в Академичния съвет на Тринити Колидж и неговата статуя все още украсява университетската църква. Той изнесе лекции по теория на цветовете, в които показа, че различията в цветовете се обясняват с основните характеристики на светлинната вълна (или, както сега се казва, дължината на вълната) и че светлината има корпускулярна природа. Той също така проектира огледален телескоп, изобретение, което го привлече вниманието на Кралското общество. Дългосрочните изследвания на светлината и цветовете са публикувани през 1704 г. в неговия фундаментален труд "Оптика" ( Оптика).

Застъпничеството на Нютон за "грешната" теория за светлината (по това време доминираха представянията на вълните) доведе до конфликт с Робърт Хук ( см.Законът на Хук), ръководител на Кралското общество. В отговор Нютон предложи хипотеза, която комбинира корпускулярни и вълнови концепции за светлината. Хук обвини Нютон в плагиатство и направи претенции за приоритет в това откритие. Конфликтът продължава до смъртта на Хук през 1702 г. и прави толкова депресиращо впечатление на Нютон, че той се оттегля от интелектуалния живот за шест. Някои психолози от онова време обаче обясняват това с нервен срив, който се влошава след смъртта на майка му.

През 1679 г. Нютон се връща на работа и придобива слава, като изследва траекториите на планетите и техните спътници. В резултат на тези изследвания, също придружени от спорове с Хук относно приоритета, бяха формулирани законът за всемирното притегляне и законите на механиката на Нютон, както ги наричаме сега. Нютон обобщава своите изследвания в книгата „Математически принципи на естествената философия“ ( Philosophiae naturalis principia mathematica), представен на Кралското общество през 1686 г. и публикуван година по-късно. Тази работа, която постави началото на тогавашната научна революция, донесе на Нютон световно признание.

Неговите религиозни възгледи, неговата силна привързаност към протестантството също привличат вниманието на Нютон към вниманието на широките кръгове от английския интелектуален елит и особено на философа Джон Лок (John Locke, 1632-1704). Прекарвайки все повече време в Лондон, Нютон се включва в политическия живот на столицата и през 1696 г. е назначен за суперинтендант на монетния двор. Въпреки че тази позиция традиционно се смяташе за синекура, Нютон подходи към работата си с цялата сериозност, считайки повторното сечене на английски монети като ефективна мярка в борбата срещу фалшификаторите. Точно по това време Нютон участва в друг приоритетен спор, този път с Готфрид Лайбниц (1646-1716), относно откриването на диференциалното смятане. В края на живота си Нютон създава нови издания на основните си произведения и също така служи като президент на Кралското общество, докато заема доживотна позиция като директор на монетния двор.

В училищния курс по физика се изучават трите закона на Нютон, които са в основата на класическата механика. Днес всеки ученик е запознат с тях, но по времето на великия учен подобни открития се смятаха за революционни. Законите на Нютон ще бъдат описани накратко и ясно по-долу, те помагат не само да се разбере основата на механиката и взаимодействието на обектите, но също така помагат да се запишат данни като уравнение.

За първи път Исак Нютон описва трите закона в своя труд „Математическите принципи на естествената философия“ (1867), който описва подробно не само заключенията на учения, но и цялото знание по тази тема, открито от други философи и математици. Така трудът стана основен в историята на механиката, а по-късно и на физиката. Той разглежда движението и взаимодействието на масивни тела.

Интересно е да се знае!Исак Нютон беше не само талантлив физик, математик и астроном, но беше смятан и за гений в механиката. Той е бил президент на Лондонското кралско общество.

Всяко твърдение осветява една от сферите на взаимодействие и движение на обекти в природата, въпреки че привличането към тях беше донякъде премахнато от Нютон и те бяха приети като точки без определен размер (математически).

Именно това опростяване направи възможно игнорирането на природните физически явления: въздушно съпротивление, триене, температура или други физически показатели на обекта.

Получените данни могат да бъдат описани само по отношение на време, маса или дължина. Именно поради това формулировките на Нютон предоставят само подходящи, но приблизителни стойности, които не могат да се използват за описване на точния отговор на големи или променливи обекти.

Движението на масивни обекти, които участват в дефинициите, обикновено се изчислява инерционно, представено като координатна система от три измерения, като в същото време не увеличава скоростта си и не се върти около оста си.

Често се нарича референтна рамка на Нютон, но в същото време ученият никога не е създавал или използвал такава система, а е използвал ирационална. Именно в тази система телата могат да се движат, както го описва Нютон.

Първи закон

Нарича се закон за инерцията. Няма практическа формула за него, но има няколко формулировки. Учебниците по физика предлагат следната формулировка на първия закон на Нютон: има инерционни референтни системи, по отношение на които даден обект, ако е свободен от влиянието на каквито и да било сили (или те са моментално компенсирани), е напълно в покой или се движи в права линия и със същата скорост. Какво означава това определение и как да го разберем?

С прости думи първият закон на Нютон се обяснява по следния начин: всяко тяло, ако не бъде докоснато и не се повлияе по никакъв начин, ще остане постоянно в покой, тоест ще стои на място завинаги. Същото се случва, когато се движи: той ще се движи равномерно по дадена траектория за неопределено време, докато нещо не го засегне.

Подобно твърдение беше изразено от Галилео Галилей, но не можа да изясни и опише точно това явление. В тази формулировка е важно да се разбере правилно какво представляват инерционните референтни системи. С много прости думи това е система, в която се извършва действието на това определение.

В света можете да видите огромно разнообразие от такива системи, ако наблюдавате движението:

влакове на даден участък със същата скорост;
луни около земята;
виенски колела в парка.

Като пример помислете за парашутист, който вече е отворил парашута си и се движи по права линия и в същото време равномерно по отношение на повърхността на Земята. Движението на човек няма да спре, докато земната гравитация не бъде компенсирана от движението и съпротивлението на въздуха. Веднага след като това съпротивление намалее, привличането ще се увеличи, което ще доведе до промяна в скоростта на парашутиста - движението му ще стане праволинейно и равномерно ускорено.

Във връзка с тази формулировка има легенда за ябълката: Исак си почивал в градината под едно ябълково дърво и мислел за физически явления, когато зряла ябълка паднала от дървото и паднала в тревата. Именно равномерното падане принуди учения да проучи този въпрос и в крайна сметка да даде научно обяснение за движението на обект в определена референтна рамка.

Интересно е да се знае!В допълнение към трите явления в механиката, Исак Нютон обяснява и движението на Луната като спътник на Земята, създава корпускулярната теория на светлината и разлага дъгата на 7 цвята.

Втори закон

Тази научна обосновка засяга не само движението на обекти в пространството, но тяхното взаимодействие с други обекти и резултатите от този процес.

Законът казва: увеличаването на скоростта на обект с някаква постоянна маса в инерционна отправна система е право пропорционално на силата на удара и обратно пропорционално на постоянната маса на движещия се обект.

Просто казано, ако има определено движещо се тяло, чиято маса не се променя и външна сила внезапно започне да действа върху него, тогава то ще започне да се ускорява. Но скоростта на ускорение ще зависи пряко от удара и обратно зависи от масата на движещия се обект.

Например, помислете за снежна топка, която се търкаля надолу по планина. Ако топката се избута в посоката на движение, тогава ускорението на топката ще зависи от силата на удара: колкото по-голяма е тя, толкова по-голямо е ускорението. Но колкото по-голяма е масата на тази топка, толкова по-малко ще бъде ускорението. Това явление се описва с формула, която взема предвид ускорението, или "a", резултантната маса на всички действащи сили, или "F", както и масата на самия обект, или "m":

Трябва да се изясни, че тази формула може да съществува само ако резултатът на всички сили не е по-малък и не е равен на нула. Законът се прилага само за тела, които се движат със скорост по-малка от светлината.

Полезно видео: Първият и вторият закон на Нютон

трети закон

Мнозина са чували израза: „За всяко действие има реакция“. Често се използва не само за общообразователни цели, но и за образователни цели, като се обяснява, че има страхотен за всяка сила.

Тази формулировка идва от друго научно твърдение на Исак Нютон, или по-скоро от неговия трети закон, който обяснява взаимодействието на различни сили в природата по отношение на всяко тяло.

Третият закон на Нютон има следното определение: обектите влияят един на друг със сили от една и съща природа (свързващи масите на обектите и насочени по права линия), които са равни по своите модули и в същото време насочени в различни посоки. Тази формулировка звучи доста сложно, но е лесно да се обясни законът с прости думи: всяка сила има своя собствена опозиция или еднаква сила, насочена в обратна посока.

Много по-лесно ще разберем смисъла на закона, ако вземем за пример оръдие, от което се стрелят. Пистолетът действа върху снаряда със същата сила, с която снарядът действа върху пистолета. Това ще се потвърди от леко движение на оръдието назад по време на изстрела, което ще потвърди ефекта на гюлето върху пистолета. Ако вземем за пример същата ябълка, която пада на земята, става ясно, че ябълката и земята действат една върху друга с еднаква сила.

Законът също има математическа дефиниция, която използва силата на първото тяло (F1) и второто (F2):

Знакът минус показва, че векторите на силите на две различни тела са насочени в противоположни посоки. В същото време е важно да запомните, че тези сили не се компенсират взаимно, тъй като са насочени спрямо две тела, а не едно.

Полезно видео: 3-те закона на Нютон на примера на велосипед

Заключение

Тези закони на Нютон накратко и ясно трябва да бъдат известни на всеки възрастен, тъй като те са в основата на механиката и действат в ежедневието, въпреки факта, че тези модели не се спазват при всички условия. Те се превръщат в аксиоми в класическата механика и въз основа на тях са създадени уравненията на движението и енергията (запазване на импулса и запазване на механичната енергия).

Във връзка с

Обяснението на законите на Нютон е най-важният етап, необходим за разбирането на класическата механика. Има три от тях: инерция, движение и взаимодействие на телата.

По времето на Нютон вече е натрупан голям набор от наблюдения на механичните процеси. Строени са кораби, сгради, мануфактури. Разработени са машини и механизми за производство, артилерийски оръдия за визията на войната. Научните трудове на Галилей, Декарт, Борели вече съдържаха всички основи, необходими за извеждане на основните закони на класическата механика. Днес всеки закон на Нютон се счита за аксиома въз основа на обобщените резултати от множество експерименти.

Първият закон на Нютон

Нютон пише, че има инерционни референтни системи, при които телата се движат право и равномерно, ако няма влияние на каквито и да е сили или ако действието на тези сили е компенсирано.

Да приемем, че има топка и абсолютно равна повърхност, ще пренебрегнем силите на въздушното съпротивление и триене. Ако го бутнем при такива условия, тогава топката ще се търкаля завинаги, без да променя скоростта. Причината е в инерцията - способността на топката да поддържа скорост по големина и посока при липса на какъвто и да е удар върху нея. Разбира се, в действителност такива условия не се случват. Повърхността на балона ще се трие в пътната настилка, ще трябва да преодолее въздушното съпротивление или да се сблъска с други фактори като вятъра.

Нютон не е първият, който формулира този закон. Преди него Галилео Галилей пише, че тялото или ще бъде в покой, или ще се движи равномерно при липса на външни сили. Но именно той събра цялото знание в тази област в едно

Вторият закон на Нютон

Вторият закон на Нютон казва, че ускорението на обект в описаната по-горе инерционна система е обратно пропорционално на неговата маса и право пропорционално на величината на приложената сила. Това означава, че се установява връзка между силата, действаща върху обекта, ускорението и неговата маса.

Където a е ускорението, F е приложената сила, а m е нейната маса.

Ако има няколко сили, това се отразява във формулата като векторна сума на индикаторите F.

Да вземем този закон за пример. В действителност скоростта на топката винаги се променя, тя може да се забави или ускори по някаква причина. Това се случва в момента, когато върху него започне да действа определена сила. Ако промяната настъпва плавно, тогава такова движение се нарича равномерно ускорено. При падане всички обекти са обект на ускорение на свободно падане, равно на постоянна стойност g, така че те се движат с равномерно ускорение. Това се дължи на ефекта на гравитацията.

Интересно е да се знае!

решават като други задачи по физика. Затова адаптираме обичайния алгоритъм. За да направите това, трябва да разберете какво точно е движението на телата. Това е промяна в позицията им в пространството. За оценка те оперират с понятията скорост, време, разстояние, брой обекти.

Трябва да се отбележи, че третият закон на Нютон се използва само когато обектите се движат със скорост, която е много по-ниска от скоростта на светлината. Терминът "тяло" днес се заменя с такова понятие като "материална точка", това е нещо, което не може да извършва ротационни движения.

Трети закон на Нютон

Описанието на този закон казва, че взаимодействието на два обекта един с друг е равно и насочено в противоположни посоки. Тоест, ако върху обект действа сила, тогава задължително има втора материална точка, върху която въздейства обект със сила, подобна по стойност, но насочена в друга посока. Този модел се нарича закон на взаимодействието.

Нека дадем пример за описаната закономерност. Има две колички. Към едната прикрепяме еластична метална пластина, огъната и завързана с конец. Поставяме втората количка по такъв начин, че да влезе в контакт с ръба на плочата и отрязваме конеца. Плочата, превърната в нещо като пружина, рязко ще се изправи и количките ще започнат да се движат, след като са получили ускорение. Тъй като масата им е еднаква, ускорението и скоростта ще бъдат равни по абсолютна стойност. Количките ще се движат на същото разстояние.

Нека натоварим първата от количките и отново задействаме някаква пружина. Този път те ще се преместят на различно разстояние, тъй като ускорението на количката с товара ще бъде по-малко. Може да се отбележи, че колкото по-малък е товарът, поставен отгоре, толкова по-голямо е ускорението, придобито от обекта.

Където F1 и F2 означават силата на всеки тип. Многопосочността на векторите отразява знака минус.

Припомняйки предишните закони на Нютон, ние отбелязваме, че силите, които се появяват, когато обектите взаимодействат един с друг, но приложени към различни материални точки, не са балансирани една с друга. Те могат да бъдат балансирани само ако са прикрепени към едно и също тяло.

Много задачи са изградени върху тези закони. Те могат да бъдат групирани в два основни типа:

Законът на Нютон е известен, изисква се да се намерят силите, които влияят на движението на обект.
Определете закона на Нютон, като знаете какво влияе върху обекта.

законите на Нютон- три закона, които са в основата на класическата механика и позволяват написването на уравненията на движението за всяка механична система, ако са известни силовите взаимодействия за съставните й тела. Първо напълно формулиран от Исак Нютон в книгата „Математически принципи на естествената философия“ (1687 г.)

Първият закон на Нютон постулира съществуването на инерционни референтни системи. Следователно, той е известен още като Закон за инерцията. Инерцията е явлението на тялото, което поддържа скоростта на движение (както по големина, така и по посока), когато върху тялото не действат сили. За да промените скоростта на тялото, е необходимо да се въздейства върху него с известна сила. Естествено, резултатът от действието на сили с еднаква величина върху различни тела ще бъде различен. Така се казва, че телата имат инерция. Инертността е свойството на телата да устояват на промяна в скоростта си. Стойността на инерцията се характеризира с телесна маса.

Съвременна формулировка

В съвременната физика първият закон на Нютон обикновено се формулира по следния начин:

Има такива референтни системи, наречени инерционни, спрямо които материална точка, при липса на външни влияния, запазва големината и посоката на своята скорост за неопределено време.

Законът е верен и в ситуация, когато външни влияния са налице, но взаимно компенсирани (това следва от 2-ри закон на Нютон, тъй като компенсираните сили придават нулево общо ускорение на тялото).

Историческа формулировка

Нютон в книгата си "Математически принципи на естествената философия" формулира първия закон на механиката в следната форма:

Всяко тяло продължава да се поддържа в състояние на покой или равномерно и праволинейно движение, докато и доколкото то бъде принудено от приложени сили да промени това състояние.

От съвременна гледна точка подобна формулировка е незадоволителна. Първо, терминът "тяло" трябва да бъде заменен с термина "материална точка", тъй като тяло с крайни размери при липса на външни сили също може да извършва въртеливо движение. Второ, и най-важното, Нютон в работата си разчита на съществуването на абсолютна фиксирана референтна система, тоест абсолютно пространство и време, а съвременната физика отхвърля тази идея. От друга страна, в произволна (да речем, въртяща се) референтна система законът за инерцията е неправилен. Следователно нютоновата формулировка трябва да бъде изяснена.

Вторият закон на Нютон

Вторият закон на Нютон е диференциален закон за движение, който описва връзката между силата, приложена към материална точка, и полученото ускорение на тази точка. Всъщност вторият закон на Нютон въвежда масата като мярка за проявлението на инерцията на материална точка в избрана инерционна референтна система (ISR).

В този случай се приема, че масата на материална точка е постоянна във времето и независима от каквито и да било особености на нейното движение и взаимодействие с други тела.

Съвременна формулировка

С подходящ избор на мерни единици този закон може да се запише като формула:

където е ускорението на материалната точка;
е силата, приложена към материалната точка;
е масата на материална точка.

Вторият закон на Нютон също може да бъде формулиран в еквивалентна форма, използвайки концепцията за импулса:

В инерциална референтна система скоростта на промяна в импулса на материална точка е равна на резултата на всички външни сили, приложени към нея.

където е импулса на точката, е нейната скорост и е времето. С тази формулировка, както и с предишната, се смята, че масата на материална точка е непроменена във времето

Понякога се правят опити да се разшири обхватът на уравнението до случая на тела с променлива маса. Въпреки това, заедно с толкова широко тълкуване на уравнението, е необходимо значително да се модифицират по-рано приетите дефиниции и да се промени значението на такива фундаментални понятия като материална точка, импулс и сила.

Когато няколко сили действат върху материална точка, като се вземе предвид принципът на суперпозицията, вторият закон на Нютон се записва така:

или, ако силите са независими от времето,

Вторият закон на Нютон е валиден само за скорости, много по-малки от скоростта на светлината и в инерциални референтни системи. За скорости, близки до скоростта на светлината, се използват законите на теорията на относителността.

Невъзможно е да се разглежда специален случай (за ) на втория закон като еквивалент на първия, тъй като първият закон постулира съществуването на IFR, а вторият вече е формулиран в IFR.

Историческа формулировка

Оригиналната формулировка на Нютон:

Промяната в импулса е пропорционална на приложената движеща сила и се случва в посока на правата линия, по която действа тази сила.

Трети закон на Нютон

Този закон обяснява какво се случва с две материални точки. Да вземем за пример затворена система, състояща се от две материални точки. Първата точка може да действа върху втората със сила , а втората - върху първата със сила . Как са свързани силите? Третият закон на Нютон гласи, че силата на действие е равна по големина и противоположна по посока на силата на реакция. Подчертаваме, че тези сили се прилагат към различни материални точки и следователно изобщо не се компенсират.

Съвременна формулировка

Законът отразява принципа на взаимодействие по двойки.

Историческа формулировка

Действието винаги има еднаква и противоположна реакция, в противен случай взаимодействията на две тела едно върху друго са равни и насочени в противоположни посоки.

За силата на Лоренц третият закон на Нютон не е валиден. Само чрез преформулирането му като закон за запазване на импулса в затворена система от частици и електромагнитно поле, може да се възстанови неговата валидност.

констатации

Някои интересни заключения веднага следват от законите на Нютон. И така, третият закон на Нютон казва, че независимо как взаимодействат телата, те не могат да променят общия си импулс: има закон за запазване на импулса. Освен това, ако изискваме потенциалът за взаимодействие на две тела да зависи само от модула на разликата в координатите на тези тела, тогава възниква закон за запазване на общата механична енергиявзаимодействащи тела:

Законите на Нютон са основните закони на механиката. От тях могат да бъдат изведени уравненията на движението на механичните системи. Въпреки това, не всички закони на механиката могат да бъдат извлечени от законите на Нютон. Например, законът за всемирното притегляне или законът на Хук не са следствие от трите закона на Нютон.