Первый закон ньютона формула: Что такое первый закон Ньютона? (статья)

Первый закон Ньютона – определение, формула и применение

Задачи с физико-математическим уклоном по динамике решаются при помощи определенных правил. К ним относится первый закон Ньютона, формулу и определение которого необходимо знать. В интернете можно найти много статей и видеоуроков на эту тему, но не вся информация в них оказывается достоверной. Физики рекомендуют перед изучением какого-либо закона, процесса или явления выяснить, где его можно использовать.

Содержание

• Общая информация
• Основные положения
• Первый закон
  • Понятие массы
  • Величина силы

В физике всего три закона, или правила, Ньютона, которые являются основой классической механики. Они используются для описания более сложных процессов, а также решения задач. Учащимся требуется знать кратко три закона Ньютона:

Первый связан с инерциальными системами отсчета.

Второй утверждает зависимость ускорения от силы воздействия на физическое тело.

Третий определяет взаимосвязь сил, действующих на объект.

Правила были впервые сформулированы ученым Исааком Ньютоном в XVII веке. Классическая механика являлась основной парадигмой до XX века, пока Альберт Эйнштейн не сформулировал положения релятивистской динамики.

Положения трех законов были выведены опытным путем. Они применяются для объектов, скорости которых намного меньше, чем 3*10⁸ м/с. Перед изучением законов Ньютона нужно ознакомиться с основными положениями динамики.

Основные положения

Тело двигается равномерно, равноускоренно, прямолинейно или находится в состоянии покоя (находится в одной точке). При равномерном и прямолинейном движении скорость объекта является постоянной величиной в пространстве, т. е. не изменяется с течением времени. Если скорость меняется, то тело движется равноускоренно. Когда тело без движения, на него действуют силы, равные по модулю и противоположны по направлению.

Динамика — раздел физики, который изучает правила и законы взаимодействия объектов в целом. В этом случае не рассматривается такие взаимодействия:

Атомарные.

Молекулярные.

Субатомные.

Они не влияют на динамику движения объекта, поскольку силы, действующие на тело, настолько малы, что ими можно пренебречь. Далее следует рассмотреть законы И. Ньютона и формулы.

Первый закон

Чтобы понять назначение и применение I закона Ньютона, следует представить тело, находящееся в состоянии покоя, т. е. на него не действуют другие объекты. Этот пример является простейшей системой механического типа. Если предположить существование другого объекта, который движется под воздействием внешних сил, относительно искомого тела.

Центром системы отсчета для движущегося объекта является тело, скорость которого равна 0 (v = 0). Первый закон Ньютона формулируется следующим образом: в инерциальных системах отсчета (ИСО) тела двигаются равномерно и прямолинейно, а также могут находиться в состоянии покоя, когда они не взаимодействуют с другими телами или на них не действуют внешние силы (их действие может быть скомпенсировано).

У I правила Ньютона существует другое название — закон инерции. Системы отсчета, находящиеся у поверхности Земного шара, являются инерциальными. При проведении экспериментов следует учитывать различные отклонения от I закона Ньютона. Они связаны с ее вращением вокруг оси.

За ИСО можно принять гелиоцентрическую систему, начальные координаты которой помещены в центр Солнца. Ее И. Ньютон использовал для открытия закона Всемирного тяготения. Кроме того, автобус, который движется равномерно и прямолинейно, также является ИСО. Чтобы новичкам было понятно, нужно руководствоваться таким правилом: любая система считается инерциальной, когда ее центр движется равномерно и прямолинейно или ее v = 0.

Однако скорость тела изменяется, поскольку оно может взаимодействовать с другими телами, передавая им кинетическую энергию. Для описания этого процесса нужно разобрать влияние массы и силы на изменение величины скорости объекта.

Понятие массы

Основная формулировка массы имеет такой вид: физическая величина, которая является мерой инертности физического тела. Она обладает скалярностью и аддитивностью. В первом случае выражается одним действительным неотрицательным числом. Второй термин означает следующее: общая масса тела (m), состоящего из нескольких частей с массами m1, m2, m3 и m4, эквивалентна их сумме. Формула записывается следующим образом: m = m1 + m2 + m3 + m4.

При большей массе инертность физического объекта возрастает. Например, пластмассовую машинку легче остановить, чем груженый грузовик или легковую машину, т. е. инертность последних намного больше первой. Единица измерения массы — кг.

При взаимодействии тела приобретают некоторые физические величины, называемые ускорением. Массы обратно пропорциональны ускорениям. Для понимания процесса нужно разобрать следующий пример: машина с массой m1 столкнулась с объектом, масса которого m2. В результате этого появляются ускорения a1 и a2 для первого и второго объектов. Это можно записать таким образом: m1 * m2 = — a2 * a1. Минус перед ускорениями означает направленность по разным направлениям.

Величина силы

Сила — векторная величина, действующая на физическое тело и влияющая на скорость его перемещения в пространстве. Обозначается она буквой F и измеряется в ньютонах (Н) при помощи специального прибора — динамометра. Последний состоит из пружины, связанной со стрелочным указателем. Если пружину растянуть, то произойдет отклонение стрелки, которая указывает количественную характеристику F.

Следует отметить, что на объект может действовать несколько сил, которые учитываются при решении задач и исследовании некоторых процессов. Они имеют важную особенность — природу возникновения. Например, на автомобиль действует F, состоящая из следующих элементов (сил):

Тяги (Fтяг = m * a), направленной в сторону движения.

Трения (Fтр = a * m * g, а — коэффициент трения и g — ускорение свободного падения 9,81 м/с ² ) — противоположно относительно Fт.

Реакция опоры (N = m * g) — вверх, относительно дороги.

Тяжести (Fт = m * g) — вниз.

В литературе по физике используется термин «равнодействующая сила». Он означает значение векторной суммы всех составляющих, действующих на объект.

Таким образом, I закон Ньютона применяется при исследовании движения и взаимодействия физических тел, а также для расчета инерциальных составляющих посредством разделения силы на составляющие элементы.

Предыдущая

ФизикаЭлектрический ток в газах – причины появления и применение

Следующая

ФизикаЗакон отражения света – формула, формулировка и условия

EGolygin – обучение, образование, консультации, литература, саморазвитие.

Лёгкий хлопок замыкающегося круга легко пропустить, акцентируясь на сиюминутной цели. Широкий круг интересов с одной стороны делает жизнь и человека интереснее, с другой стороны появляется естественная сложность позиционирования и оценки. Проект входит в мою группу проектов и отвечает за так называемые серьёзные, не игровые направления, такие как: обучение и образование консультирование литература и книги саморазвитие и практическая психология Новости EGolygin Бархатцы в августе. Карла Маркса в Иркутске. Идём мы по делам, спешим. Центр города, рядом идёт ремонт улицы, голова разрабатывает план дня, куда нужно зайти, что сделать. А между тем, красота и безмятежность рядом, даже в самом центре спешки, наших планов и движения. Бархатцы мерно покачиваются на ветру, не слыша шума машин и не ощущая суеты нас, людей. Часть ярких бутонов уже успела увянуть, подчиняясь незримому ритму природы, ведь уже август Сибирского лета подходит к концу. 22 августа 2022, понедельник. Карты заклинаний: Следопыт (дополнение ДНД) Сегодня просто посмотрим на дополнение для настольной ролевой игры DND, которое я приобрёл исключительно для того, чтобы посмотреть. Карточки достаточно качественные, но не слишком плотные. А вот текст откровенно подкачал — слишком мелко написано. Полное отсутствие артов сводит на нет необходимость приобретения данной колоды заклинаний, с учётом очень высокой розничной цены. Да и покупать придётся за все классы для полноценной игры. 11 августа 2022, четверг. Миниатюры мостов своими руками Мост — ключевое сооружение инфраструктуры не только в мире реальном, но и в настольных ролевых играх. Это ограниченное пространство, уязвимая нить, связывающая два берега, под которой может быть зияющая пустота пропасти. Так что введение миниатюры моста в свои игры — хорошая идея, тем более, что сделать мост очень просто — понадобится ровная небольшая деревяшка, крышки от молока в качестве основания и клеевой пистолет. Кстати, даже без окраса мосты можно довольно успешно использовать в играх. 4 августа 2022, четверг. Миниатюры деревьев из шишек своими руками Настольные ролевые игры становятся намного интереснее, если мастер и игроки используют хотя бы примитивные миниатюрки персонажей и окружения. Попробуйте сделать миниатюры собственными руками, это не потребует много денег или времени, и очень разнообразит игру. А ещё, это очень интересно. В этом видео я поделюсь опытом создания миниатюр деревьев (кустарников) из обычных шишек. Мне понадобились лишь шишки, крышки от молока, акриловые краски и лак, простые кисточки и клеевой пистолет. Выглядят вполне сносно и могут быть использованы в играх практически любого сэттинга, ведь деревья растут везде, даже в далёком будущем. 4 августа 2022, четверг. Стоит ли читать? Призвание (Кен Робинсон) Мотивация — штука важная, особенно внутренняя. Внешняя — уже вопрос. Грань между подбадриванием и пустыми обещаниями довольно размыта. Ну а уж вечные призывы искать себя набили оскомину. Плюс книги Призвание Кена Робинсона в том, что автор предлагает находить именно своё призвание, профессию, любимое дело. С чем я полностью и соглашаюсь. А вот разношёрстные истории успеха пусты, и вряд ли помогут, скорее огорчат, когда читатель обнаружит свои успехи не столь впечатляющими. К плюсам отнесу размышления о системе образования, но далеко не все. Индивидуальный подход к каждому ученику — банальная иллюзия, как и то, что все изначально талантливы, и нужно лишь подобрать ключ к собственным талантам. 18 июля 2022, понедельник. Дверь в лето (Хайнлайн). Мнение, стоит ли читать в 2022? Часто технологии представляют нам чем-то прорывным, крайне важным и меняющими всё. По факту за громкими фразами стоят единичные проекты, не затрагивающие нашу повседневную жизнь. В научной фантастике такой подход ещё более обычен. Тем примечательна Дверь в лето Хайнлайна, где технологии просты, до обыденного повседневны, но реально изменяют жизнь каждого из людей. На этом фоне происходит локальная драма талантливого инженера, познавшего вкус предательства, но не опустившего руки, ведь лишь твёрдой рукой можно попытаться снова открыть свою дверь в лето. 4 июля 2022, понедельник. Время очевидных советов — читайте книги каждый день Продолжая цикл очевидных советов на egolygin.com, сегодня я порекомендую читать книги каждый день. Даже, если вам удастся прочитать лишь одну страницу, это принесёт немалую пользу за счёт регулярного выполнения этого нехитрого плана. Соглашусь, что многие привыкли подходить к чтению с чувством, с расстановкой, выделяя под это тихое хобби хотя бы несколько часов, которые можно провести в уединении и насладиться атмосферой художественного произведения. 20 февраля 2022, воскресенье. Время очевидных советов — делайте заметки Механическая память — одна из самых надёжных, хоть и не отличается высокой скоростью. При изучении любых предметов, от математики и физики до китайского языка, я рекомендую делать заметки, а то и конспекты. Это не только удел студентов и школьников. Поверьте, пожалуйста, очевидному совету — записи помогают не только ускорить процесс обучения, но и укрепляют память, не позволяя забыть пройденный материал. 9 февраля 2022, среда. Время очевидных советов — настольные игры дорожают Настольные игры — это формально набор картона и пластика. Так что предметом первой необходимости они точно не являются и найти на них свободные средства в семейном бюджете бывает порой проблематично. К сожалению, дорожают практически все товары, и настольные игры порой переходят даже в какие-то предметы роскоши, так лихо издатели повышали на них цены в 2021 году. Прибавка составила около 20%, а акции были весьма и весьма скромными. 1 января 2022, суббота. Время очевидных советов — читать с монитора удобнее, чем кажется Многие до сих пор предпочитают читать книги в бумажном варианте, но нужно признать, что такой архаичный формат для чтения не всегда удобно и дёшево поддерживать. Стоимость же хороших книг порой вообще пугает. Электронные форматы литературы разнообразны, дешевы и почти всегда доступны. Так современные экраны смартфонов позволяют вполне комфортно читать книгу почти в любом месте и в любое время. А вот чтение литературы с монитора компьютера многим кажется очень неудобным. Между тем, вы с одной стороны удобно сидите в кресте, с другой стороны, можно подобрать размер шрифта практически без ограничений, что позволит снизить нагрузку на органы зрения. 1 января 2022, суббота. Где я? Это авторский проект, содержащий в себе сразу несколько составляющих: 1. Информационная. Площадка для публикации мыслей и размышлений на тему обучения (в том числе обучающие материалы по конкретным предметам), образования, книг, литературы, вопросов саморазвития. 2. Профессиональная. Рассказываю о себе, своих навыках и способностях. Рассматриваю варианты сотрудничества и участия в интересных проектах. 3. Клубная. Возможность удобной обратной связи через комментарии на YouTube, что вкупе с современным средствами коммуникации, делает возможным общение между автором и читателем. Так что мы можем конструктивно обсудить разные материалы, дополнив систему мировоззрения друг друга. Вы также можете стать активной частью проекта, вступив в редакционную коллегию. Евгений Голыгин из Иркутска Автор, преподаватель, физик, консультант Любой авторский проект во многом зависит от личности самого автора. Это, с одной стороны, делает каждый такой блог самобытным и уникальным, с другой же делая его уязвимым, ведь фактически система функционирования не создаётся и банально держится на одном человеке. EGolygin – это один из таких проектов, где подавляющее большинство материалов создано и создаётся одним человеком. Дело в том, что создание сайтов давно стало моим хобби, так получив доступ в Интернет (ещё по картам через модем и проводной телефон) меня в первую очередь привлекла возможность публикации материалов и мне сразу захотелось создать свой сайт. Несмотря на мою склонность к аналитике и размышлениям, реализация данного желания произошла достаточно споро, потребовав приобретения навыков создания и администрирования сайтов, что только добавило интерес. Время жизни шло, но данное хобби стало приятной привычкой, а в некоторые периоды жизни и чем-то большим. Цели и задачи, миссия Проект замыкает круг моих WEB проектов, охватывая темы моей профессиональной деятельности и интересов, для которых до сих пор не было полноценной площадки. Обмен знаниями и чувствами, как и прежде увеличивает их общий объём в группе, так что дело это замечательное, так как улучшает сообщество в целом, делая мою жизнь более комфортной. Удобство обратной связи позволяет не мариноваться в собственном чувстве важности, что очень полезно для объективного восприятия себя и окружающих. Помимо прочего появляется возможность объединения в клуб по интересам на базе площадки EGolygin.

Первый закон Ньютона, теория и онлайн калькуляторы

Первый закон Ньютона, теория и онлайн калькуляторы

Основная задача динамики

Основная задача динамики состоит в исследовании движения тел в разных системах отсчета и объяснение причин, которые определяют характер движения. Следует понять, при каких условиях тела перемещаются по прямой линии, в каком случае их траекторией является кривая, в результате действия каких причин тела движутся равномерно, ускоренно или замедленно.

Взгляд Аристотеля на движение тел

Взаимодействие тел ведет к изменению характера их движения – это было известно давно. Однако из того, что изменение скорости движения тел является результатом их взаимодействия Аристотель сделал ложный вывод о том, что само движение тел – это результат их взаимодействия с другими телами. Считая Землю неподвижным центром Вселенной большинство ученых того времени, состояние покоя тел по отношению к Земле считали естественным состоянием. Движение рассматривалось как явление временное, являющееся результатом взаимодействия с другими телами.

К концу XVI века возникли две глобальные задачи, связанные с объяснением причин движения. Развивалась артиллерия, и стало необходимо объяснить законы движения снарядов. Гелиоцентрическая система Коперника была признана большей частью научной общественности. Земля перестала считаться центром Вселенной, а была признана рядовой планетой, вращающейся вокруг Солнца. Появилось предположение, что планеты (следовательно, и другие тела) движутся сами по себе. Еще следовало пояснить, почему люди не чувствуют вращения Земли.

Решение проблемы движения Галилея

Галилей почти правильно решил проблему движения. Он предложил, так называемый, мысленный эксперимент. Следовало отвлечься от любых внешних воздействий и определить проблему так: что будет происходить с телом, если оно не будет взаимодействовать с другими телами? Отвлечение от всех внешних воздействий дало возможность Галилею прийти к мысли об инерциальном движении тела. Свойство тела сохранять без изменения свою скорость, если другие тела на него не действуют, назвали инерцией. Inertia – от латинского бездеятельность, косность. Однако Галилей ошибся, полагая, что по инерции тело может двигаться не только равномерно и прямолинейно, но и перемещаться равномерно по окружности.

Формулировка первого закона Ньютона

Идею Галилея доработал И. Ньютон, он сформулировал закон инерции, который мы называем первым законом Ньютона:

Если тело не взаимодействует с другими телами или действие других тел скомпенсировано, то скорость тела не изменяется ни по модулю, ни по направлению. Тело перемещается равномерно и прямолинейно.

Определение

Инерциальное движение – это движение по самому короткому расстоянию, а в свободном пространстве кратчайшим расстоянием является прямая линия.

Если тело покоится, то всегда можно найти инерциальную систему отсчета, в которой данное тело будет двигаться с постоянной скоростью, то есть покой является относительным.

Первый закон Ньютона является важным и независимым законом. Закон инерции показывает возможность определения пригодности системы отсчета для рассмотрения движения в динамическом и кинематическом смыслах. Без данного критерия не было бы понятно как синхронизировать часы и вводить единое время. Без закона инерции стали бы бессмысленными все уравнения кинематики и динамики. Так, невозможно говорить о равномерном движении, если нельзя синхронизировать часы. Закон инерции наполняет физическим смыслом второй и третий законы Ньютона.

Примеры задач с решением

Пример 1

Задание. Почему, если подпрыгнуть вверх в равномерно движущемся вагоне поезда, мы опустимся на то же самое место?

Решение. Стоя на полу вагона, который движется равномерно, мы обладаем скоростью такой же, как и вагон. Подпрыгнув вверх, мы сохраняем горизонтальную составляющую скорости без изменения, так как в горизонтальном направлении на нас не действуют ни какие тела. Поэтому за момент прыжка мы проходим с вагоном одинаковые пути, следовательно, опускаемся в ту же точку, откуда совершили прыжок.

Пример 2

Задание. Небольшой камешек бросают в шахту, глубина которой равна $h$, выясняется, что падая, тело отклонилось от вертикали в восточном направлении. Каково это отклонение? Сопротивлением воздуха пренебречь. Что можно сказать, в связи с результатом данного опыта, об инерциальности системы отсчета, которую связывают с Землей?

Решение. Сделаем рисунок.

Отклонение движения тела от вертикали происходит благодаря вращению Земли вокруг собственной оси. Обозначим скорость движения точек поверхности Земли как $v_1.$ Скорость движение точек дна шахты обозначим $v_2$, тогда разность этих скоростей равна:

\[\Delta v=v_2-v_1\left(2.1\right).\]

При своем падении камень отклонится от вертикали на расстояние:

\[x=\Delta vt\ \left(2.2\right),\]

где $t$ – время падения тела.

Величину $\Delta v$ найдем из периода обращения Земли вокруг своей оси (T):

\[T=\frac{2\pi R}{v}(2.3),\]

тогда

\[\Delta v=\frac{2\pi R}{T}-\frac{2\pi \left(R-h\right)}{T}=\frac{2\pi h}{T}\ \left(2. 2}{2}\left(2.5\right).\]

Из формулы (2.5) выразим время, которое потратил камень на падение:

\[t=\sqrt{\frac{2h}{g}}\ \left(2.6\right).\]

Подставим в выражение (2.2) время ($t$) из (2.6) и изменение скорости ($\Delta v$) из (2.4) Найдем искомое отклонение от вертикали: \[x=\frac{2\pi h}{T}\sqrt{\frac{2h}{g}}.\]

Ответ. $x=\frac{2\pi h}{T}\sqrt{\frac{2h}{g}}.\ $ В горизонтальном направлении на камень не действуют другие тела, тем не менее, $x\ne 0$ это означает, что система отсчета, связанная с Землей, строго говоря, не является инерциальной системой отсчета, так как в ней не выполняется первый закон Ньютона (или выполняется с некоторым допущением). Это понятно уже по тому, что если система отсчета вращается, как Земля, или просто движется по криволинейной траектории, относительно любой инерциальной системы, то она не может быть инерциальной. Однако, при решении большинства задач неинерциальностью системы отсчета, связанной с Землей пренебрегают.

Читать дальше: потенциальная энергия.

236

проверенных автора готовы помочь в написании работы любой сложности

Мы помогли уже 4 396 ученикам и студентам сдать работы от решения задач до дипломных на отлично! Узнай стоимость своей работы за 15 минут!

Глава 5. Толкаем, чтобы привести в действие: сила – FIZI4KA

Физика с формулами ›

В этой главе…

• Прилагаем силу
• Открываем три закона Ньютона
• Используем векторы силы для законов Ньютона

В этой главе описываются знаменитые три закона Ньютона. Вероятно, вам уже приходилось встречаться с разными формулировками этих законов, например “всякому действию всегда есть равное ему противодействие”. Эта формулировка не совсем верна, поскольку “всякой силе всегда есть равная ей противоположная сила”. В этой главе будут прояснены различия между этими формулировками. Законы Ньютона в данной главе используются для фокусировки вашего внимания на силах и их влиянии на окружающий нас мир.

Содержание

• Форсируем тему
• Первый закон Ньютона
  • Поддерживаем движение: инерция и масса
  • Измеряем массу
• Леди и джентльмены, встречайте второй закон Ньютона!
  • Выбираем единицы измерения силы
  • Вычисляем результирующую силу
    • Вычисляем перемещение по известному времени, массе и действующим силам
    • Вычисляем результирующую силу по известному времени и скорости
• Торжественный финал: третий закон Ньютона
  • Учитываем трение
  • Анализируем углы и величины в третьем законе Ньютона
  • Ищем состояние равновесия

Форсируем тему

В окружающем нас мире нельзя избежать встречи с силами: силы используются для открытия двери, нажатия клавиш клавиатуры, управления автомобилем, подъема по ступенькам лестницы к Статуе Свободы, вытаскивания кошелька из кармана, разговора и даже для дыхания. Силы незримо присутствует всюду: во время пешеходной прогулки, катании на коньках, пережевывании хот-дога, открывании бутылки или моргании ресниц вашей ненаглядной спутницы. Сила неразрывно связана с движением объектов, а физика помогает понять, как эта связь работает.

Сила — это на самом деле довольно забавная тема. Как и другие физические темы, она кажется сложной только до настоящего знакомства с ней. Как наши старые “друзья”, перемещение, скорость и ускорение (см. главы 3 и 4), сила является вектором, т.е. имеет величину и направление.

Сэр Исаак Ньютон первым включил силу, массу и ускорение в одно уравнение в XVII веке. (Помните исторический анекдот с падением яблока на его голову, в результате чего он якобы придумал, как математически описать силу тяготения. Подробнее об этом рассказывается в главе 6, где Ньютон также является одним из основных действующих лиц.)

Законы Ньютона и скорость света

Законы Ньютона были пересмотрены Альбертом Эйнштейном в его теории относительности. В ней было показано, что законы Ньютона не выполняются для движения со скоростью, близкой к скорости света. Основная идея теории относительности заключается в том, что скорость света является наибольшей возможной скоростью. Это значит, что любое взаимодействие может происходить только с этой или меньшей скоростью. Следовательно, при приближении к этой скорости нужно учитывать изменяющийся характер взаимодействия; Например, измерение длины ракеты, движущейся со скоростью света, будет отличаться от измерения длины неподвижной ракеты. Как будет показано в главе 21, теория относительности Эйнштейна в значительной степени изменила представленный Ньютоном взгляд на мир и его законы.

Как часто происходит со многими физическими открытиями, Ньютон сначала внимательно наблюдал за поведением объектов, мысленно моделировал его, а затем выразил в математической форме. Зная основные сведения о векторах (которые изложены в главе 4), эта математика не вызовет у вас никаких трудностей.

Ньютон описал свою модель с помощью трех утверждений, которые теперь называются законами Ньютона. Однако нужно помнить, что на самом деле это не окончательные “законы природы”, ведь физики могут создавать лишь модели природы, которые часто впоследствии пересматриваются и уточняются.

Первый закон Ньютона

Барабанную дробь, пожалуйста! Законы Ньютона описывают силы и движение, а его первый закон гласит: “Объект находится в состоянии равновесия или прямолинейном движении с постоянной скоростью, если не подвергается внешнему воздействию”. Нужен перевод? Если вы не прилагаете силу к объекту в покое или “постоянном” движении, то он останется в покое или таком же движении по прямой. Причем вечно!

Например, при игре в хоккей шайба после удара движется к воротам по прямой, скользя по льду почти без трения. В случае удачи соперник не сможет зацепить шайбу своей клюшкой, т.е. не сможет изменить “постоянное” движение шайбы по прямой (и воспрепятствовать голу).

В повседневной жизни объекты не движутся так беспрепятственно, как в случае с шайбой на льду. Большинство окружающих нас объектов испытывает силу трения. Например, при скольжении кофейной чашки по гладкому столу она постепенно замедляет свое скольжение и останавливается (иногда с проливанием кофе не стоит чересчур упражняться, ибо вы рискуете испачкаться или ошпариться горячим кофе). Это совсем не значит, что первый закон Ньютона неверен. Наоборот, именно сила трения принуждает чашку изменить свое движение и остановиться.

Выражение “если не прилагать никакого действия к постоянно движущемуся объекту, он будет двигаться вечно” выглядит так же ужасно, как идея “вечного двигателя”. Однако полностью избавиться от внешнего воздействия сил невозможно, даже если объект находится в межзвездном пространстве. Даже на объекты в самых далеких уголках космоса оказывает воздействие (пусть даже очень слабое) масса других объектов Вселенной. А это значит, что на любое движение всегда оказывается внешнее воздействие, потому вечное постоянное движение в принципе невозможно.

Первый закон Ньютона утверждает лишь то, что единственным способом изменения движения является приложение внешней силы. Иначе говоря, сила является причиной движения. Кроме того, он гласит, что движущийся объект стремится оставаться в движении, что приводит к идее инерции.

Поддерживаем движение: инерция и масса

Инерция — это естественная тенденция объекта оставаться в покое или в движении с постоянной скоростью вдоль прямой линии. Инерция вызвана массой, а масса объекта является мерой инерции. Чтобы привести объект в движение, т.е. изменить его текущее состояние движения, необходимо приложить силу для преодоления инерции.

Представьте себе причал с маленькой шлюпкой и большим танкером с нефтью. Если попробовать толкнуть их ногой, то поведение этих судов будет разным. Шлюпка заскользит по водной глади, а танкер едва “вздрогнет” (да и для этого потребуется невероятно сильный толчок!). Дело в том, что они обладают совершенно разной массой и потому разной инерцией. В ответ на одинаковую силу объект с малой массой (и малой инерцией) ускорится в большей мере, чем объект с малой массой и большей инерцией.

Инерция, т.е. тенденция массы сохранять неизменность текущего состояния движения, иногда может представлять проблему. Например, в рефрижераторе тяжелые туши мороженного мяса подвешены к потолку кузова. Если рефрижератор войдет в крутой поворот на большой скорости, то туши по инерции начнут раскачиваться, как маятники, и их трудно будет остановить. Часто неопытные водители не учитывают инерцию туш мяса, и это приводит к печальным последствиям, например к опрокидыванию машины.

Поскольку масса обладает инерцией, то она сопротивляется изменению движения. Именно поэтому нам приходится прилагать силу для ускорения своего движения. Масса связывает силу и ускорение.

Измеряем массу

В разных системах измерения физических величин для указания массы (а значит, и инерции) используются разные единицы. В системе СГС используется грамм, а в системе СИ — килограмм, который содержит 1000 грамм.

А какая единица используется в Английской системе мер на основе фута-фунта- дюйма? Наберитесь мужества: в ней используется единица “слаг”, которая эквивалентна 14,5939 килограмма.

Учтите, что масса не равна весу. Масса — это мера инерции, а вес — это сила, которую оказывает сила притяжения Земли, измеренная на ее поверхности. Например, в Английской системе мер на основе фута-фунта-дюйма слаг имеет вес около 32 фунтов.

Леди и джентльмены, встречайте второй закон Ньютона!

Первый закон Ньютона очень и очень серьезен, но не выражается в математической формулировке, которая так необходима физикам. Потому Ньютон предложил свой второй закон: “если результирующая сила ​\( \sum\!F \)​ действует на объект массы ​\( m \)​, то ускорение ​\( a \)​ объекта можно вычислить по формуле ​\( \sum\!F=ma \)​”. В “переводе” это значит: сила равна массе, умноженной на ускорение. Символ ​\( \sum \)​ означает суммирование, а значит, точнее говоря, закон гласит: суммарная, или результирующая, сила равна массе, умноженной на ускорение. (С точки зрения физики процесса, а не формальной математики, ускорение является следствием действия силы, а не наоборот. Потому логичнее было бы сформулировать второй закон Ньютона так: ​\( a=\sum\!F/m \)​, т.е. ускорение объекта прямо пропорционально результирующей силе на него и обратно пропорционально массе.)

Согласно первому закону Ньютона, движущееся тело остается в прямолинейном движении с постоянной скоростью, если на него не действует сила. Получается, что на самом деле он является частным случаем второго закона Ньютона, когда ​\( \sum\!F=0 \)​. Ведь в таком случае ускорение равняется нулю, о чем говорится в первом законе Ньютона. Взгляните на хоккейную шайбу на рис. 5.1: шайба ускоряется, пока на нее действует сила.

Попробуйте применить уже полученные знания физики в этом примере. Действительно, если даже на долю секунды с помощью клюшки применить силу к шайбе, то она ускорится и, несомненно, попадет в сетку! В данном примере сила применена к клюшке с определенной массой, которая ускорилась и придала это ускорение шайбе.

Чему равно это ускорение? Эта величина зависит не только от единиц измерения массы, но и от единиц измерения силы.

Выбираем единицы измерения силы

Итак, в каких единицах выражается сила? Поскольку \( \sum\!F=ma \), то, например, в системе СИ сила выражается следующим образом:

Поскольку большинство людей считают эту единицу чересчур сложной, то в системе СИ используется специальная единица — ньютон (угадайте, в честь кого?). Сокращенно “ньютон” записывается как Н. В системе СГС сила выражается следующим образом:

Это тоже довольно неуклюжая единица, и в системе СГС для силы предложено использовать особую единицу — дина, причем 1 ньютон равен 10⁵ динам.

Еще проще выражается единица сила в Английской системе мер на основе фута-фунта-дюйма-секунды — фунт, который выражается следующим образом:

и равен 4,48 ньютонам.

Вычисляем результирующую силу

В большинстве учебников вместо полной записи \( \sum\!F=ma \) используется сокращенная — \( F=ma \), где под ​\( F \)​ подразумевается результирующая сила. Объект реагирует именно на результирующую силу, которая является суммой всех сил-векторов. Например, на рис. 5.2 показан мяч для игры в гольф и действующие на него силы. Как и в каком направлении будет двигаться мяч?

Поскольку во втором законе Ньютона говорится о результирующей силе, то задача упрощается. Все, что нужно сделать, так это сложить все силы-векторы для получения результирующей силы-вектора, как показано на рис. 5.3. Далее, для определения характера движения мяча нужно применить формулу \( \sum\!F=ma \).

Вычисляем перемещение по известному времени, массе и действующим силам

Допустим, что во время игры в мяч вы заинтересовались силами, действующими на мяч. Вот в одной из игровых ситуаций три игрока одновременно пытаются завладеть мячом и действуют на него тремя силами, как показано на рис. 5.4.

Схема на рис. 5.4 в физике называется диаграммой сил, действующих на тело. С ее помощью можно определить компоненты сил и результирующую силу. 2 \) (см. главу 3, где подробно описывается эта формула).

Пора подставлять числа и доставать калькулятор. Итак, для связи силы, массы и ускорения нужно, прежде всего, определить результирующую силу. Для этого нужно разложить на компоненты все векторы-силы на рис. 5.4, а потом сложить компоненты, чтобы получить компоненты вектора результирующей силы (более подробно операция разбиения вектора на компоненты приводится в главе 4).

Компоненты векторов ​\( \mathbf{F_а} \)​ и \( \mathbf{F_б} \) можно определить очень легко, поскольку вектор \( \mathbf{F_а} \) ориентирован вдоль положительного направления оси Y, а вектор \( \mathbf{F_б} \) — вдоль положительного направления оси X. Это значит, что компоненты этих векторов выражаются следующим образом:

Компоненты вектора \( \mathbf{F_в} \) определяются немного сложнее, поскольку нам все придется их вычислить:

Вектор \( \mathbf{F_в} \) направлен под углом 45° по отношению к отрицательному направлению оси Х, как показано на рис. 5.4, и под углом ​\( \theta \)​ = 180°+45°=225° к положительному направлению оси X. Тогда компоненты вектора \( \mathbf{F_в} \) определяются следующим образом:

После подстановки чисел получим:

Обратите внимание на знак “минус” — оба компонента вектора \( \mathbf{F_в} \) отрицательные. Полученный результат всегда можно быстро проверить на непротиворечивость. Вектор \( \mathbf{F_в} \) направлен вниз и вправо, т.е. вдоль отрицательных направлений оси X и Y. Это значит, что оба компонента ​\( F_{вx} \)​ и \( F_{вy} \) должны быть отрицательными. Мне доводилось видеть людей, которые не могли правильно определить знак компонентов вектора, поскольку они не умели выполнять такую простую проверку непротиворечивости.

Всегда сравнивайте знаки компонентов векторов с фактическим направлением вдоль осей. Такая простая и быстрая проверка позволяет избежать многих потенциальных проблем.

Теперь нам известно, что:

И можно приступать к сложению векторов:

Итак, мы вычислили результирующую силу ​\( \sum\!\mathbf{F} \)​, которая равна (8 Н; 33 Н). Мы тем самым также определили направление движения мяча. На следующем этапе нужно определить ускорение на основании второго закона Ньютона:

Это означает, что:

Поскольку масса мяча равна 1 кг, то, подставляя это значение в предыдущую формулу, получим:

Неплохой прогресс: теперь вы знаете ускорение мяча. Теперь, чтобы узнать расстояние ​\( \mathbf{s} \)​, которое преодолеет мяч за 1 секунду, нужно использовать приведенную ниже формулу (из главы 3):

После подстановки чисел получим:

Ну что ж, совсем неплохо. После 1 секунды движения мяч продвинется на 8 метров вдоль положительного направления оси X и на 33 метра вдоль положительного направления оси Y. Достаньте секундомер, засеките промежуток времени длительностью 1 с и убедитесь, что мяч продвинулся на 8 метров вдоль горизонтальной линии и на 33 метра вдоль вертикальной линии. Вот вам еще один успешный физический эксперимент.

Вычисляем результирующую силу по известному времени и скорости

В предыдущем разделе перемещение объекта было вычислено по известному времени движения с постоянным ускорением. А как поступить, если нужно решить обратную задачу: как определить результирующую силу по известному времени и достигнутой скорости? Допустим, что нужно ускорить автомобиль от 0 до 60 миль в час за 10 секунд. Какую силу нужно приложить для этого? Сначала нужно преобразовать единицы измерения для более удобной работы со значениями скоростей, т.е. мили в час преобразовать в футы в секунды.

Обратите внимание на то, что часы и минуты в итоге сократились, а остались только мили и секунды. Теперь нужно выразить результат в футах в секунду:

Итак, за 10 секунд автомобиль разгонится до скорости около 88 футов в секунду. Если автомобиль весит около 2000 фунтов, то какая сила потребуется для такого ускорения? Сначала найдем величину самого ускорения на основе приведенной ниже формулы (более подробно она описывается в главе 3):

Подставляя числа, получим:

Итак, искомое ускорение равно 8,8 футов в секунду². Согласно второму закону Ньютона:

Нам известно, что вес автомобиля равен 2000 фунтам. Чему равна масса автомобиля в другой системе единиц измерения, а именно в системе на основе фута-фунта-дюйма- секунды или в слагах? В этой системе единиц измерения нужно поделить вес на ускорение свободного падения под действием гравитации, т.е. 32,17 фута в секунду² (эта величина получена после преобразования уже известной нам величины 9,8 метра в секунду²):

Теперь у нас есть все, что нужно для вычисления силы. Какая сила потребуется, чтобы автомобиль весом 62,17 слага двигался с ускорением 8,8 фута в секунду². Нам нужно просто перемножить эти численные значения:

Итак, после округления до 2 значащих цифр получим, что для ускорения автомобиля до скорости 60 миль в час за 10 секунд потребуется сила 550 фунтов.

Учтите, что в данной задаче игнорируются такие особенности, как трение и наклон дороги. Более подробно эти вопросы рассматриваются в главе 6. Даже при движении по плоской поверхности без наклона трение может играть очень большую роль, и для ускорения автомобиля с учетом трения часто требуется приложить силу на 30% больше, чем 550 фунтов.

Торжественный финал: третий закон Ньютона

Этот закон движения особенно популярен среди борцов и инструкторов вождения автомобилей. Он гласит: сила действия одного объекта на другой равна по величине силе противодействия другого объекта, направленной в противоположную сторону.

Наиболее популярной формулировкой этого закона является следующая: “для любого действия всегда найдется равное ему и противоположное действие”. Однако физики предпочитают вместо неконкретного термина “действие” использовать более точный термин “сила”. Дело в том, что под действием часто подразумеваются совершенно разные явления, например характер голосования на избирательном участке или изменение температуры.

Допустим, что вы едете в автомобиле и для движения шина автомобиля должна прилагать силу к дороге (т.е. отталкиваться от нее), ибо иначе автомобиль не сможет двигаться. В таком случае дорога оказывает такую же силу на шину автомобиля, как показано на рис. 5.5.

Если бы силы действия автомобиля была больше силы противодействия, то шина проскальзывала бы по дороге, как при движении по льду.

У внимательного читателя может возникнуть вопрос: а почему дорога не движется в обратную сторону? На самом деле, верьте или нет, но третий закон Ньютона действует и дорога движется в обратную сторону. Действительно, шина автомобиля прилагает силу к поверхности дороги и приводит в движение Землю. Однако, учитывая, что масса Земли в 6⋅10²¹ раз больше массы автомобиля, это действие практически незаметно.

Учитываем трение

Когда хоккеист бьет клюшкой по шайбе, она ускоряется с места удара и ускоряется сам хоккеист. Если бы шайба имела массу 1000 кг (а не 105-185 г), то хоккеист, несомненно, ощутил бы это ускорение в гораздо большей мере. При таком нереальном соотношении масс хоккеиста и шайбы могло случиться так, что после удара шайба едва сдвинулась бы, а хоккеист заскользил бы в обратном направлении. (Более подробно такая ситуация описывается в части III.)

Допустим, что в данном фантасмагорическом примере по окончании игры нужно оттащить такую чудовищно тяжелую шайбу в сторону с помощью каната, как показано на рис. 5.6.

В физических задачах часто используются канаты, а также блоки, причем сила, с которой канат тянут с одного конца, равна силе сопротивления на другом конце каната.

В данном случае 1000-килограммовая шайба будет испытывать силу трения, пусть небольшую, но ощутимую. Итак, результирующая сила равна:

Поскольку сила натяжения каната ​\( F_{канат} \)​ больше силы трения \( F_{трение} \), то шайба начнет движение, причем ускоренное. Величину ускорения можно определить по известной формуле из второго закона Ньютона:

Одна часть силы натяжения каната \( F_{канат} \) расходуется на ускорение шайбы, а другая — на преодоление силы трения \( F_{трение} \):

Однако сила натяжения каната с одной стороны равна силе натяжения каната с другой, согласно третьему закону Ньютона.

Рассмотрим теперь немного другую ситуацию, показанную на рис. 5.7. Допустим, что канат перекинут через блок и таким образом вам нужно поднять груз массы ​\( M \)​. Чтобы поднять груз, нужно преодолеть силу тяжести, которая действует на груз весом ​\( Mg \)​. Здесь ​\( g \)​ — это ускорение свободного падения под действием гравитации, равное 9,8 см/с² (более подробно сила гравитации описывается в главе 6). На рис. 5.7 показана общая схема приложения силы к канату, необходимая для удержания груза.

Канат и блок используются не только для удержания груза, но и для изменения направления приложения силы. Сила прилагается вниз, а груз под ее действием движется вверх, поскольку канат перекинут через блок, где и происходит изменение направления действия силы. В данном случае, если сила натяжения каната ​\( F \)​ на свободном конце больше веса груза ​\( Mg \)​, то груз будет двигаться вверх с ускорением ​\( a \)​, согласно формуле:

Подсчитаем теперь силу, действующую на потолок, к которому прикреплен блок. Если блок находится в покое, то действующая на него результирующая сила ​\( \sum\!F=0 \)​. Это значит, что все силы, которые действуют на блок, в сумме дают 0.

На блок действуют две силы, направленные вниз: сила натяжения каната ​\( F \)​ на свободном конце и сила со стороны груза с весом ​\( Mg \)​, движущегося с ускорением ​\( a \)​. Согласно третьему закону Ньютона, они равны, и сумма двух сил, направленных вниз, равна ​\( 2F \)​. Поскольку действующая на блок результирующая сила \( \sum\!F=0 \), то действующая на блок и направленная вверх сила со стороны потолка тоже равна ​\( 2F \)​.

Ни одна сила не может прилагаться к объекту без возникновения равной по величине и противоположной по направлению силы (даже если какая-то ее часть порождается ускоренным движением объекта). В предыдущем примере канат и блок позволяют изменять направление действия силы. Однако такое изменение направления силы от ​\( -F \)​ до ​\( +F \)​ возможно за счет приложение силы ​\( 2F \)​ к блоку со стороны потолка.

Анализируем углы и величины в третьем законе Ньютона

Чтобы учесть углы приложения силы, нужно вспомнить правила сложения векторов. Взгляните на рис. 5.8, где с помощью каната и блока сила ​\( F \)​ прилагается для удержания в состоянии покоя груза с массой ​\( M \)​. Вопрос: с какой величиной и в каком направлении действует сила ​\( F_{опора} \)​ на опору блока?

Поскольку блок не движется, то действующая на него результирующая сила ​\( \sum\!F=0 \)​. Теперь нужно найти все силы, которые действуют на блок. Во-первых, нужно учесть силу тяжести ​\( \mathbf{F_{груз}}=M\mathbf{g} \)​, которая действует на груз. После разложения вектора этой силы на компоненты (подробнее об этом рассказывается в главе 4) получим (Y-компонента силы имеет отрицательный знак, поскольку она направлена вниз, т.е. вдоль отрицательного направления оси Y):

Теперь вычислим силу натяжения каната с другого конца ​\( F_{канат} \)​. Поскольку груз не движется, то сила натяжения каната на одном конце равна силе натяжения каната на другом конце. После разложения вектора силы натяжения каната на компоненты получим (Х-компонента силы имеет положительный знак, поскольку она направлена вправо, т. е. вдоль положительного направления оси X):

Теперь, чтобы найти результирующую силу, действующую на блок со стороны каната, нужно сложить компоненты сил \( F_{груз} \) и \( F_{канат} \):

Нам известно, что:

где \( F_{опора} \) — это сила, которая действует на опору блока.

Это значит, что:

Следовательно:

Глядя на рис. 5.8, можно легко проверить направление этого вектора. Действительно, блок должен противостоять силе тяжести груза (т.е. возникает сила противодействия, направленная вверх) и натяжению каната (т.е. возникает сила противодействия, направленная вправо).

Попробуем теперь определить величину и направление вектора силы \( F_{опора} \) (подробнее об этом рассказывается в главе 4). Величина этого вектора определяется по теореме Пифагора:

Обратите внимание на то, что здесь (как и в предыдущем примере) величина силы на опору блока больше величины каждой из сил по отдельности. Такова плата за изменение направления силы.

А в каком направлении действует сила \( F_{опора} \)? Из рис. 5.8 ясно, что сила \( F_{опора} \) должна быть направлена влево и вверх, а теперь попробуем проверить это предположение с помощью тригонометрии. Если ​\( \theta \)​ — это угол, под которым сила \( F_{опора} \) направлена по отношению к положительному направлению оси X, то Х-компонента силы \( F_{опора} \) имеет вид:

Следовательно:

Нам уже известно, что:

а также:

В итоге получим:

Нетрудно проверить, глядя на рис. 5.8, что найденное значение для направления силы на опору (-135) соответствует нашим предварительным оценкам и ожиданиям.

Если вы не уверены в правильности определения знаков сил, то всегда пробуйте проверить полученные значения с помощью визуального анализа нарисованной схемы распределения сил. Один рисунок порой стоит больше тысячи слов, особенно в физике!

Ищем состояние равновесия

В физике считается, что объект находится в состоянии равновесия, если его ускорение равно нулю, т. е. действующая на него результирующая сила равна 0. При этом объект необязательно должен находиться в покое — он может двигаться даже со скоростью 1000 километров в час, но без ускорения. Конечно, на объект в состоянии равновесия могут действовать самые разные силы, но их векторная сумма должна быть равна нулю.

На рис. 5.9 показана схема распределения сил, действующих на рекламную вывеску перед магазином, которую вы собираетесь подвесить на проволоке, выдерживающей силу 15 Н.

Допустим, что вес вывески равен 8 Н. Хватит ли прочности проволоки для ее подвешивания? Иначе говоря, чему равна сила натяжения проволоки ​\( F_1 \)​ на этой схеме? Вывеска должна быть в состоянии равновесия, значит, результирующая сила на нее ​\( \sum\!F=0 \)​. Следовательно, весь вес вывески ​\( Mg \)​ должен быть уравновешен силой натяжения проволоки ​\( F_1 \)​.

В данном примере единственная направленная вверх сила — это Y-компонента силы ​\( F_1 \)​, как показано на рис. 5.9. Сила сопротивления \( F_2 \) горизонтальной балки направлена только по горизонтали, а потому не оказывает никакого влияния на вертикальную компоненту результирующей силы. С помощью навыков тригонометрии (более подробно базовые сведения по тригонометрии приводились в главе 4) можно определить Y-компоненту силы \( F_1 \):

Величина этой компоненты силы равна весу вывески:

Отсюда получаем натяжение проволоки:

Поскольку вес ​\( Mg \)​ вывески равен 8 Н, то получим

Ну и дела! Похоже, что проволока должна выдерживать силу 16 Н, а мы уже купили проволоку, выдерживающую всего 15 Н. Мораль сей задачи такова: нужно купить проволоку попрочнее!

Допустим, что мы купили более прочную проволоку и теперь интересуемся, достаточно ли прочна горизонтальная балка, чтобы выдержать силу сопротивления ​\( F_2 \)​, как показано на рис. 5.9. Какую прочность должна иметь балка, чтобы выдержать вес вывески? Иначе говоря, какую силу должна выдержать балка? На рис. 5.9 показаны только две горизонтальные силы: сила сопротивления балки ​\( F_2=F_{балка} \)​ и Х-компонента силы ​\( F_1 \)​. Нам уже известно, что \( F_1 \) = 16 Н. Теперь нам осталось только вычислить \( F_2 \). Для начала нужно определить Х-компоненту силы \( F_1 \) Глядя на рис. 5.9 и используя тригонометрию, получим:

Именно эта компонента силы натяжения проволоки равна силе сопротивления балки:

Это значит, что:

Итак, балка должна выдерживать силу около 14 Н.

Для подвешивания вывески весом около 8 Н потребуется проволока, выдерживающая силу около 16 Н, и балка, выдерживающая силу около 14 Н. Посмотрите снова на рис. 5.9: Y-компонента силы натяжения проволоки должна выдерживать вес груза. Такая прочность проволоки и балки нужна для того, чтобы изменить направление силы тяжести груза.

Глава 6. Запрягаемся в упряжку: наклонные плоскости и трение →

← Глава 4. Едем по указателям

I.2.1 ПЕРВЫЙ ЗАКОН НЬЮТОНА. ИНЕРЦИАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОТСЧЁТА.

Первый закон Ньютона: всякое тело сохраняет своё состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока внешнее воздействие не заставит его изменить это состояние.

Первый закон Ньютона утверждает, что состояние покоя или равномерного прямолинейного движения не требует для своего поддержания каких-либо внешних воздействий. В этом проявляется особое динамическое свойство тел, называемое инертностью. Соответственно первый закон Ньютона называют также законом инерции, а движение тела, свободного от внешних воздействий, – движением по инерции.

В приведённой формулировке первого закона Ньютона подразумевается, что тело не деформируется, т.е. абсолютно твёрдое, и что в отсутствие внешних воздействий, оно движется поступательно. Кроме того, твёрдое тело может также ещё и равномерно вращаться по инерции. Если в первом законе Ньютона говорить не о «теле», а о материальной точке, которая по самому её определению не может ни деформироваться, ни вращаться, то необходимость во всех этих оговорках отпадает. Учитывая всё сказанное, можно дать следующую формулировку этого закона: существуют такие системы отсчёта, называемые инерциальными, относительно которых материальная точка при отсутствии внешних воздействий сохраняет величину и направление своей скорости неограниченно долго. Закон верен также в ситуации, когда внешние воздействия присутствуют, но взаимно компенсируются (это следует из 2-го закона Ньютона, так как скомпенсированные силы сообщают телу нулевое суммарное ускорение).

То, что тело остаётся в покое (т.е. сохраняет скорость, равную нулю) пока на него не действует другое тело, – вполне понятно и подтверждается повседневными наблюдениями. Камень сам не тронется с места, пока не будет кем-нибудь или чем-нибудь сдвинут. Но нам трудно поверить, что тело может вечно сохранять равномерное и прямолинейное движение. Брошенный камень испытывает сопротивление воздуха и притяжение к земле. Если бы этих воздействий не было, тело сохраняло бы состояние равномерного и прямолинейного движения (т.е. сохраняло бы величину и направление своей скорости). Или ещё один пример, разбежавшись, человек не может мгновенно остановиться или мгновенно свернуть в сторону. Чтобы обогнуть на бегу столб, человек инстинктивно хватается за него рукой, т.е. прибегает к воздействию другого тела (столба), чтобы изменить направление своей скорости.

 

I.2.2 СИЛА

Силой называется векторная физическая величина, являющаяся мерой воздействия на материальную точку или тело со стороны других тел или полей.

Особая форма материи, связывающая частицы вещества в единые системы и передающая с конечной скоростью действия одних частиц на другие называется физическим полем.

Поле, действующее на материальную точку с силой , называется стационарным полем, если оно не изменяется с течением времени , т.е. если в любой точке поля

.

Взаимодействие между удалёнными телами осуществляется посредством гравитационного и электромагнитного полей.

Гравитационное взаимодействие – возникает между телами в соответствии с законом всемирного тяготения.

Электромагнитное взаимодействие – возникает между телами или частицами, обладающими электрическими зарядами.

Кроме того, различают ещё сильное взаимодействие, существующее, например, между частицами, из которых состоят ядра атомов и слабое взаимодействие, характеризующее, например, процессы превращения некоторых элементарных частиц.

В задачах механики учитываются гравитационные силы (силы тяготения) и две разновидности электромагнитных сил – силы упругости и силы трения.

Силы взаимодействия между частями некоторой рассматриваемой системы тел называются внутренними силами.

Силы воздействия на тела данной системы со стороны других тел, не включённых в эту систему, называются внешними силами.

Совокупность физических тел, у которых взаимодействия с внешними телами отсутствуют или скомпенсированы, называется замкнутой (изолированной) системой.

Сила полностью определена, если заданы её модуль, направление и точка приложения. Прямая, вдоль которой направлена сила, называется линией действия силы.

 

Одновременное действие на материальную точку нескольких сил ( , …, ) эквивалентно действию одной силы, называемой равнодействующей или результирующей силой и равной их геометрической сумме:

. (I.48)

Формула (I.48) представляет собой принцип суперпозиции сил.

 

ВИДЫ СИЛ В ПРИРОДЕ

 

Наиболее простыми видами сил являются такие, которые обусловлены непосредственным механическим действием одного тела на другое при их соприкосновении, к ним относятся: силы тяги, трения, давления, упругости, натяжения.

Остановимся лишь на некоторых из них.

Силы упругости.Силы, возникающие при упругой деформации тел, называются силами упругости. Эти силы действуют между соприкасающимися слоями деформируемого тела, а также в месте контакта деформируемого тела с телом, вызывающим деформацию.

 

 

Например, со стороны упруго деформированной доски на брусок , лежащий на ней (рис. 25), действует сила упругости . Силы упругости являются силами электромагнитной природы.

Сила упругости, действующая на рассматриваемое в данной задаче тело со стороны опоры или подвеса, называется силой реакции опоры (подвеса) или силой натяжения подвеса. На рис. 26 приведены примеры приложения к телам сил реакции опоры (силы ) и силы натяжения подвеса (сила ).

 

 

 

	Рисунок 26 – Примеры приложения к телам сил реакции опоры и силы натяжения подвеса.

 

Сила упругости зависит только от изменения расстояний между взаимодействующими частями данного упругого тела. Работа силы упругости не зависит от формы траектории и при перемещении по замкнутой траектории равна нулю. Поэтому силы упругости являются потенциальными силами (понятие работы и потенциальности сил будет рассмотрено в главе I.3 (§ I.3.1, стр. 41), (§ I.3.2, стр.45)).

Закон Гука:сила упругости пропорциональна вектору удлинения (сжатия) и противоположна ему по направлению:

 

, (I. 49)

где – жёсткость тела – величина, определяемая силой упругости, возникающей при единичной деформации данного тела;

– вектор удлинения – величина, характеризующая одномерное (линейное) растяжение (сжатие).

Силы трения.При всяком перемещении одного тела по поверхности другого возникает сопротивление этому движению, которое мы представляем себе как силу трения, направленную против этого движения.

Различают внешнее и внутреннее трение. Внешним трением называется механическое сопротивление, возникающее при относительном перемещении двух соприкасающихся тел в плоскости их касания. Например, внешнее трение существует между бруском и наклонной плоскостью, на которой лежит брусок или с которой он соскальзывает. При определённых условиях внешнее трение переходит во внутреннее трение, при котором в зоне контакта нет скачка скорости при переходе от одного тела к другому.

Трение между поверхностями двух соприкасающихся твёрдых тел при отсутствии между ними жидкой или газообразной прослойки называется сухим трением. Трение между поверхностью твёрдого тела и окружающей его жидкой или газообразной средой, в которой тело движется, называется жидким или вязким трением.

Сухое трение подразделяют на:

§ трение покоя – трение при отсутствии относительного перемещения соприкасающихся тел;

§ трение скольжения – трение при относительном движении соприкасающихся тел.

Сила трения, препятствующая возникновению движения одного тела по поверхности другого, называется силой трения покоя.

Обычно, говоря о силе трения покоя, имеют в виду предельную силу трения покоя . Обозначим через внешнюю силу, прикладываемую к телу, находящемуся в соприкосновении с другим телом. Эта сила параллельна плоскости соприкосновения. Относительное движение тела возникает при условии . Сила трения покоя вызывается зацеплением неровностей поверхностей тел, упругими деформациями этих неровностей и сцеплением (слипанием) тел в тех местах, где расстояния между их частицами оказываются малыми и достаточными для возникновения межмолекулярного притяжения. В связи с этим силу трения покоя можно рассматривать как разновидность проявления сил упругости.

Опытным путём установлено, что максимальная сила трения покоя ( ) не зависит от площади соприкосновения тел и приблизительно пропорциональна модулю силы нормального давления ( ), прижимающей трущиеся поверхности друг к другу: .

Безразмерный множитель называется коэффициентом трения покоя. Он зависит от природы и состояния трущихся поверхностей.

Трение скольжения объясняется шероховатостью трущихся поверхностей. Большую роль играют также силы межмолекулярного взаимодействия.

Законы трения скольжения.

 

I. Отношение силы трения к силе давления (т.е. к силе, которая прижимает друг к другу трущиеся поверхности) есть величина для данных поверхностей постоянная.Первый закон трения можно сформулировать и так: сила трения прямо пропорциональна силе давления. Экспериментально показано, что сила трения скольжения пропорциональна силе нормального давления: .

 

II. Коэффициент трения зависит от материалов трущихся поверхностей.

 

III. Коэффициент трения не зависит от величины трущихся поверхностей.Если величина поверхности очень мала, так что движущееся тело может оставлять царапину на неподвижном (например, остриё гвоздя), то этот закон теряет силу.

 

IV. Коэффициент трения уменьшается с увеличением скорости движения.Это объясняется тем, что при больших скоростях не все выступы шероховатых поверхностей успевают достаточно глубоко зацепиться друг за друга.

 

На рисунке 27 приведён график зависимости коэффициента трения от скорости движения .

 

Из графика видно, что наибольший коэффициент трения (следовательно, и наибольшая сила трения) существует в состоянии покоя. Это кратко выражают так: максимальное значение силы трения покоя больше силы трения скольжения. Законы I, II и III были найдены Кулоном из опытов с трибометром.

Примечание: в простейших случаях сила трения и сила нормального давления связаны неравенством , обращающимся в равенство только при наличии относительного движения. Это соотношение называется законом Амонтона – Кулона (эмпирический закон, устанавливающий связь между силой трения, возникающей при скольжении тела по поверхности, с силой нормального давления, действующей на тело со стороны поверхности). Для большинства пар материалов значение коэффициента трения не превышает 1 и находится в диапазоне от до . Если коэффициент трения превышает 1 ( ), это означает, что между контактирующими телами имеется сила адгезии и формула расчёта коэффициента трения меняется на .

Адгезия зависит от природы контактирующих тел, свойств их поверхностей и площади контакта. Адгезия определяется силами межмолекулярного притяжения

---

Дата добавления: 2016-09-06; просмотров: 2973; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

---

Тест с ответами: «Законы Ньютона»

Опубликовано 26.09.2021 автором km-shool

1. Второй закон Ньютона в классической механике сформулирован применительно к движению такой точки:
а) нематериальной
б) материальной +
в) гипотетической

2. В каких системах отсчёта выполняются все три закона механики Ньютона:
а) только в неинерциальных системах
б) только в инерциальных системах +
в) в любых системах отсчёта

3. Дифференциальный закон механического движения, описывающий зависимость ускорения тела от равнодействующей всех приложенных к телу сил и массы тела:
а) второй закон Ньютона +
б) третий закон Ньютона
в) первый закон Ньютона

4. Будут ли тела взаимодействовать с одинаковыми по модулю силами, если взаимодействие происходит на расстоянии:
а) одна сила становится больше другой
б) одна сила становится меньше другой
в) силы взаимодействия остаются равными +

5. Основной закон динамики:
а) третий закон Ньютона
б) первый закон Ньютона
в) второй закон Ньютона +

6. О ветровое стекло движущегося автомобиля ударился комар и разбился. Какой закон Ньютона стал причиной его гибели:
а) III закон +
б) II закон
в) I закон

7. Объектом, о котором идёт речь во втором законе Ньютона, является материальная точка, обладающая неотъемлемым свойством:
а) силой
б) ускорением
в) инерцией +

8. Силы, воздействующие на тело, могут быть:
а) главными и второстепенными
б) внешними и внутренними +
в) основными и вспомогательными

9. Легкоподвижную тележку массой 3 кг толкают с силой 6 Н. Определите ускорение тележки:
а) 2 м/с² +
б) 1,6 м/с²
в) 18 м/с²

10. Что означает знак «минус» в третьем законе Ньютона:
а) что силы приложены к разным телам
б) что силы это векторные величины
в) что силы направлены противоположно +

11. В инерциальной системе отсчета сила F сообщает телу массой m ускорение а. Как изменится ускорение тела, если массу тела и действующую на него силу увеличить в 2 раза:
а) уменьшится в 8 раз
б) увеличится в 4 раза
в) не изменится +

12. Три закона динамики Ньютона являются основными законами классической механики, так ли это:
а) нет
б) да +
в) отчасти

13. B инерциальной системе отсчета сила F сообщает телу массой m ускорение а. Как надо изменить массу тела, чтобы вдвое меньшая сила сообщала ему в 4 раза большее ускорение:
а) уменьшить в 8 раз +
б) увеличить в 2 раза
в) оставить неизменной

14. В третьем законе Ньютона предполагается, что обе силы равны по модулю в любой момент времени независимо от движения точек, так ли это:
а) нет
б) да +
в) отчасти

15. Приступая к формулировке второго закона, следует вспомнить, что в динамике вводятся две новые физические величины:
а) ширина и длина
б) масса тела и сила +
в) ускорение и инерция

16. Кто из ученых сформулировал закон инерции:
а) Ньютон +
б) Архимед
в) Аристотель

17. Спустившись с горки, санки с мальчиком начинают тормозить с ускорением 2 м/с². Определите величину тормозящей силы, если общая масса мальчика и санок равна 40 кг
а) 20 Н
б) 42 Н
в) 80 Н +

18. Как звучит третий закон Ньютона:
а) сила, с которой первое тело действует на второе, противоположна по направлению силе, с которой второе тело действует на первое
б) сила, с которой первое тело действует на второе, равна по модулю силе, с которой второе тело действует на первое
в) сила, с которой первое тело действует на второе, равна по модулю и противоположна по направлению силе, с которой второе тело действует на первое +

19. Является количественной характеристикой инертных свойств тела:
а) масса +
б) сила
в) ускорение

20. Силы, действующие между частями одного и того же тела, называются:
а) внешними
б) равными
в) внутренними +

21. А какова формула первого закона Ньютона:
а) F = ma
б) формулы первого закона Ньютона не существует +
в) M=fa

22. Утверждение, что материальная точка покоится или движется равномерно и прямолинейно, если на нее не действуют другие тела или воздействие на него других тел взаимно уравновешено, верно:
а) верно при любых условиях
б) верно для неинерциальных систем отсчета
в) верно в инерциальных системах отсчета +

23. Выберите пример явления инерции:
а) автобус отъезжает от остановки
б) оба варианта верны
в) книга лежит на столе +
г) нет верного ответа

24. Первый закон Ньютона формулируется так:
а) Существуют такие системы отсчёта, относительно которых тела сохраняют свою скорость неизменной, если на них не действуют другие тела. +
б) Силы, два тела действуют друг на друга, равны по модулю и противоположны по направлению.
в) Ускорение тела прямо пропорционально равнодействующей сил, приложенных к телу, и обратно пропорционально его массе.

25. В первом законе Ньютона речь идёт о телах, которые могут быть приняты за … точки:
а) теоретические
б) материальные +
в) не материальные

26. В каких системах отсчёта выполняются все три закона механики Ньютона:
а) только в неинерциальных системах
б) только в инерциальных системах +
в) в любых системах отсчёта

27. Первый закон Ньютона выполняется:
а) во всех системах отсчёта
б) не во всех системах отсчёта +
в) зависит от условия задачи

28. Все системы отсчета, движущиеся прямолинейно и равномерно относительно данной ИСО, являются инерциальными, так ли это:
а) нет
б) да +
в) отчасти

29. Как еще называют первый закон Ньютона:
б) второй закон механики
в) третий закон механики
г) первый закон механики +

30. Система отсчета связана с воздушным шаром. Эту систему можно считать инерциальной в случае, когда шар движется:
а) равномерно вниз +
б) замедленно вниз
в) ускоренно вверх

Физика

Первый закон движения Ньютона: определение, формулы и примеры

Первый закон движения Ньютона

В 1687 году Ньютон предложил три закона движения, которые составляют основу классической механики. Они объясняют все: от того, как объект остается в покое, до того, как он приходит в движение, набирает скорость, преодолевает противоположные силы или подчиняется им. Исаак Ньютон установил законы и внес ясность в физические системы и явления. В чем заключается первый закон движения Ньютона? В следующей статье рассматриваются примеры первого закона движения Ньютона, чтобы обеспечить полное понимание концепции.

Что такое Первый закон движения Ньютона?

Согласно первому закону движения, тело в состоянии покоя или в движении остается в одном и том же состоянии, если на него не действует внешняя сила.

Понимание первого закона движения Ньютона

Утверждение означает, что движущееся тело не изменит своего направления или не уменьшит/увеличит свою скорость без воздействия неуравновешенной силы. Итак, если с телом в состоянии покоя ничего не происходит, оно никуда не денется, а если оно движется в определенном направлении, оно будет продолжать двигаться, пока с ним что-нибудь не случится.

Итак, первый закон движения Ньютона объяснил, почему объекты замедляются. До того, как Ньютон предложил свою теорию, люди предполагали, что объекты через некоторое время замедляются из-за присущей им естественной тенденции. Они не учитывали силу гравитации, трения и сопротивления воздуха.

С точки зрения физики, если на тело действует равнодействующая сила, так что векторная сумма сил равна нулю, его скорость будет постоянной. Следует отметить, что термин скорость подразумевает, что и величина, и направление движения будут постоянными.

Вы можете понять эту концепцию на примере космонавта. Если вы посмотрите видео с космонавтами, вы обнаружите, что их инструменты плавают, потому что нет силы тяжести. Они остаются на одном месте, так как никакая сила не меняет их положения. Кроме того, если они бросают объект в космос, он продолжает двигаться с той же скоростью в том же направлении.

Формула первого закона движения Ньютона

Уравнение для первого закона Ньютона выглядит следующим образом: 

F= dp /dt 

или

F= d(mv)/dt

В первом утверждении p — это импульс. Поскольку p=mv, второе уравнение заменяет p на mv. V — скорость объекта, t — время, F — сила.

Что такое Сила? Чем он отличается от Net Force?

Сила — это толчок или тяга. Выражается в Ньютонах или кг м/с2. Сила может быть внутренней или внешней. Внешняя сила возникает снаружи объекта, а внутренняя сила возникает внутри объекта. Примером внешней силы является гравитация, возбуждаемая Землей на Луне, а примеры внутренней силы включают гравитационную силу, которую внутреннее ядро ​​Луны воздействует на ее внешнюю кору.

Чистая сила, с другой стороны, представленная ΣF, представляет собой общую силу, воздействующую на объект. Это векторная сумма всех сил, действующих на тело.

Почему первый закон Ньютона также называют законом инерции?

Его также называют законом инерции, потому что инерция относится к величине сопротивления объекта изменению скорости. Изменение скорости может выражаться в скорости объекта или его направлении. Другим аспектом инерции является стремление продолжать движение в одном направлении с постоянной скоростью, когда на них не действуют никакие силы.

Знаете ли вы: Закон инерции был впервые введен Галилео Галилеем в начале семнадцатого века.

Типы инерции

Инерция бывает следующих трех типов:

• Инерция покоя: когда тело сопротивляется и остается в состоянии покоя, пока на него не действуют внешние силы.
• Инерция движения: когда тело сопротивляется изменению и продолжает движение в том же направлении, пока на него не подействует внешняя сила.
• Инерция направления: Тенденция объекта продолжать движение в том же направлении, если на него не действует внешняя сила.

Подумайте об этом: Водитель пристегивает ремень безопасности и едет с постоянной скоростью 100 км/ч. Затем он сталкивается лоб в лоб с какой-то другой машиной. Водитель получил травму головы, несмотря на то, что был пристегнут ремнем безопасности. Почему?

Первый закон Ньютона Примеры из жизни

Ниже приведены некоторые примеры первого закона Ньютона из повседневной жизни:

1. Электрический вентилятор движение. Лопасти находились в состоянии движения, поэтому им потребуется некоторое время, чтобы изменить свое состояние и остановиться, когда вы их выключите.

2. Поездка в автобусе

Чувствовали ли Вы рывок, когда водитель нажимает на тормоз или автобус останавливается, или он начинает двигаться после остановки?

Эти придурки имеют разные объяснения. Пассажиры, стоящие в движущемся автобусе, испытывают внезапное падение вперед, когда водитель нажимает на тормоз из-за инерции движения. Точно так же, когда мчащийся автобус внезапно останавливается, тело движется вперед, потому что нижняя часть тела останавливается вместе с транспортным средством, а верхняя часть пытается сохранить состояние движения, в котором оно было ранее. Таким образом, пассажиры чувствуют толчок вперед.

Наоборот, люди, сидящие в автобусе, чувствуют тягу назад, когда неподвижный автобус начинает двигаться по инерции покоя. Верхние части кузова продолжают оставаться в состоянии покоя, а нижняя движется вперед вместе с транспортным средством.

3. Монета на карте, положенной на стакан

Когда карту кладут на стакан с монетой, а карту быстро удаляют, монета падает в стакан. Монета демонстрирует инерцию покоя. Он продолжает оставаться на своем месте, даже когда карта под ним перемещается. Следовательно, он падает в стакан.

4. Движущийся поезд

В движущемся поезде, когда мяч подбрасывается в воздух, он поднимается вверх, а затем падает прямо у вас в руке, потому что, подобно поезду и пассажирам, он тоже обладает инерцией. Однако это происходит только тогда, когда поезд движется с постоянной скоростью; в противном случае, когда поезд разгоняется, он упадет назад.

5. Прыжок с транспортного средства

Прыжок с движущегося автомобиля или автобуса может привести к спотыканию, поскольку ваше тело продолжает оставаться в состоянии движения в направлении транспортного средства. Когда ваши ноги касаются земли, они останавливаются, но верхняя часть тела не останавливается. Следовательно, вы склонны падать по направлению движения.

6. Ковер выбивают для удаления пыли

Когда вы выбиваете ковер палкой, частицы пыли опадают, потому что при выбивании ковер движется назад, т. е. приходит в движение, но пыль частицы продолжают оставаться в покое. Этот пример еще раз объясняет инерцию покоя, т. е. стремление тела оставаться в исходном состоянии.

7. Плоды и листья опадают на трясущихся ветвях деревьев

Вы когда-нибудь задумывались, почему плоды и листья опадают, когда вы сильно трясете ветки деревьев? Это потому, что когда ветвь дерева трясется, она приходит в состояние движения под действием прикладываемой вами силы, а листья и плоды продолжают оставаться на месте по инерции покоя и стремятся упасть.

8. Катание на скейтборде

Когда вы едете на скейтборде или тележке и ударяетесь о камень или тротуар, почему вы летите вперед? Это происходит потому, что ваш скейтборд останавливает движение; он ударяется о поверхность, но ваше тело продолжает двигаться вперед. В результате вы склонны падать вперед.

Часто задаваемые вопросы

1. Что такое нормальная сила?

A. Сила, действующая перпендикулярно поверхности контакта тела, называется нормальной силой. Это сила, с которой поверхности препятствуют скольжению и прохождению твердых тел друг через друга. Это контактная сила, поэтому, если поверхности двух объектов не соприкасаются, они не будут испытывать никакой нормальной силы.

2. Как автомобиль может стоять в состоянии покоя на холме?

A. Автомобиль может стоять в состоянии покоя на холме, когда три силы, действующие на него, имеют нулевую результирующую силу. Три силы — это вес, трение и нормальная сила реакции. Сила трения уравновешивает компонент веса вниз по склону.

3. Почему багаж привязан веревкой к крыше автобуса?

A. Багаж всегда привязан к крыше автобуса с помощью веревки, чтобы багаж не упал, когда автобус останавливается из-за инерции движения. Инерция движения заставляет багаж оставаться в состоянии движения, даже когда транспортное средство останавливается.

Заключение 

Первый закон движения Ньютона жизненно важен, потому что он объясняет, почему объект продолжает оставаться на своем месте даже спустя несколько часов. Это дает вам объяснение ваших повседневных жизненных ситуаций, таких как движение автобуса и внезапное движение назад. Первый закон, в дополнение к другим законам, составляет основу физики, которая помогает вам понять сложные концепции.

Inertia (глава из учебника Open Stax) – x-A-Learn PressBooks с законами Ньютона для C&BA

Pressbooks — первая часть — содержание вашей книги

1 Первый закон движения Ньютона: инерция (глава из учебника Open Stax)

Это часть главы из Open Stax College Physics. Это бесплатно, и я могу импортировать его и адаптировать для своего курса. Мои вопросы и др.

Цели обучения

В конце этого раздела студент сможет

• определить массу и инерцию
• определить первый закон движения Ньютона

Опыт показывает, что объект в состоянии покоя останется в покое, если оставить его в покое, и что объект в движении имеет тенденцию замедляться и останавливаться, если не предпринимать никаких усилий для поддержания его движения. Однако первый закон движения Ньютона утверждает следующее:

ПЕРВЫЙ ЗАКОН ДВИЖЕНИЯ НЬЮТОНА чистая внешняя сила.

Обратите внимание на повторное использование глагола «остается». Мы можем думать об этом законе как о сохранении статус-кво движения.

Вместо того, чтобы противоречить нашему опыту, Первый закон движения Ньютона утверждает, что должна быть причина (которая является чистой внешней силой) для любого изменения скорости (либо изменения величины, либо направления) . Мы определим чистую внешнюю силу в следующем разделе. Объект, скользящий по столу или полу, замедляется из-за суммарной силы трения, действующей на объект. Если трение исчезнет, ​​будет ли объект по-прежнему замедляться?

Представление о причине и следствии имеет решающее значение для точного описания того, что происходит в различных ситуациях. Например, рассмотрим, что происходит с объектом, скользящим по шероховатой горизонтальной поверхности. Объект быстро останавливается. Если мы посыпаем поверхность тальком, чтобы сделать поверхность более гладкой, объект будет скользить дальше. Если мы сделаем поверхность еще более гладкой, нанеся на нее смазочное масло, объект будет скользить еще дальше. Экстраполируя на поверхность без трения, мы можем представить объект, бесконечно скользящий по прямой линии. Таким образом, трение — это вызывает замедления (в соответствии с первым законом Ньютона). Объект вообще не замедлился бы, если бы трение было полностью устранено. Рассмотрим стол для аэрохоккея. Когда воздух отключен, шайба скользит только на короткое расстояние, прежде чем трение замедляет ее до остановки. Однако, когда воздух включен, создается поверхность, практически лишенная трения, и шайба скользит на большие расстояния, не замедляясь. Кроме того, если мы достаточно знаем о трении, мы можем точно предсказать, как быстро объект замедлится. Трение — это внешняя сила.

Key Takeaways

Первый закон Ньютона является абсолютно общим и может быть применен ко всему: от предмета, скользящего по столу, до спутника на орбите и до крови, перекачиваемой из сердца.

Эксперименты полностью подтвердили, что любое изменение скорости (скорости или направления) должно быть вызвано внешней силой. Идея общеприменимых или универсальных законов важна не только здесь — это основная черта всех законов физики. Выявление этих законов похоже на распознавание закономерностей в природе, из которых можно обнаружить дальнейшие закономерности. Гениальность Галилея, впервые разработавшего идею первого закона, и Ньютона, уточнившего его, состояла в том, чтобы задать основной вопрос…»

В чем причина?» Мышление в терминах причины и следствия — это мировоззрение, в корне отличное от типичного древнегреческого подхода, когда такие вопросы, как «Почему у тигра полосы?» ответили бы в аристотелевской манере: «Такова природа зверя». Возможно, это правда, но не полезное понимание.

Свойство тела оставаться в покое или двигаться с постоянной скоростью называется инерцией . Первый закон Ньютона часто называют 9-м.0003 закон инерции . Как мы знаем из опыта, одни объекты обладают большей инерцией, чем другие. Очевидно, что изменить движение большого валуна сложнее, чем, например, баскетбольного мяча. Инерция объекта измеряется его массой . Грубо говоря, масса — это мера количества «вещества» (или материи) в чем-либо. Количество или количество материи в объекте определяется количеством содержащихся в нем атомов и молекул различных типов. В отличие от веса, масса не зависит от местоположения. Масса объекта одинакова на Земле, на орбите или на поверхности Луны. На практике очень трудно сосчитать и идентифицировать все атомы и молекулы в объекте, поэтому массы не часто определяются таким образом. Оперативно массы предметов определяются путем сравнения с эталонным килограммом.

Исаак Ньютон писал в письме Роберту Гуку: «Если я и видел дальше, то потому, что стоял на плечах гигантов». ^[1]

• Первый закон движения Ньютона гласит, что тело в состоянии покоя остается в покое или, если оно находится в движении, остается в движении с постоянной скоростью, если на него не действует результирующая внешняя сила. Это также известно как закон инерции .
• Инерция — это тенденция объекта оставаться в покое или оставаться в движении. Инерция связана с массой объекта.
• Масса – количество вещества в веществе.

Введите здесь собственные упражнения. Вот данные из Open Stax College Physics

1. Уборщик толкает тележку для белья весом 4,00 кг так, что результирующая внешняя сила, действующая на нее, составляет 8,00 Н. Рассчитайте величину ее ускорения.

2. Поскольку астронавты на орбите, по-видимому, не имеют веса, необходим умный метод измерения их массы, чтобы контролировать их прирост или потерю массы для корректировки диеты. Один из способов сделать это — приложить к космонавту известную силу и измерить вызванное им ускорение. Предположим, что приложена чистая внешняя сила 50,0 Н, а измеренное ускорение космонавта равно 0,89.3 м/с ² . а) Вычислите ее массу. (b) Воздействуя на космонавта силой, транспортное средство, в котором они вращаются, испытывает равную и противоположную силу. Обсудите, как это повлияет на измерение ускорения космонавта. Предложите способ предотвращения отдачи автомобиля.

3. На Рисунке 4. 7, показанном здесь: чистая внешняя сила, действующая на 24-килограммовую косилку, равна 51 Н. Если сила трения, противодействующая движению, равна 24 Н, какую силу F  (в ньютонах) представляет человек, воздействующий на косилка? Предположим, косилка движется со скоростью 1,5 м/с, когда сила F удален. Какое расстояние пройдет косилка до остановки?

   Человек, толкающий газонокосилку. Изображение предоставлено: OpenStax College Physics, CC0.

 

 

---

1.   Ньютон, Исаак. «Письмо сэра Исаака Ньютона Роберту Гуку». Историческое общество Пенсильвании . ↵

Лицензия

Насколько это возможно по закону, Дженнифер Кирки и OpenStax отказались от всех авторских и смежных прав на x-A-Learn PressBooks with Newton’s Laws for C&BA, если не указано иное.

Поделиться этой книгой

Поделиться в Твиттере

Первый закон движения Ньютона — закон инерции

Хотя принципы движения Ньютона могут показаться нам сейчас простыми, столетия назад они были революционными. Законы движения объясняют, как ведут себя объекты, когда они неподвижны, движутся или находятся под действием сил. На этой странице описаны законы движения Ньютона, а также краткий обзор того, что они означают.

Законы движения определяют связь между телом и силами, действующими на него, а также движение тела в ответ на эти силы. Чтобы быть более точным, первое правило движения описывает силу качественно, второе правило движения дает количественную оценку силы, а третье правило движения утверждает, что не существует такой вещи, как единственная изолированная сила.

Первый закон Ньютона

Первый закон Ньютона гласит, что тело, находящееся в состоянии покоя или равномерного движения, будет оставаться в состоянии покоя или равномерного движения до тех пор, пока на него не будет воздействовать результирующая внешняя сила.

Закон инерции Галилея — это другое название первого закона движения Ньютона. Если внешняя сила не побуждает его изменить свое состояние, тело остается в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Сила определяется в законе как фактор, который может изменить состояние предмета.

Инерция — свойство тела, не позволяющее ему изменять свое состояние. Инерция поступательного движения измеряется массой тела.

Телу большей массы труднее изменить состояние покоя или равномерного движения, и наоборот.

• Масса тела является числовой или количественной мерой его инерции.
• Чем больше инерция тела, тем больше его масса.

Первый закон движения Ньютона

Первый закон движения зависит от трех условий:

1. Инерция покоя: Объект в состоянии покоя имеет тенденцию оставаться в покое, если на него не действует внешняя сила.

Примеры:

• Всадник падает назад, когда лошадь резко дергается.
• Манго падают с ветвей мангового дерева, когда мы их трясем.
• Когда одеяло бьют палкой, частицы пыли осыпаются.
• Пассажиры в автобусе или поезде, как правило, отскакивают назад, когда транспортное средство резко трогается с места.
• Монета помещается на картон, который затем кладется на стакан так, чтобы монета находилась над горлышком стакана. Теперь монета падает в тумблер, если резким движением снять картон.

2. Инерция движения: Движущийся объект имеет тенденцию оставаться в движении, если на него не действует внешняя сила.

Примеры:

• Боулер запускает мяч перед броском, поэтому скорость бега прибавляется к скорости мяча в момент броска.
• Пассажиры в автобусе или поезде наклоняются вперед при резкой остановке.
• Спортсмен пробегает определенное расстояние перед прыжком в длину, потому что скорость, полученная во время бега, добавляется к скорости спортсмена в момент прыжка, что позволяет ему прыгать дальше.
• Мяч, брошенный вверх пассажиром движущегося поезда, упадет в соответствии со скоростью поезда.
• Когда человек спрыгивает с движущегося поезда, он может упасть вперед.

3. Инерция направления: Тело не может изменить направление своего движения самостоятельно.

Примеры:

• Искры, возникающие при трении ножа о точильный камень, движутся по касательной.
• Грязь выплевывается вращающимися колесами автомобиля, но брызговики, установленные над колесами, препятствуют растеканию грязи.
• Когда прямолинейный автомобиль делает быстрый поворот, пассажир чувствует силу, распространяющуюся наружу.

Что такое внешняя сила?

Сила определяется как толчок или тяга, которые воздействуют или стремятся изменить состояние покоя или равномерного движения (с постоянной скоростью) тела в соответствии с первым законом движения Ньютона.

Внешняя сила — это сила, которая исходит извне объекта, а не изнутри него. Сила гравитации, действующая со стороны Земли на Луну, например, является внешней силой на Луне.

С другой стороны, сила тяжести, действующая внутренним ядром Луны на ее внешнюю кору, является внутренней силой на Луне. Внутренние силы внутри объекта не могут изменить общее движение объекта.

Эффекты равнодействующей силы:

• Может изменять направление движения.
• Может изменять скорость тела.
• Он может изменять направление и скорость движения.
• Способен начать или остановить движение неподвижного тела.
• Может изменять размер и/или форму тела.

Первый закон движения Ньютона Примеры из повседневной жизни

Ниже приведены некоторые примеры из повседневной жизни:

• Предположим, мы находимся в автобусе, который не движется. Мы почувствуем толчок в обратном направлении, если он внезапно начнет двигаться. Поскольку наше тело соприкасается с сиденьем автобуса и движется вместе с движением автобуса, а верхняя половина тела остается в покое благодаря инерции, мы испытываем толчок в направлении назад.
• Книга на столе не может изменить свое положение, пока к ней не приложена сила.
• Если мы толкнем мяч на землю, он должен продолжать двигаться последовательно вечно, но он остановится после того, как пройдет определенное расстояние. Как только мяч начинает двигаться, создается сила (сила трения), которая сопротивляется движению мяча.
• На карточке крошечная монета кладется на стакан. Пенни падает в стакан, когда карточка отбрасывается пальцем в сторону.

Примеры задач

Проблема 1. Почему объекты замедляются?

Решение:

Считалось, что замедление движения предметов было неотъемлемым свойством вещей до Ньютона и Галилея. В то время силы трения и гравитации были неизвестны. Сила трения сопротивляется движению объекта, заставляя его терять энергию и, следовательно, замедляться.

Например, когда мы наблюдаем, как игрушечная машинка движется по бетонной поверхности, скорость автомобиля определяется трением между дорогой и колесами автомобиля. Колесо встречает небольшое сопротивление, когда игрушечный автомобиль движется по гладкой поверхности. Это создаст фрикционное препятствие, позволяющее автомобилю ускоряться по всей гладкой поверхности плитки.

Это разительно отличается от того, когда игрушечный автомобиль едет по скользкой, покрытой гравием местности. Идея изменения состояния покоя или движения определяется первым законом движения Ньютона.

Задача 2. Что такое первый закон движения Ньютона?

Решение:

Первый закон движения Ньютона гласит, что покоящееся тело останется в покое, а движущееся тело останется в движении, если на него не действует внешняя сила.

Задача 3: Что такое движение?

Решение:

Изменение положения тела/объекта во времени называется движением. Расстояние, смещение, скорость, скорость и ускорение — это характеристики, используемые для характеристики движения.

Проблема 4: Что вы подразумеваете под силой?

Решение:

Сила определяется как толчок или тяга, которые воздействуют или стремятся изменить состояние покоя или равномерного движения (постоянной скорости) тела в соответствии с первым законом движения Ньютона.

Задача 5: Что такое инерция?

Решение:

Характеристика материи, которая позволяет ей оставаться в текущем состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока она не будет нарушена внешней силой, называется инерцией.

Понимание законов движения Ньютона

Роберт М. Хейзен, доктор философии, Университет Джорджа Мейсона

Исаак Ньютон пошел по пути, отличному от предыдущих ученых, и разделил физическое движение на две категории. Это различие между равномерным движением и ускорением было великим открытием, которое легло в основу трех законов движения Ньютона. Как эти предположения обеспечили совершенно иную перспективу научного понимания в его время?

Второй закон движения Ньютона определяет взаимосвязь между силой, массой и ускорением. (Изображение: BrainCityArts/Shutterstock)

Различные типы движения

Исаак Ньютон разделил физическое движение на две разные категории — равномерное и неравномерное движение. Это помогло ему сформулировать три закона движения. Ньютон рассматривал и объект, движущийся прямолинейно с постоянной скоростью, и, как частный случай, покоящийся объект как равномерное движение.

Ньютон классифицировал все другие мыслимые движения, включая движение планет по своим круговым орбитам, как неравномерное движение или ускорение.

Ньютон отличался от прежнего убеждения, что планеты, движущиеся по идеальному кругу с постоянной скоростью, находятся в равномерном движении. Любое изменение скорости и направления он определял как ускорение и поэтому утверждал, что орбитальное движение есть своего рода ускорение.

Это стенограмма из серии видео Радость науки . Смотрите прямо сейчас на Wondrium.

Математическая обработка ускорения

Ньютоновское определение ускорения описывает как положительное, так и отрицательное ускорение. В то время как ускорение называется положительным ускорением, действие замедления, например, торможение автомобиля, является отрицательным ускорением.

Математически ускорение выражается с помощью концепции вектора. В математическом векторе определены как направление, так и скорость. Его можно представить в виде стрелки, где стрелка обозначает направление, а длина соответствует скорости.

Узнайте больше о природе энергии.

Первый закон движения Ньютона

Каждое тело остается в состоянии покоя или равномерного движения по [прямой] линии, если только оно не вынуждено изменить это состояние под действием приложенных к нему сил.

Это означает, что объект не изменит своего движения, если на него не воздействует внешняя сила. Этот закон передает три различных типа поведения объектов. Первый заключается в том, что объект движется с постоянной скоростью в том же направлении, что и он. Однако в реальной жизни такая ситуация практически невозможна, так как вокруг нее все время действуют силы.

Ньютон подчеркивает, что если объект ускоряется, то в этом участвует сила. (Изображение: Фуад А. Саад/Shutterstock)

Другой тип поведения — это когда объект находится в состоянии покоя и продолжает оставаться в состоянии покоя без нарушения его скорости или направления. Это особый случай, когда вектор представляет собой просто точку.

И, наконец, третий и самый распространенный тип поведения — это когда объект ускоряется под действием силы. Хотя Ньютон не указывает тип силы в своем первом законе движения, он подчеркивает, что если объект ускоряется, то в этом участвует сила. Таким образом, первый закон Ньютона дает операциональное определение силы.

Узнайте больше о всемирной гравитации.

Второй закон движения Ньютона

Ускорение, создаваемое телом силой, пропорционально величине силы и обратно пропорционально массе объекта.

Другими словами, когда сила, действующая на объект, выше, ускорение также выше, но когда масса объекта увеличивается или выше, ускорение уменьшается. Следовательно, чем массивнее объект, тем большую силу необходимо приложить.

Второй закон определяет математическую зависимость между тремя измеряемыми величинами. Это может быть выражено как сила, равная массе, умноженной на ускорение. Единица измерения называется «ньютон», которую можно определить как силу, необходимую для ускорения массы в один килограмм на один метр в секунду за секунду (м/с ² ).

Применение второго закона движения в повседневной жизни

Сила математики в количественной оценке мира природы невероятна. Эти математические уравнения в сочетании с наукой помогают решать многие повседневные проблемы. Невероятно простое уравнение второго закона движения Ньютона помогает решать реальные задачи, такие как строительство прочных мостов и зданий или расчет силы, необходимой для вывода спутника на его орбиту.

Узнайте больше об упорядоченной вселенной.

Очень популярный третий закон движения Ньютона

На каждое действие есть равное и противоположное противодействие.

В своем третьем законе движения Исаак Ньютон предполагает, что силы всегда действуют одновременно парами. (Изображение: Fouad A. Saad/Shutterstock)

С помощью этого простого, но тонкого закона Ньютон предполагает, что силы всегда действуют парами одновременно. И эти силы равны и противоположны.

Например, когда для броска мяча прикладывается сила, мяч также воздействует на руку, когда выполняется действие броска.

Точно так же, если машина врезается в дерево, дерево воздействует на машину с той же силой, что и машина на дерево, но ущерб наносится им обоим. В обоих этих примерах очевидна одновременность сил, действующих попарно.

Общие вопросы о

Понимание законов движения Ньютона

В: Приведите несколько примеров использования второго закона движения Ньютона в повседневной жизни?

Второй закон движения Ньютона помогает решать реальные задачи, такие как строительство прочных мостов и зданий или расчет силы, необходимой для вывода спутника на его орбиту.

В: Как Ньютон классифицировал различные типы движения?

Ньютон разделил физическое движение на две разные категории — равномерное и неравномерное движение. Равномерное движение происходит, когда объект движется по прямой линии с постоянной скоростью или когда объект покоится. Все остальные движения классифицируются как неравномерное движение или ускорение.

В: Как Ньютон описывает ускорение?

Ньютон утверждает, что если объект ускоряется, то действует сила. Ньютон описывает ускорение как положительное, так и отрицательное. Ускорение называется положительным ускорением, а действие замедления, например, торможение автомобиля, называется отрицательным ускорением.

Продолжайте читать

Влияние Исаака Ньютона на современную науку
Ранние единые теории: Декарт, Ньютон и Максвелл
Кто изобрел исчисление: Ньютон или Лейбниц?

Законы и импульс Ньютона

Законы Ньютона и импульс

Сэр Исаак Ньютон сыграл важную роль в мире физики в конце семнадцатого века, и способ, которым мы можем объяснить повседневный мир, известен в его честь как ньютоновская физика.

Первый закон Ньютона

Первый закон Ньютона гласит, что тело останется неподвижным или будет двигаться с постоянной скоростью, если на него не действует равнодействующая сила. Я также покажу вам несколько примеров, в том числе, почему сила реакции/нормальная/контактная сила не равна весу.

Все экзаменационные доски

Второй закон Ньютона

F=ma хорошо, но не всегда правильно. Лучшее определение 2-го закона Ньютона состоит в том, что сила прямо пропорциональна скорости изменения импульса и действует в том же направлении (последняя часть действительно важна). Это охватывает примеры, когда масса или ускорение могут не оставаться постоянными.

Все экзаменационные доски

Игровая доска: Второй закон Ньютона

Расчет суммарной силы и ускорения

F=ma — вариант второго закона Ньютона, в котором масса объекта постоянна, а F представляет результирующую силу (или результирующая сила). Здесь я покажу вам простой пример, где F рассчитывается, позволяя вычислить ускорение, я также рассказываю о том, что происходит, когда F = 0.

Третий закон Ньютона

3-й закон Ньютона: если объект А действует на объект В, то объект В оказывает равную и противоположную силу того же типа на объект А (это лучше, чем «каждое действие имеет равную и противоположную реакцию»). Звучит просто, но многим людям трудно идентифицировать себя в вопросах.

Все экзаменационные доски

Игровая доска: 3-й закон Ньютона

Линейный импульс

Линейный импульс определяется как «произведение массы объекта на скорость». Это просто, но почему импульс имеет символ «p»? Это видео начинается с основ, прежде чем мы рассмотрим сохранение линейного импульса в следующем видео.

Все экзаменационные доски

Закон сохранения импульса

Как быстро происходит отдача пистолета при выстреле? Вы можете вычислить ответ, учитывая сохранение импульса для замкнутой системы.

​

Принцип сохранения импульса гласит, что для замкнутой системы полный импульс остается одним и тем же до и после столкновения.

Все экзаменационные доски

Игровая доска: Импульс и столкновения

Импульс (и как продеть соломинку через картошку)

Когда сила действует какое-то время, она изменяет импульс объекта. Это полезно, если вам нужно объяснить, как подушка безопасности в автомобиле снижает силу воздействия на человека или даже как проткнуть соломинку картофелину!

​

Импульс силы определяется как произведение силы на время, в течение которого она действует.

Все экзаменационные доски

Игровая доска: Force and Momentum

Игровое поле: Импульс

Упругие и неупругие столкновения

Импульс всегда сохраняется, и полная энергия должна оставаться постоянной, но как насчет кинетической энергии?

​

При упругом столкновении полная кинетическая энергия сохраняется, при неупругом столкновении часть кинетической энергии теряется системой, а при совершенно неупругом столкновении два объекта слипаются после столкновения и удаляются вместе.

Все экзаменационные доски

Законы движения Ньютона – TeachEngineering

Три закона движения Ньютона помогите объяснить повседневные явления, которые мы наблюдаем в мир вокруг нас. Инженеры используют Ньютона законы для навигации в космосе, симуляции столкновений транспортных средств для улучшения мер безопасности и разработки простых устройств, таких как ножницы!

Тело в состоянии покоя останется в покое, а тело в движении останется в движении, пока на него не подействуют внешние силы.

Сила равна произведению массы на ускорение. Для объекта с постоянной массой (m) этот закон гласит, что сила (F) есть произведение массы объекта на его ускорение (a): F = ma

Для каждого действия существует равное и противоположное реакция. Этот закон также известен как закон действия и противодействия.

Инженеры применяют законы движения Ньютона в самых разных конструкциях, включая стационарные и движущиеся объекты, включая конструкции, такие как мосты, транспортные средства, такие как ракеты и самолеты, а также другие часто используемые объекты, такие как ремни безопасности, дверные ручки и системы доставки лекарств.

Инженеры должны полностью понимать работу естественных физических законов, чтобы они могли проектировать объекты, которые функционируют должным образом и безопасны в использовании.

Ознакомьтесь с приведенными ниже учебными планами, чтобы помочь учащимся понять повседневные явления, связанные с законами движения Ньютона!

Законы движения Ньютона Учебная программа

Классы K-2

• Скоро!

---

Классы 3-5

• Ньютон заставляет меня двигаться

  Ньютон заставляет меня двигаться

  Студенты изучают движение, ракеты и движение ракет, помогая космонавту Тесс, космонавту Рохану и Майе в их исследованиях. Сначала они узнают некоторые основные факты о транспортных средствах, ракетах и ​​о том, почему мы их используем. Затем они обнаруживают, что движение всех объектов, включая полет ракеты и движение. ..

• Ракетный автомобиль Newton

  Ракетный автомобиль Newton

  Благодаря использованию небольших деревянных машин эта деятельность демонстрирует третий закон движения Ньютона, который гласит, что каждое действие имеет равное и противоположное противодействие. «Ракетные автомобили Ньютона», собранные учащимися, показывают, как работает действие/противодействие и как масса движущегося объекта влияет на ускорение…

• Ракетная мощь

  Ракетная мощь

  Делая и испытывая простые ракеты-баллоны, учащиеся приобретают базовое понимание третьего закона движения Ньютона применительно к ракетам. Используя воздушные шары, веревки, соломинки и ленту, они видят, как ракеты приводятся в движение за счет выбрасывания газов, и испытывают свои ракеты в горизонтальном и наклонном условиях. …

• Использование тяги, веса и контроля: Запустите меня в космос

  Использование тяги, веса и контроля: Запустите меня в космос

  Благодаря продолжающейся сюжетной линии подразделения «Ракеты» этот урок более подробно рассматривает космонавта Рохана, космонавта Тесс, их дочь Майю и их проблемы, связанные с полетом в космос, установкой спутников и исследованием неизведанных вод на каноэ. Студенты знакомятся с идеями тяги,…

• Поп-ракеты

  Поп-ракеты

  Учащиеся проектируют и строят бумажные ракеты вокруг канистр с пленкой, которые служат двигателями. В каждую канистру помещают таблетку антацида и воду, которые вступают в реакцию с образованием углекислого газа и действуют как топливо для поп-ракеты. При закрытой крышке постоянное образование газа вызывает повышение давления…

• Узнать больше

---

6-8 классы

• Физика Перетягивание каната

  Физика Перетягивание каната

  Учащиеся узнают о втором законе движения Ньютона: сила = масса x ускорение. В экспериментальной установке «перетягивание каната» с использованием скрепок, резиновых лент и учебников они собирают данные и производят расчеты, видя, что сила, необходимая для перемещения книги, пропорциональна ее весу.

• Раздвижные учебники

  Раздвижные учебники

  В кульминации занятия учащиеся изучают и применяют свои знания о силах, трении, ускорении и гравитации в эксперименте, состоящем из двух частей. Во-первых, группы студентов измеряют среднее ускорение учебника, который тянется по столу, с разным весом (с дополнительными расширениями, такими как …

• Что такое первый закон Ньютона?

  Что такое первый закон Ньютона?

  Студенты знакомятся с понятиями силы, инерции и первого закона движения Ньютона: объекты в состоянии покоя остаются в состоянии покоя, а объекты в движении остаются в движении, если на них не действует неуравновешенная сила. Учащиеся узнают разницу между скоростью, скоростью и ускорением и приходят к выводу, что ча…

• Что такое второй закон Ньютона?

  Что такое второй закон Ньютона?

  Студенты знакомятся со вторым законом движения Ньютона: сила = масса x ускорение. Обсуждаются как математическое уравнение, так и физические примеры, в том числе машина Этвуда для иллюстрации принципа. Учащиеся приходят к пониманию того, что ускорение объекта зависит от его массы и силы…

• Что такое третий закон Ньютона?

  Что такое третий закон Ньютона?

  Студенты знакомятся с третьим законом движения Ньютона: на каждое действие есть равное и противоположное противодействие. Они практикуются в определении пар силы действие-противодействие на различных примерах из реальной жизни, а также рисуют и объясняют упрощенные векторы диаграммы свободного тела (стрелки) силы, скорости и ак…

• Узнать больше

---

9-12 классы

• Время запуска ракеты: стильный полет

  Время запуска ракеты: стильный полет

  По мере того, как учащиеся начинают понимать физику тяги, сопротивления и гравитации и то, как они соотносятся с тремя законами движения Ньютона, группы собирают и запускают ракеты, которые они разработали на соответствующем уроке. Высота ракет после сборки и запуска измеряется и ком…

• Ракетные расчеты: Хьюстон, у нас проблема!

  Ракетные расчеты: Хьюстон, у нас проблема!

  Они узнают о проблемах проектирования, с которыми сталкиваются аэрокосмические инженеры, пытаясь запустить ракеты или спутники, чтобы безопасно приземлиться — например, в океане.

• Ракеты!

  Ракеты!

  Студенты знакомятся со статикой и динамикой, диаграммами свободного тела, горением и термодинамикой, чтобы получить представление о силах, необходимых для отрыва ракет от земли. Они узнают, что для запуска ракет в космос необходима сила тяги, а энергия для тяги запасается в виде химической энергии…

• Когда мне пить горячий шоколад?

  Когда пить горячий шоколад?

  Учащиеся выступают в роли инженеров-пищевиков, изучая и применяя свое понимание скорости охлаждения и удельной теплоемкости, выполняя две отдельные, но взаимосвязанные задачи. Они собирают и отображают данные для создания математической модели, представляющей скорость охлаждения, и используют экспоненциальную …

• Слайдеры (для средней школы)

  Слайдеры (для средней школы)

  В ходе этого практического занятия учащиеся узнают о двух типах трения — статическом и кинетическом — и об уравнении, которое ими управляет. Они также экспериментально измеряют коэффициент статического трения и коэффициент кинетического трения.

• Узнать больше

---

Аква-двигатели!

Учащиеся строят небольшие модели лодок с ракетным двигателем («аква-двигатели»), сделанные из баллончиков с пленкой, приводимых в движение газообразным диоксидом углерода, образующимся в результате химической реакции между таблетками антацида и водой.

Мероприятия

Взрыв: создание ракетной тяги с помощью топлива

Учащиеся узнают, как создается ракетная тяга с помощью топлива. Обсуждаются два типа топлива — жидкое и твердое — и исследуется их связь с использованием в ракетах. Студенты узнают, почему инженерам необходимо знать различные свойства топлива.

Урок

Ограничения: Pop Rockets при ограниченном бюджете

Ваши студенты были наняты, чтобы построить поп-ракету, но с ограниченным бюджетом. Инженерный дизайн обычно имеет некоторые ограничения, и у вас не всегда будет доступ к материалам, которые, по вашему мнению, могут вам понадобиться. Но с помощью мозгового штурма, проб и ошибок вполне возможен запуск ракеты!

Мероприятия

Место назначения Космос

Учащиеся получают базовое представление о науке и технике космических путешествий, а также краткую историю исследования космоса. Они узнают об ученых и инженерах, сделавших возможными космические путешествия, и кратко изучают некоторые известные космические миссии.

Урок

Тайна топлива раскрыта!

Учащиеся исследуют имитацию использования твердого ракетного топлива с помощью таблетки антацида. Они наблюдают влияние площади поверхности и температуры на химические реакции. Они также сравнивают время реакции с использованием двух разных реагентов: воды и уксуса.

Мероприятия

Научитесь строить ракету за пять дней или верните деньги

Студенты открывают для себя весь процесс проектирования ракет. Они узнают о многих важных аспектах, таких как поставки, этика, сроки и бюджеты. Они также узнают о процессе инженерного проектирования и о том, что первый проект почти никогда не является окончательным.

Урок

Ньютон заставляет меня двигаться

Студенты изучают движение, ракеты и движение ракет, помогая космонавту Тесс, космонавту Рохану и Майе в их исследованиях. Сначала они узнают некоторые основные факты о транспортных средствах, ракетах и ​​о том, почему мы их используем. Затем они обнаруживают, что движение всех объектов, включая полет ракеты и движение…

Урок

Ракета Ньютон

Благодаря использованию небольших деревянных машин эта деятельность демонстрирует третий закон движения Ньютона, который гласит, что каждое действие имеет равное и противоположное противодействие. «Ракетные машины Ньютона», собранные учащимися, показывают, как работает действие/противодействие и как масса движущегося объекта влияет на ускорение…

Мероприятия

Поп-ракеты

Учащиеся проектируют и строят бумажные ракеты вокруг канистр с пленкой, которые служат двигателями. В каждую канистру помещают таблетку антацида и воду, которые вступают в реакцию с образованием углекислого газа и действуют как топливо для поп-ракеты. При закрытой крышке постоянное образование газа приводит к падению давления…

Мероприятия

Ракетная мощь

Делая и испытывая простые ракеты-баллоны, учащиеся приобретают базовое понимание третьего закона движения Ньютона применительно к ракетам. Используя воздушные шары, веревки, соломинки и ленту, они видят, как ракеты приводятся в движение за счет выбрасывания газов, и испытывают свои ракеты в горизонтальном и наклонном условиях. …

Мероприятия

Соломинки и толкатели

Студенты исследуют влияние тяги на полет ракеты. Учащиеся делают две бумажные ракеты, которые они могут запускать сами, дуя через соломинку для питья.

Мероприятия

Стильное качание

Учащиеся на собственном опыте узнают о характеристиках простого физического явления — маятника — катаясь на качелях на игровой площадке. Они используют условия маятника и таймер, чтобы экспериментировать с переменными колебаниями. Они расширяют свои знания, следуя шагам процесса инженерного проектирования, чтобы спроектировать …

Мероприятия

Использование тяги, веса и контроля: запустите меня в космос

Благодаря продолжающейся сюжетной линии подразделения «Ракеты» этот урок более подробно рассматривает космонавта Рохана, космонавта Тесс, их дочь Майю и их проблемы, связанные с полетом в космос, установкой спутников и исследованием неизведанных вод на каноэ. Студенты знакомятся с идеями тяги,…

Урок

Ракета действия-реакции!

Учащиеся делают ракеты, которые летят по струне.

Неформальная учебная деятельность

Действие-реакция! Ракета

Учащиеся строят ракеты из воздушных шаров, движущихся по направляющей струне. Они используют эту модель, чтобы узнать о трех законах движения Ньютона, исследуя влияние различных сил на движение ракеты.

Мероприятия

Катапульты!

Учащиеся наблюдают взаимосвязь между углом катапульты (измерение силы) и полетом ватного тампона. Они узнают, как работает второй закон Ньютона, непосредственно увидев, что F = ma

Мероприятия

Равнонаправленная и противоположная тяга в самолете: ты слабак!

Благодаря этой деятельности демонстрируется третий закон движения Ньютона, который является физическим законом, управляющим тягой в самолетах. Руководствуясь рабочим листом, учащиеся выполняют несколько действий — толкают стены, выпускают воздух из воздушных шаров, — которые показывают, что на каждое действие есть равное и противоположное противодействие. ..

Мероприятия

Изучение линейного импульса

Учащиеся также исследуют психологический феномен импульса; они видят, как «большой мо» эффекта побеждающей стороны способствует развитию увлечений и маний, и как современные технологии и средства массовой информации ускоряют и усиливают этот эффект.

Урок

Убери меня с этой планеты

Цель этого урока – научить учащихся тому, как космический корабль попадает с поверхности Земли на Марс. Студенты сначала исследуют ракеты и то, как они могут доставить нас в космос. Наконец, обсуждается природа орбиты, а также то, как орбиты позволяют нам перемещаться с планеты на планету — спец…

Урок

Как все рушится?

Студенты узнают больше о силах, исследуя силу гравитационного притяжения. Они наблюдают, как объекты падают, и измеряют силу гравитационного притяжения объектов.

Урок

В космос!

При сборке и тестировании моделей ракет, работающих на антацидных таблетках, учащиеся знакомятся с основными понятиями физики о том, как работают ракеты. Учащиеся пересматривают и улучшают свои первоначальные проекты.

Мероприятия

Протянуть руку помощи: обучение силам посредством разработки вспомогательных устройств

Учащиеся узнают, как инженеры-биомедики создают вспомогательные устройства для людей с нарушениями мелкой моторики. Они делают это, проектируя, строя и тестируя свои собственные прототипы ручных «захватов», которые могут захватывать и поднимать чашку с песком объемом 200 мл.

Мероприятия

Движение Волнение

Учащиеся узнают, почему и как происходит движение и что управляет изменениями в движении, как описано в трех законах движения Ньютона. Они приобретают практический опыт работы с концепциями сил, изменений в движении, действиях и противодействиях. В ходе связанного с обучением грамоте занятия учащиеся разрабатывают поведенческий опрос и…

Урок

Закон охлаждения Ньютона

Студенты приходят, чтобы увидеть экспоненциальную тенденцию, демонстрируемую изменением температуры, измеренной при нагревании и охлаждении стакана с водой. Эта задача выполняется путем обращения к реальному опыту учащихся в области нагрева и охлаждения и демонстрации примера экспоненциальной кривой.

Мероприятия

Физика Перетягивание каната

Учащиеся узнают о втором законе движения Ньютона: сила = масса x ускорение. В экспериментальной установке «перетягивание каната» с использованием скрепок, резиновых лент и учебников они собирают данные и производят расчеты, видя, что сила, необходимая для перемещения книги, пропорциональна ее весу.

Мероприятия

Красный свет, зеленый свет: силы трения, дороги и шины

Основываясь на своем понимании сил и законов движения Ньютона, учащиеся узнают о силе трения, особенно в отношении автомобилей. Они исследуют трение между шинами и дорогой, чтобы узнать, как оно влияет на движение автомобилей во время вождения.

Урок

Катастрофа на скейтборде

Студенты исследуют столкновения между двумя скейтбордами с разной массой, чтобы узнать о сохранении импульса при столкновениях.

Мероприятия

Раздвижные учебники

В кульминации занятия учащиеся изучают и применяют свои знания о силах, трении, ускорении и гравитации в эксперименте, состоящем из двух частей. Во-первых, группы учащихся измеряют среднее ускорение учебника, который тянется по столу, с разным весом (с дополнительными расширениями, такими как …

Мероприятия

Солнечные паруса: будущее космических путешествий

Работая, как если бы они были инженерами, студенты проектируют и строят модели солнечных парусов из алюминиевой фольги, чтобы перемещать спутники из картонных трубок через «космос» на веревке. Работая в командах, они следуют шагам инженерного проектирования — спрашивайте, исследуйте, представляйте, планируйте, создавайте, тестируйте, улучшайте — чтобы спроектировать…

Мероприятия

Аварийная конструкция снегоходов в Швейцарских Альпах

Студенты выступают в роли инженеров, чтобы решить гипотетическую проблему, возникшую в швейцарских Альпах из-за стихийного сейсмического бедствия. Работая в группах, они следят за этапами процесса инженерного проектирования для создания моделей саней, отвечающих требованиям по перевозке материалов людям, терпящим бедствие, которые живут…

Мероприятия

Что такое первый закон Ньютона?

Студенты знакомятся с понятиями силы, инерции и первого закона движения Ньютона: объекты в состоянии покоя остаются в состоянии покоя, а объекты в движении остаются в движении, если на них не действует неуравновешенная сила. Студенты изучают разницу между скоростью, скоростью и ускорением и приходят к выводу, что ча…

Урок

Что такое второй закон Ньютона?

Студенты знакомятся со вторым законом движения Ньютона: сила = масса x ускорение. Обсуждаются как математическое уравнение, так и физические примеры, в том числе машина Этвуда для иллюстрации принципа. Учащиеся приходят к пониманию того, что ускорение объекта зависит от его массы и силы…

Урок

Что такое третий закон Ньютона?

Студенты знакомятся с третьим законом движения Ньютона: на каждое действие есть равное и противоположное противодействие. Они практикуются в определении пар сил «действие-противодействие» на различных примерах из реальной жизни, а также рисуют и объясняют упрощенные векторы диаграммы свободного тела (стрелки) силы, скорости и ак. ..

Урок

Ускорение Android

Учащиеся готовятся к соответствующему упражнению, в ходе которого они исследуют ускорение, собирая данные об ускорении в зависимости от времени с помощью акселерометра скользящего устройства Android. На основе экспериментальной установки для деятельности учащиеся формируют гипотезы об ускорении устройства. Студенты…

Урок

Изучение ускорения с помощью Android

Студенты проводят эксперимент по изучению ускорения мобильного Android-устройства. Во время эксперимента они запускают приложение, созданное с помощью App Inventor Массачусетского технологического института, которое отслеживает линейное ускорение в одном измерении. Учащиеся используют уравнение зависимости ускорения от времени, чтобы вычислить приблизительную скорость …

Мероприятия

Как тянуть что-то тяжелое

Учащиеся измеряют и анализируют силы, действующие на транспортные средства, тянущие тяжелые предметы при движении с постоянной скоростью по поверхности трения. Они изучают, как автомобили взаимодействуют с окружающей средой посредством сил, и узнают, какие параметры в конструкции автомобилей и окружающей среды могут быть изменены …

Мероприятия

Время запуска ракеты: стильный полет

По мере того, как учащиеся начинают понимать физику тяги, сопротивления и гравитации и то, как они соотносятся с тремя законами движения Ньютона, группы собирают и запускают ракеты, которые они разработали на соответствующем уроке. Высота ракет после сборки и запуска измеряется и ком…

Мероприятия

Ракетные расчеты: Хьюстон, у нас проблема!

Они узнают о проблемах проектирования, с которыми сталкиваются аэрокосмические инженеры, пытаясь запустить ракеты или спутники, чтобы безопасно приземлиться — например, в океане.

Урок

Ракеты!

Студенты знакомятся со статикой и динамикой, диаграммами свободного тела, горением и термодинамикой, чтобы получить представление о силах, необходимых для отрыва ракет от земли. Они узнают, что для запуска ракет в космос необходима сила тяги, а энергия для тяги запасается в виде химической энергии…

Урок

Обувь под давлением

Учащиеся изучают основы физики ходьбы, а также дизайн и конструкцию обуви, подходящей для разных походок. Они знакомятся с давлением, силой и импульсом, когда речь идет об обуви, ходьбе и беге. Учащиеся узнают о механике ходьбы, дизайне обуви и общих ошибках при ходьбе…

Урок

Слайдеры (для средней школы)

В ходе этого практического занятия учащиеся узнают о двух типах трения — статическом и кинетическом — и об уравнении, которое ими управляет. Они также экспериментально измеряют коэффициент статического трения и коэффициент кинетического трения.

Мероприятия

Когда пить горячий шоколад?

Учащиеся выступают в роли инженеров-пищевиков, изучая и применяя свое понимание скорости охлаждения и удельной теплоемкости, выполняя две отдельные, но взаимосвязанные задачи.