3 й закон ньютона: Третий закон Ньютона — урок. Физика, 10 класс.

Физики сумели изучить нарушение третьего закона Ньютона

19 августа 2020

Индикаториещё 1

Российские физики вместе с американскими коллегами создали на практике и исследовали систему взаимодействующих частиц, для которых формально не выполняется третий закон Ньютона. Статья исследователей опубликована в журнале Scientific Reports.

Фото: ИндикаторИндикатор

«Третий закон Ньютона, который все помнят из школьной программы, утверждает, что сила действия равняется силе противодействия. Однако для некоторых открытых и неравновесных дисперсных систем — частиц в среде — симметрия эффективной силы межчастичного взаимодействия может нарушаться, и возникает очень интересная физика: например, частицы самоорганизуются в сложные структуры, система аномально разогревается, появляются необычные неравновесные фазовые переходы», — рассказывает один из авторов исследования, заведующий лабораторией диагностики пылевой плазмы Объединеннйого института высоких температур (ОИВТ) РАН Евгений Лисин .

Видео дня

Первый раз создать систему с несимметричным взаимодействием частиц ученые смогли в конце 1990-х годов в Германии. Они наблюдали за поведением пылевых частиц в газоразрядной плазме, действуя на них лазером. В результате физики показали, что частицы откликаются на воздействие по-разному в зависимости от их расположения. С тех пор ученые провел множество экспериментов и расчетов, касающихся несимметричности столкновений частиц в плазме. Несмотря на это, одной из важных нерешенных проблем оставалось прямое экспериментальное исследование особенностей этого процесса. Определить точную силу межчастичного взаимодействия и степень нарушения симметрии в зависимости от условий среды ранее не удавалось.

Сделать это смогли исследователи из ОИВТ РАН, МФТИ и Бэйлорского университета, используя разработанный ими спектральный метод анализа. Он учитывает случайные и диссипативные процессы в системе, не усложняет экспериментальную установку, не нуждается в предварительных измерениях внешних полей и предположениях о типе анализируемого взаимодействия.

В своих экспериментах физики помещали в плазменный разряд две твердые сферические частицы размером в несколько микрон. В разряде частицы приобретали значительный отрицательный заряд. В сильном электрическом поле разряда заряженные частицы могли левитировать, а для удержания одноименно заряженных частиц на близком расстоянии друг к другу ученые дополнительно использовали специальную потенциальную ловушку. Наличие сильного электрического поля приводило к формированию направленного потока ионов.

Заряженные микрочастицы вызывали возмущения в этом потоке и образовывали за собой ионный след. Таким образом на микрочастицу, которая находилась в следе второй частицы, действовала не только сила электростатического отталкивания от второй частицы, но и сила притяжения к ее следу. Из-за этого симметрия эффективного взаимодействия между микрочастицами в плазменной среде нарушалась. При этом даже небольшие изменения заряда одной частицы приводили к существенному изменению наблюдаемого взаимодействия.

«Формальное невыполнение третьего закона Ньютона может возникать в системах взаимодействующих частиц, когда среда, в которой находятся частицы, является своеобразным переносчиком взаимодействия, и способна воспринять недостаток или избыток импульса, так как закон сохранения импульса нарушить нельзя. Кроме газоразрядной пылевой плазмы, примерами таких систем являются некоторые виды коллоидных суспензий и активной материи», — говорит ведущий научный сотрудник лаборатории активных сред и систем МФТИ Михаил Васильев.

Результаты работы исследователей помогут лучше понять процессы в дисперсных системах с нарушенной симметрией межчастичного взаимодействия. Детали несимметричного взаимодействия частиц удобнее изучать на примере плазменно-пылевых систем, из-за того, что на них действуют слабые диссипативные силы. Однако практического применения можно ожидать в области других систем активных коллоидов.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес [email protected].

Технологии,Физика,Михаил Васильев,РАН,

1

Симметрия сил – Колледж Дугласа, физика 1104

Глава 4. Динамика: сила и законы движения Ньютона

Резюме

• Поймите третий закон движения Ньютона.
• Примените третий закон Ньютона для определения систем и решения задач движения.

В мюзикле Man of La Mancha есть отрывок, относящийся к третьему закону движения Ньютона. Санчо, описывая ссору своей жены с Дон Кихотом, говорит: «Конечно, я ударил ее в ответ, ваша светлость, но она намного сильнее меня, и вы знаете, что они говорят: «камень попадет в кувшин или кувшин». попадет в камень, кувшину будет плохо». Именно это и происходит всякий раз, когда одно тело действует с силой на другое — на первое тоже действует сила (равная по величине и противоположная по направлению). Многочисленные распространенные случаи, такие как ушиб пальца ноги или бросание мяча, подтверждают это. Точно сказано в

Третий закон движения Ньютона .

ТРЕТИЙ ЗАКОН НЬЮТОНА ДВИЖЕНИЯ

Всякий раз, когда одно тело воздействует на другое тело, на первое тело действует сила, равная по величине и противоположная по направлению силе, которую оно оказывает.

Этот закон представляет собой определенную симметрию в природе : Силы всегда возникают парами, и одно тело не может воздействовать силой на другое, не испытывая на себе силы. Иногда мы в общих чертах называем этот закон «действием-противодействием», где прилагаемая сила является действием, а сила, воспринимаемая как следствие, является противодействием. Третий закон Ньютона имеет практическое применение при анализе происхождения сил и понимании того, какие силы являются внешними по отношению к системе.

Мы легко можем увидеть третий закон Ньютона в действии, взглянув на то, как люди передвигаются. Рассмотрим пловца, отталкивающегося от края бассейна, как показано на рис. 1. Он отталкивается ногами от стенки бассейна и ускоряется в направлении , противоположном направлению своего толчка. Стена воздействовала на пловца равной и противоположной силой. Вы можете подумать, что две равные и противоположные силы нейтрализуют друг друга, но это не так, потому что они действуют на разные системы9.0016 . В этом случае есть две системы, которые мы могли бы исследовать: пловец или стена. Если в качестве интересующей системы выбрать пловца, как на рисунке, то

F _{стена на ногах} является внешней силой, действующей на эту систему и влияющей на ее движение. Пловец движется в направлении F _{стены на ногах} . Напротив, сила F _{футов на стену} действует на стену, а не на нашу интересующую систему. Таким образом F _{ноги на стене} не влияет напрямую на движение системы и не отменяет F _{стена на ногах} . Обратите внимание, что пловец отталкивается в направлении, противоположном тому, в котором он хочет двигаться. Таким образом, реакция на ее толчок идет в желаемом направлении.

Рисунок 1. Когда пловец прикладывает силу F ​​ _{футов к стене} к стене, он ускоряется в направлении, противоположном направлению его толчка. Это означает, что чистая внешняя сила, действующая на нее, направлена ​​в направлении, противоположном 9.0017 F ​​ _{футов на стене} . Это противодействие возникает потому, что в соответствии с третьим законом движения Ньютона стена оказывает на нее силу F ​​ _{стена на ногах} , равную по величине, но в направлении, противоположном тому, которое она оказывает на нее. Линия вокруг пловца указывает интересующую систему. Обратите внимание, что F ​​ _{ноги на стене} не действует на эту систему (плавателя) и, таким образом, не отменяет F ​​ _{стена на ногах} . Таким образом, диаграмма свободного тела показывает только F _{стена на ногах} , w , гравитационная сила, и BF , выталкивающая сила воды, поддерживающая вес пловца. Вертикальные силы w и BF компенсируются, так как нет вертикального движения.

Легко найти и другие примеры третьего закона Ньютона. Когда профессор шагает перед доской, она оказывает давление на пол назад. Пол оказывает на профессора реактивную силу, которая заставляет ее двигаться вперед с ускорением. Точно так же автомобиль ускоряется, потому что земля давит на ведущие колеса вперед в ответ на то, что ведущие колеса толкают землю назад. Вы можете увидеть следы отталкивания колес назад, когда шины пробуксовывают на гравийной дороге и отбрасывают камни назад. Вертолеты создают подъемную силу, толкая воздух вниз, тем самым испытывая направленную вверх силу реакции. Птицы и самолеты также летают, воздействуя на воздух в направлении, противоположном тому, в котором они нуждаются.

Например, крылья птицы толкают воздух вниз и назад, чтобы подняться и двигаться вперед. Осьминог передвигается в воде, выбрасывая воду через воронку из своего тела, подобно водному мотоциклу. В ситуации, похожей на ситуацию с Санчо, профессиональные бойцы в клетке испытывают силы реакции при ударе, иногда ломая себе руку, ударяя по корпусу соперника.

В другом примере ракеты движутся вперед, выбрасывая газ назад с большой скоростью. Размеры ракет варьируются от настолько маленьких фейерверков, что обычные люди используют их, до огромных «Сатурн V», которые когда-то доставляли массивные полезные грузы к Луне. Движение всех ракет, реактивных двигателей, сдуваемых воздушных шаров и даже кальмаров и осьминогов объясняется одним и тем же физическим принципом — третьим законом движения Ньютона. Это означает, что ракета оказывает большую обратную силу на газ в камере сгорания ракеты, и поэтому газ оказывает большую реактивную силу на ракету, как показано на рисунке 2. Эта реактивная сила называется 9.

0017 тяга . Это распространенное заблуждение, что ракеты движутся сами по себе, отталкиваясь от земли или воздуха позади себя. На самом деле они лучше работают в вакууме, где они легче удаляют выхлопные газы.

Рис. 2. (a) Эта ракета имеет массу m и скорость восхождения v . Суммарная внешняя сила, действующая на систему, равна −мг , если пренебречь сопротивлением воздуха. (б) Время Δ t позже система состоит из двух основных частей: выбрасываемого газа и остальной части ракеты. Сила реакции ракеты — это то, что преодолевает силу гравитации и ускоряет ее вверх.

Пример 1. Приступая к работе: выбор правильной системы

Профессор физики толкает тележку с демонстрационным оборудованием в лекционный зал, как показано на рис. 3. Ее масса составляет 65,0 кг, масса тележки — 12,0 кг, составляет 7,0 кг. Вычислите ускорение, возникающее, когда профессор прикладывает к полу обратную силу 150 Н.

Все силы, противодействующие движению, такие как трение о колеса тележки и сопротивление воздуха, составляют в сумме 24,0 Н.

Рисунок 3. Профессор толкает тележку с демонстрационным оборудованием. Длины стрелок пропорциональны величине сил (за исключением f , так как они слишком малы для масштабирования). В каждом примере задаются разные вопросы; таким образом, система интересов должна быть определена по-разному для каждого. Система 1 подходит для примера 2, так как требует ускорения всей группы объектов. Только F ​​ _пол и f — внешние силы, действующие на Систему 1 вдоль линии движения. Все остальные силы либо отменяют, либо воздействуют на внешний мир. Система 2 выбрана для этого примера так, чтобы F ​​ _prof была внешней силой и входила во второй закон Ньютона. Обратите внимание, что диаграммы свободного тела, которые позволяют нам применить второй закон Ньютона, зависят от выбранной системы.

Стратегия

Поскольку они ускоряются как единое целое, мы определяем систему как профессора, тележку и оборудование. Это Система 1 на Рисунке 3. Профессор толкает назад с силой F _фут 150 Н. Согласно третьему закону Ньютона, на пол действует поступательная сила реакции F _пол 150 Н в Системе 1. Поскольку все движения горизонтальны, мы можем предположить, что есть нет результирующей силы в вертикальном направлении. Таким образом, задача является одномерной в горизонтальном направлении. Как уже отмечалось, f

противостоит движению и, таким образом, находится в противоположном направлении от F _этаж . Обратите внимание, что мы не включаем силы F _prof или F _{тележка} , потому что это внутренние силы, и мы не включаем F пол на ступню . , а не в системе. На Систему 1 не действуют никакие другие значительные силы. Если из всей этой информации можно найти чистую внешнюю силу, мы можем использовать второй закон Ньютона, чтобы найти требуемое ускорение. См. диаграмму свободного тела на рисунке.

Решение

Второй закон Ньютона определяется как

[латекс]\boldsymbol{a\:=}[/латекс][латекс]\boldsymbol{\frac{F _{\textbf{net}}}{m }.}[/latex]

Суммарная внешняя сила, действующая на Систему 1, выводится из рисунка 3 и приведенного выше обсуждения:

[латекс]\boldsymbol{\textbf{F}_{\textbf{net}}=\ textbf{F}_{\textbf{этаж}}-\textbf{f}=150\textbf{N}-24.0\textbf{N}=126\textbf{N}.}[/latex]

Масса Система 1:

[латекс]\boldsymbol{m=(65,0 + 12,0 + 7,0)\textbf{кг} = 84\textbf{кг}.}[/latex] 92} \end{array}[/latex]

Обсуждение

Ни одна из сил между компонентами Системы 1, например, между руками профессора и тележкой, не вносит вклад в результирующую внешнюю силу, поскольку они являются внутренними для Системы. 1. Другой способ взглянуть на это — отметить, что силы между компонентами системы сокращаются, потому что они равны по величине и противоположны по направлению. Например, сила, приложенная профессором к тележке, приводит к тому, что на нее действует равная и противоположная сила. В этом случае обе силы действуют на одну и ту же систему и, следовательно, сокращаются. При этом внутренние силы (между компонентами системы) сокращаются. Выбор Системы 1 имел решающее значение для решения этой проблемы.

Пример 2. Сила тележки — выбор новой системы

Рассчитайте силу, с которой профессор воздействует на тележку на рис. 3, используя при необходимости данные из предыдущего примера.

Стратегия

Если теперь мы определим интересующую нас систему как тележку плюс оборудование (система 2 на рис. 3), то чистая внешняя сила, действующая на систему 2, будет равна силе, которую профессор оказывает на тележку за вычетом трения. Сила, с которой она действует на тележку, F _prof , внешняя сила, действующая на Систему 2. F _prof была внутренней по отношению к Системе 1, но является внешней по отношению к Системе 2 и входит во второй закон Ньютона для Системы 2.

Решение

Второй закон Ньютона можно использовать, чтобы найти F _проф . Начиная с

[латекс]\boldsymbol{a\:=}[/latex][латекс]\boldsymbol{\frac{F_{\textbf{net}}}{m}}[/latex]

и отмечая, что величина чистой внешней силы на Систему 2 равна

[латекс]\boldsymbol{F_{\textbf{net}}=F_{\textbf{prof}}-f,}[/latex]

находим F _проф , искомое количество :

[латекс]\boldsymbol{F_{\textbf{prof}}=F_{\textbf{net}}+f.}[/latex]

Значение f дано, поэтому мы должны вычислить нетто F _нетто . Это можно сделать, поскольку известны и ускорение, и масса Системы 2. Используя второй закон Ньютона, мы видим, что 92)=29\textbf{ N}. }[/latex]

Теперь мы можем найти искомую силу:

[латекс]\boldsymbol{F_{\textbf{prof}}=F_{\textbf{net}} +f,}[/latex]

[латекс]\boldsymbol{F_{\textbf{prof}}=29\textbf{N}+24.0\textbf{N}=53\textbf{N}.}[/latex ]

Обсуждение

Интересно, что эта сила значительно меньше силы в 150 Н, которую профессор приложил назад к полу. Не вся эта сила в 150 Н передается на тележку; часть из них ускоряет профессора.

Выбор системы — важный аналитический шаг как в решении задач, так и в глубоком понимании физики ситуации (что не обязательно одно и то же).

ИССЛЕДОВАНИЯ PHET: ЛАБОРАТОРИЯ СИЛЫ ПРИТЯЖЕНИЯ

Визуализируйте гравитационную силу, с которой два объекта действуют друг на друга. Меняйте свойства объектов, чтобы увидеть, как меняется сила гравитации.

Рис. 3. Лаборатория силы гравитации

• Третий закон Ньютона представляет собой базовую симметрию в природе. Он гласит: Всякий раз, когда одно тело действует на другое тело, на первое тело действует сила, равная по величине и противоположная по направлению силе, действующей на первое тело.
• Тяга — это сила реакции, толкающая тело вперед в ответ на силу, направленную назад. Ракеты, самолеты и автомобили толкаются вперед силой реактивной тяги.

Третий закон Ньютона

всякий раз, когда одно тело действует с силой на второе тело, на первое тело действует сила, равная по величине и противоположная по направлению силе, действующей на первое тело

тяга

сила реакции, толкающая тело вперед в ответ на силу, направленную назад; ракеты, самолеты и автомобили толкаются вперед силой реактивной тяги

3-й закон движения – НАУКА ВОСЬМОГО КЛАССА

Силы действия и противодействия на объект обратны (противоположны).

Ньютона

Третий Закон движения

Третий закон Ньютона утверждает, что на каждое действие (сила) приходится равных и противоположных реакция .

Примеры действия = силы реакции

Пловец, плывущий вперед:  Пловец отталкивается от воды (сила действия), вода отталкивает пловца назад (сила реакции) и толкает пловца вперед.

Мяч бросают в стену:  Мяч воздействует на стену (сила действия), а стена воздействует на мяч (сила реакции), поэтому мяч отскакивает.

​Человек ныряет с плота: человек прикладывает силу к плоту (сила действия), толкая его, а плот воздействует на водолаза (сила реакции), толкая его в противоположном направлении.

​Человек давит на стену (сила действия), и стена оказывает на человека равную и противоположную силу (сила реакции).

​ ​Двигатели космического челнока выталкивают горячие газы (сила действия), а горячие газы воздействуют на двигатели шаттла (сила реакции), поэтому шаттл поднимается.

Действие – Реакция Силы НЕ Отменять друг друга Out

Несмотря на то, что силы равны по величине (силе) и противоположны по направлению, они не компенсируют друг друга. Оставить комментарий Отменить ответ Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться. Меню Поиск: