Сформулировать 1 закон ньютона: Что такое первый закон Ньютона? (статья)

Первый Закон Ньютона | это… Что такое Первый Закон Ньютона?

ТолкованиеПеревод

Первый Закон Ньютона

Зако́н ине́рции (Первый закон Нью́тона): свободное тело, на которое не действуют силы со стороны других тел, находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения (понятие скорости здесь применяется к центру масс тела в случае непоступательного движения). Иными словами, телам свойственна ине́рция (от лат. inertia — «бездеятельность», «косность»), то есть явление сохранения скорости, если внешние воздействия на них скомпенсированы.

Первый закон Ньютона с точки зрения современных представлений можно сформулировать так: существуют такие системы отсчета, относительно которых тело (материальная точка) при отсутствии на него внешних воздействий (или при их взаимной компенсации) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.

Системы отсчёта, в которых выполняется закон инерции, называют инерциальными системами отсчёта (ИСО).

Явлением инерции также является возникновение фиктивных сил инерции в неинерциальных системах отсчета.

Впервые закон инерции был сформулирован Галилео Галилеем, который после множества опытов заключил, что для движения свободного тела с постоянной скоростью не нужно какой-либо внешней причины. До этого общепринятой была иная точка зрения (восходящая к Аристотелю): свободное тело находится в состоянии покоя, а для движения с постоянной скоростью необходимо приложение постоянной силы.

Впоследствии Ньютон сформулировал закон инерции в качестве первого из трёх своих знаменитых законов.

Принцип относительности Галилея: во всех инерциальных системах отсчета все физические процессы протекают одинаково(если условия для всех тел одинаковы). В системе отсчета, приведенной в состояние покоя или равномерного прямолинейного движения относительно инерциальной системы отсчета (условно — «покоящейся») все процессы протекают точно так же, как и в покоящейся системе.

Следует отметить что понятие инерциальной системы отсчета — абстрактная модель (некий идеальный объект рассматриваемый вместо реального объекта. Примерами абстрактной модели служат абсолютно твердое тело или невесомая нить), реальные системы отсчета всегда связаны с каким-либо объектом и соответствие реально наблюдаемого движения тел в таких системах с результатами расчетов будет неполным.

См. также

• Законы Ньютона
• Сила инерции
• Момент инерции
• Принцип Маха
• Механика

Литература

Ссылки

• Masreliez, C J; Dynamic incremental scale transition with application to physics and cosmology, Physica Scripta (oct 2007)
• Masreliez C. J., Motion, Inertia and Special Relativity — a Novel Perspective, Physica Scripta, (dec 2006)
• Masreliez C. J., On the origin of inertial force, Apeiron (2006)

Wikimedia Foundation. 2010.

Игры ⚽ Поможем написать реферат

• Первый Дивизион ПФЛ
• Первый Зимний мост

Полезное

Взаимодействие тел в природе.

Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета. Физика. 1 курс НПО и СПО. – Объяснение нового материала.

Комментарии преподавателя

Ди­на­ми­ка изу­ча­ет при­чи­ны, по ко­то­рым тело на­чи­на­ет дви­гать­ся, на­чи­на­ет из­ме­нять свою ско­рость. А при каких же со­сто­я­ни­ях тело на­хо­дит­ся в со­сто­я­нии покоя, когда его ско­рость равна нулю? Какие усло­вия необ­хо­ди­мы для рав­но­мер­но­го пря­мо­ли­ней­но­го дви­же­ния, когда ско­рость по­сто­ян­на?

На­ри­су­ем схе­ма­ти­че­ски тело, на­хо­дя­ще­е­ся в со­сто­я­нии покоя (рис. 1).

 

Рис. 1. Тело на­хо­дит­ся в со­сто­я­нии покоя

Тело под­ве­ше­но на нити к шта­ти­ву, тело на­хо­дит­ся в со­сто­я­нии покоя, то есть его ско­рость равна нулю. Какие тела дей­ству­ют на этот шарик? Это Земля – при­тя­же­ние Земли и на­тя­же­ние нити. По­лу­ча­ет­ся, что при­тя­же­ние Земли и на­тя­же­ние нити вза­им­но ком­пен­си­ру­ют друг друга, то есть тело на­хо­дит­ся в со­сто­я­нии покоя, если дей­ствие на него дру­гих тел ском­пен­си­ро­ва­но.

Если бы шарик на­хо­дил­ся в со­сто­я­нии покоя в без­воз­душ­ном про­стран­стве, в ва­ку­у­ме, где на него во­об­ще ни­че­го не дей­ству­ет, то он бы тоже на­хо­дил­ся в со­сто­я­нии покоя.

Тело на­хо­дит­ся в со­сто­я­нии покоя, если дей­ствия на него дру­гих сил ском­пен­си­ро­ва­ны или на него ни­че­го не дей­ству­ет.

Пе­рей­дем к со­сто­я­нию рав­но­мер­но­го пря­мо­ли­ней­но­го дви­же­ния. При каких же усло­ви­ях ско­рость тела оста­ет­ся кон­стан­той?

Рас­смот­рим слу­чай, в ко­то­ром ка­тит­ся шарик по аб­со­лют­но глад­кой по­верх­но­сти и пол­но­стью от­сут­ству­ет со­про­тив­ле­ние воз­ду­ха (рис. 2).

 

Рис. 2. Рав­но­мер­ное пря­мо­ли­ней­ное дви­же­ние

При от­сут­ствии со­про­тив­ле­ния воз­ду­ха и сил тре­ния шарик ни­ко­гда не оста­но­вит­ся, его ско­рость будет оста­вать­ся по­сто­ян­ной. Это зна­чит, что тело на­хо­дит­ся в со­сто­я­нии рав­но­мер­но­го пря­мо­ли­ней­но­го дви­же­ния, на тело дей­ству­ет толь­ко Земля и сила ре­ак­ции опоры, но на дви­же­ние ша­ри­ка в го­ри­зон­таль­ном на­прав­ле­нии они ни­ка­ко­го вли­я­ния не ока­зы­ва­ют.

Ари­сто­тель счи­тал, что для того, чтобы тело дви­га­лось с по­сто­ян­ной ско­ро­стью, необ­хо­ди­мо на него ока­зать дей­ствие дру­ги­ми те­ла­ми. Дей­ствие дру­гих тел на ис­сле­ду­е­мое тело – это при­чи­на на­ли­чия у него ско­ро­сти, счи­тал Ари­сто­тель. Га­ли­лей впер­вые ука­зал, что дей­ствие на тело дру­гих тел – это не при­чи­на на­ли­чия у тела ско­ро­сти, а при­чи­на из­ме­не­ния ско­ро­сти, то есть по­яв­ле­ние у тела уско­ре­ния.

Для того чтобы тело на­хо­ди­лось в со­сто­я­нии покоя или дви­га­лось рав­но­мер­но и пря­мо­ли­ней­но, необ­хо­ди­мо вы­пол­не­ние оди­на­ко­вых усло­вий: либо на тело ни­че­го не дей­ству­ет, либо дей­ствие на него дру­гих тел ком­пен­си­ро­ва­но.

Дви­же­ние – это по­ня­тие от­но­си­тель­ное и за­ви­ся­щее от си­сте­мы от­сче­та, ко­то­рые бы­ва­ют инер­ци­аль­ные и неинер­ци­аль­ные. Инер­ци­аль­ная си­сте­ма от­сче­та – когда тело на­хо­дит­ся в со­сто­я­нии покоя или дви­жет­ся рав­но­мер­но и пря­мо­ли­ней­но. Сфор­му­ли­ру­ем пер­вый закон Нью­то­на.

Су­ще­ству­ют такие си­сте­мы от­сче­та, в ко­то­рых тело на­хо­дит­ся в со­сто­я­нии покоя или рав­но­мер­но­го и пря­мо­ли­ней­но­го дви­же­ния, если на это тело не дей­ству­ют дру­гие тела или их дей­ствие вза­им­но ском­пен­си­ро­ва­но.

Инер­ци­аль­ная си­сте­ма от­сче­та – это очень удоб­ная мо­дель для опи­са­ния дви­же­ния тела и при­чин, ко­то­рые вы­зы­ва­ют такое дви­же­ние. Фи­зи­ка не все­гда поль­зо­ва­лась по­ня­ти­ем «инер­ци­аль­ная си­сте­ма от­сче­та», впер­вые это по­ня­тие по­яви­лось бла­го­да­ря Иса­а­ку Нью­то­ну. Древ­ние греки пред­став­ля­ли себе дви­же­ние со­всем по-ино­му.

Со­глас­но Ари­сто­те­лю, су­ще­ству­ет един­ствен­ная инер­ци­аль­ная си­сте­ма от­сче­та, эта си­сте­ма от­сче­та свя­за­на с Зем­лей. Все осталь­ные си­сте­мы от­сче­та вто­ро­сте­пен­ны. Со­от­вет­ствен­но, все дви­же­ния, ко­то­рые по­лу­ча­ет тело, от­но­си­тель­но Земли на­зы­ва­ют­ся

есте­ствен­ны­ми, в про­тив­ном слу­чае – вы­нуж­ден­ны­ми. Самый про­стой при­мер есте­ствен­но­го дви­же­ния – это сво­бод­ное па­де­ние тела на Землю. Дей­стви­тель­но, Земля в этом слу­чае со­об­ща­ет телу ско­рость. В ка­че­стве при­ме­ра при­ну­ди­тель­но­го дви­же­ния Ари­сто­тель при­во­дил дви­же­ние те­ле­ги с ло­ша­дью (рис. 3).

 

Рис. 3. При­ну­ди­тель­ное дви­же­ние по Ари­сто­те­лю

Пока ло­шадь при­ла­га­ет силу, те­ле­га дви­жет­ся, как толь­ко ло­шадь оста­но­ви­лась, то оста­нав­ли­ва­ет­ся и те­ле­га – нет силы, нет и ско­ро­сти. Со­глас­но Ари­сто­те­лю, имен­но сила объ­яс­ня­ет у тела на­ли­чие ско­ро­сти. Ка­за­лось бы, все на­столь­ко оче­вид­но, что ни­ка­ких во­про­сов быть не долж­но.

Га­ли­лео Га­ли­лей сфор­му­ли­ро­вал прин­цип инер­ции: при­чи­на из­ме­не­ния ско­ро­сти – это дей­ствие на тело дру­гих тел. Если на тело не дей­ству­ют дру­гие тела или это дей­ствие ском­пен­си­ро­ва­но, то ско­рость тела ме­нять­ся не будет. Пред­по­чти­тель­ным со­сто­я­ни­ем тела яв­ля­ет­ся не толь­ко покой, но и рав­но­мер­ное пря­мо­ли­ней­ное дви­же­ние.

Ино­гда можно столк­нуть­ся с фор­му­ли­ров­кой пер­во­го за­ко­на Нью­то­на:

Если на тело не дей­ству­ют ни­ка­кие тела либо их дей­ствие вза­им­но урав­но­ве­ше­но (ском­пен­си­ро­ва­но), то это тело будет на­хо­дить­ся в со­сто­я­нии покоя или дви­гать­ся рав­но­мер­но и пря­мо­ли­ней­но, то есть со­хра­нять свою ско­рость.

Все­гда ли это вы­ра­же­ние кор­рект­но? Рас­смот­рим такую си­ту­а­цию (рис. 4):

 

Рис. 4. Инер­ци­аль­ная и неинер­ци­аль­ная си­сте­мы от­сче­та

Вагон по­ез­да, у ко­то­ро­го за­на­ве­ше­ны все окна, то есть пас­са­жир по­ез­да не видит, дви­жет­ся поезд от­но­си­тель­но тел, на­хо­дя­щих­ся на улице или нет. У нас две си­сте­мы от­сче­та – си­сте­ма от­сче­та пас­са­жи­ра «маль­чик» и си­сте­ма от­сче­та на­блю­да­те­ля на земле «де­воч­ка». Поезд на­чи­на­ет уско­рять­ся, то есть ско­рость его уве­ли­чи­ва­ет­ся. Что про­изой­дет с яб­ло­ком, ко­то­рое лежит на сто­ли­ке по­ез­да? Яб­ло­ко по инер­ции по­ка­тит­ся в про­ти­во­по­лож­ную сто­ро­ну.

Маль­чик не видит, что поезд начал раз­го­нять­ся, и вдруг яб­ло­ко, ко­то­рое на­хо­ди­лось в со­сто­я­нии покоя, на­чи­на­ет на него ка­тить­ся. Он в недо­уме­нии, ведь на яб­ло­ко не дей­ство­ва­ли ни­ка­кие силы. У маль­чи­ка воз­ни­ка­ет во­прос: может, ме­ха­ни­ка Нью­то­на не спра­вед­ли­ва, ведь яб­ло­ко на­хо­ди­лось в со­сто­я­нии покоя? У де­воч­ки та­ко­го во­про­са не воз­ни­ка­ет, ведь тело дви­жет­ся по инер­ции. По­это­му мы можем сфор­му­ли­ро­вать пер­вый закон Нью­то­на более кор­рект­но:

Су­ще­ству­ют такие си­сте­мы от­сче­та, в ко­то­рых тело со­хра­ня­ет со­сто­я­ние покоя либо будет дви­гать­ся рав­но­мер­но и пря­мо­ли­ней­но, если на него не дей­ству­ют дру­гие тела или дей­ствие дру­гих тел ском­пен­си­ро­ва­но.

Эта фор­му­ли­ров­ка поз­во­ля­ет из­бе­жать кол­ли­зии между маль­чи­ком и де­воч­кой; не обя­за­тель­но быть в си­сте­ме, в ко­то­рой такая си­ту­а­ция на­блю­да­ет­ся: маль­чик на­хо­дит­ся в си­сте­ме, в ко­то­рой эта си­ту­а­ция не со­хра­ня­ет­ся, зна­чит, он на­хо­дит­ся в неинер­ци­аль­ной си­сте­ме от­сче­та. Де­воч­ка на­хо­дит­ся в инер­ци­аль­ной си­сте­ме от­сче­та – кол­ли­зия раз­ре­ше­на.

Во мно­гих за­да­чах мы рас­смат­ри­ва­ем дви­же­ние тела от­но­си­тель­но Земли, неглас­но мы счи­та­ем, что Земля – инер­ци­аль­ная си­сте­ма от­сче­та. Так ли это на самом деле? Ока­зы­ва­ет­ся, не все­гда. Если рас­смат­ри­вать дви­же­ние Земли от­но­си­тель­но своей оси или дви­же­ние Земли от­но­си­тель­но звезд, то это дви­же­ние со­вер­ша­ет­ся с неко­то­рым уско­ре­ни­ем. Си­сте­ма от­сче­та, ко­то­рая дви­жет­ся с неко­то­рым уско­ре­ни­ем, не может счи­тать­ся инер­ци­аль­ной в пол­ном смыс­ле. Что же это за уско­ре­ние, ко­то­рое по­яв­ля­ет­ся у Земли при вра­ще­нии во­круг своей оси, так ли оно ве­ли­ко, и можно ли счи­тать Землю инер­ци­аль­ной си­сте­мой от­сче­та?

Земля вра­ща­ет­ся во­круг своей оси, зна­чит, все точки, ле­жа­щие на ее по­верх­но­сти, непре­рыв­но ме­ня­ют на­прав­ле­ние своей ско­ро­сти. Ско­рость – это век­тор, и, если его на­прав­ле­ние ме­ня­ет­ся, зна­чит, у нас по­яв­ля­ет­ся некое уско­ре­ние. Зна­чит, Земля услов­но долж­на быть вы­ве­де­на из со­ста­ва пра­виль­ных, инер­ци­аль­ных си­стем от­сче­та. Если под­счи­тать это уско­ре­ние для точек, на­хо­дя­щих­ся на эк­ва­то­ре, а это точки, об­ла­да­ю­щие мак­си­маль­ным уско­ре­ни­ем по срав­не­нию с точ­ка­ми, на­хо­дя­щи­ми­ся ближе к по­лю­су, то его зна­че­ние по­лу­чит­ся:

 

Ин­декс «с» го­во­рит о том, что это уско­ре­ние цен­тро­стре­ми­тель­ное. Срав­ним с уско­ре­ни­ем сво­бод­но­го па­де­ния:

 

Раз­ни­ца в несколь­ко сотен раз, ко­неч­но же, этим уско­ре­ни­ем в прин­ци­пе можно пре­не­бре­гать и счи­тать Землю инер­ци­аль­ной си­сте­мой от­сче­та. Од­на­ко при дли­тель­ных на­блю­де­ни­ях за­бы­вать о вра­ще­нии Земли, ко­неч­но же, нель­зя. Убе­ди­тель­но это до­ка­зал фран­цуз­ский уче­ный Жан Бер­нар Леон Фуко.

Ма­ят­ник Фуко пред­став­ля­ет собой мас­сив­ный груз, под­ве­шен­ный на очень длин­ной нити. Вы­ве­дем такой груз из по­ло­же­ния рав­но­ве­сия и по­смот­рим, как он будет ко­ле­бать­ся в те­че­ние дол­го­го вре­ме­ни, какую тра­ек­то­рию будет опи­сы­вать (рис. 5).

 

Рис. 5. Тра­ек­то­рия ко­ле­ба­ний ма­ят­ни­ка Фуко, вид свер­ху

Тра­ек­то­рия ко­ле­ба­ния ма­ят­ни­ка не будет пря­мой, она будет сме­щать­ся, это сме­ще­ние ма­ят­ни­ка обу­слов­ле­но вра­ще­ни­ем Земли, сме­ще­ние тра­ек­то­рии ко­ле­ба­ний груза, под­ве­шен­но­го на длин­ной нити.

Вра­ще­ни­ем Земли обу­слов­лен еще ряд ин­те­рес­ных фак­то­ров: в реках се­вер­но­го по­лу­ша­рия пра­вый берег более кру­той, а левый более по­ло­гий. В реках юж­но­го по­лу­ша­рия на­о­бо­рот.

В боль­шин­стве слу­ча­ев мы будем счи­тать Землю инер­ци­аль­ной си­сте­мой от­сче­та, при­ме­нять в ней за­ко­ны Нью­то­на и вы­яс­нять, по­че­му же дви­жет­ся тело.

 

До­маш­нее за­да­ние

1. Дать опре­де­ле­ние пер­во­му за­ко­ну Нью­то­на.
2. Какие си­сте­мы от­сче­та су­ще­ству­ют?

К занятию прикреплен файл  «Ребусы по теме». Вы можете скачать файл  в любое удобное для вас время.

Использованные источники: 

• http://interneturok. ru/ru/school/physics/10-klass/
• http://www.youtube.com/watch?v=niJFMDiuMj8
• http://www.youtube.com/watch?v=C5vd-4o6knc
• http://www.youtube.com/watch?v=Qj1UsWzVl1w
• http://www.youtube.com/watch?v=iDemwmarwLw

 

 

3.5: Исаак Ньютон (1642-1724) и законы движения

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

30870

«Исаак Ньютон» Паукруса находится под лицензией CC BY-SA 2.0;

Немногие люди внесли такой большой вклад в науку, как сэр Исаак Ньютон. Он экспериментировал с оптикой, чтобы определить, что белый свет можно разделить на цвета радуги. Он изобрел телескоп-рефлектор и математические вычисления. Но больше всего он запомнился своими исследованиями движения и гравитации. Ньютон изучал натурфилософию в Тринити-колледже в Кембридже, а затем стал профессором в Кембридже, заняв кафедру математики Лукаса в Кембридже, одну из самых престижных должностей в университете.

Великое открытие Ньютона заключалось в том, что те же самые законы, которые управляют движением объектов на Земле, также управляют объектами в Солнечной системе и за ее пределами. Небеса больше не будут рассматриваться как таинственные тела, движимые невидимыми руками, но как реальные объекты, подчиняющиеся тем же законам физики, что и мы здесь, на Земле. В 1687 году Ньютон опубликовал свой « Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica » («Математические принципы натуральной философии»), ставший основой классической математики. В «Началах» Ньютона изложены его три закона движения, которые в современной терминологии выглядят следующим образом:

Первый закон движения Ньютона: Объект в состоянии покоя будет оставаться в состоянии покоя, в то время как объект в движении будет продолжать движение с постоянной скоростью, если на него не воздействует внешняя сила.

Положите мяч на ровный стол. Он не будет двигаться, если вы не подтолкнете его. Это во многом согласовывалось с идеей Аристотеля о том, что объекты естественным образом останавливаются. Но Ньютон полагал, что движущийся объект будет продолжать двигаться до тех пор, пока внешняя сила не будет мешать его движению. Если бы у нас была бесконечная поверхность без трения, и мы толкнули бы мяч, он бы катился вечно. В реальном мире катящийся мяч замедляется не потому, что его природа состоит в том, чтобы останавливаться, а потому, что трение о поверхность стола действует как сила, замедляющая его. Первый закон Ньютона иногда называют законом инерции, где инерция — это сопротивление объекта изменениям в его движении.

Второй закон движения Ньютона: Когда на объект действует сила, его ускорение обратно пропорционально его массе.

Это дает классическое уравнение a = F/m или F = ma, где F — сила, действующая на объект, a — ускорение или скорость изменения движения объекта, а m — масса объекта. Таким образом, единицей силы является кг·м/с ² или ньютон (Н) в честь Исаака Ньютона.

Третий закон Ньютона: Когда объект A воздействует на объект B, объект B оказывает равную и противоположную силу на объект A. Для каждой силы всегда существует равная и противоположная сила противодействия.

Благодаря Третьему закону могут функционировать ракеты. Ракета не запускается сама, отталкиваясь от земли. Он запускается путем сжигания топлива, которое производит расширяющиеся горячие газы. Сила газа, выходящего из сопла, создает силу реакции в противоположном направлении, толкающую ракету вверх.

Законы Ньютона гласят, что мяч будет оставаться неподвижным до тех пор, пока на него не нападет сила кикера. Кроме того, когда футболист воздействует на мяч, мяч будет оказывать на футболиста равную и противоположную силу.

“IMG_0860enh” от dewonn43 под лицензией CC BY-NC-SA 2.0;

 

Два фигуриста, толкающие друг друга, будут оказывать друг на друга равные и противоположные силы.

CycloHobo в английской Викиучебнике/общественном достоянии;

Третий закон Ньютона объясняет, как ракеты движутся, не имея поверхности, от которой можно «оттолкнуться».

https://www.nasa.gov/audience/foredu…-rocketry.html

Мы используем несколько терминов для описания движения объекта. Например, скорость определяется как скорость, с которой движется объект. В метрических единицах скорость часто выражается в метрах в секунду (м/с) или километрах в секунду (км/с). С другой стороны, скорость определяется как величина скорости с определенным направлением. Итак, если мы описываем объект как движущийся со скоростью 10 м/с, мы говорим, что его скорость равна 10 м/с с информацией о том, в каком направлении он движется. Если мы говорим, что объект движется со скоростью 10 м/с строго на север, теперь мы описываем его скорость как величиной (10 м/с), так и направлением (на север). Скорость — это вектор, который представляет собой величину, имеющую обе величины и направление.

Ускорение — скорость изменения скорости. Как и скорость, ускорение является вектором и может описывать любое изменение скорости движения объекта, будь то по величине, направлению или тому и другому. Физики также используют ускорение для описания замедления объекта (отрицательное ускорение). В метрических единицах ускорение часто выражается в метрах в секунду в квадрате (м/с ² ).

Гравитация Земли ускоряет все объекты по направлению к центру планеты. Это ускорение свободного падения, g, одинаково для всех тел, не считая трения или сопротивления воздуха. Вблизи поверхности Земли значение g = 9.8 м/с ² . Эксперименты Галилея с наклонной плоскостью показали, что g одинакова для всех объектов, независимо от их массы, и позже Ньютон расширил этот принцип своим законом всемирного тяготения.

Другим важным термином является импульс , или мера движения объекта. Математически импульс равен произведению массы объекта на его скорость. Таким образом, чистая сила будет действовать на объект, изменяя его импульс, что приводит к ускорению или изменению скорости.

Вращающийся объект или объект, находящийся на орбите, обладает свойством, известным как угловой момент . Угловой момент описывает движение всех вращающихся или вращающихся объектов. Для вращающегося объекта, такого как планета, его угловой момент равен его массе, умноженной на его скорость, умноженной на радиус его орбиты. Для изменения углового момента требуется крутящий момент , который равен силе, умноженной на расстояние от оси вращения.

Перед столкновением система имеет определенный импульс, зависящий от масс и скоростей двух объектов.

CycloHobo в английских Викиучебниках / общественном достоянии;

После столкновения полный импульс системы остается прежним. CycloHobo в английских Викиучебниках / общественном достоянии; Когда фигурист подтягивает руки ближе к телу, его момент инерции уменьшается, а скорость вращения увеличивается.

олень/CC0; Кубок_России_2010_-_Юко_Кавагути_(2).jpg

Вращающийся объект имеет угловой момент и центростремительную силу, которые удерживают его на своем пути.

LP~commonswiki; МамаАнг2.jpg

Другим важным принципом является разница между массой и массой . Масса определяется как количество материального «материала», содержащегося в объекте, тогда как вес — это сила тяжести, действующая на объект. Масса, как правило, постоянна. Объект массой 1 кг будет 1 кг, будь то на Земле, на Луне или в космосе. Однако объект весом 1 Н на Земле будет весить только 1/6 Н на Луне. В космосе он был бы невесом. Однако обратите внимание, что в космосе существует гравитация. Объект на орбите вокруг Земли по-прежнему подвержен земному притяжению, однако говорят, что он находится в свободное падение . Объект в свободном падении невесом.

Предметы и люди в свободном падении, например, на борту Международной космической станции, невесомы.

“iss017e021362” NASA Johnson находится под лицензией CC BY-NC 2.0;

 

Закон всемирного тяготения Ньютона гласит, что сила притяжения между двумя объектами пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

“File:Newtons-law-of-universal-gravitation-two-masses.svg” от MikeRun под лицензией CC BY-SA 4.0;

На Земле ускорение силы тяжести становится очевидным. Бросьте мяч, и он будет двигаться по кривой траектории. Он будет продолжать двигаться с горизонтальной скоростью, которую вы ему задали, но сначала он будет двигаться вертикально, если вы задали ему восходящую скорость. Вертикальная составляющая его скорости будет замедляться под действием ускорения свободного падения. В вершине своей дуги его вертикальная скорость достигает нуля, а затем он начинает ускоряться вниз, пока не достигнет земли. Этот изогнутый путь бросаемых предметов и падающих предметов вдохновил Ньютона на формулировку его закона всемирного тяготения. Уравнение для его закона всемирного тяготения:

F = GM ₁ M ₂ /r ²

Где F — сила тяжести между двумя объектами. M ₁ и M ₂ являются соответствующими массами двух объектов. Значение r — это расстояние между их центрами, а G — Универсальная гравитационная постоянная, где G = 6,67408 × 10 ^-11 м ³ кг ^-1 с ^-2 .

Применить закон всемирного тяготения, планета остается на орбите на основе двух факторов. Сила гравитации между Солнцем и планетой притягивает друг друга. Поскольку Солнце во много раз массивнее планеты, планета притягивается к центру Солнца. Между тем, инерция движения планеты заставляет ее двигаться вперед. Сочетание этих двух факторов создает центростремительное ускорение или ускорение к центру. Таким образом, планета движется вокруг Солнца. Мы можем думать об орбите как о форме свободного падения, когда объект непрерывно «падает» к Солнцу, но его поступательное движение также заставляет его «промахиваться» по нему. Таким образом, планетарная орбита подобна криволинейной траектории брошенного мяча, где радиус кривой его движения больше радиуса Солнца.

Ньютон предложил модель с использованием пушки. Стрельба из пушки заставляет пушечное ядро ​​двигаться по изогнутой траектории. Чем мощнее пушка, тем дальше пролетит снаряд, прежде чем упадет на землю. Ньютон вообразил, что если бы у него была достаточно мощная пушка, кривая траектории пули стала бы больше радиуса Земли. Это поместит мяч на орбиту, объект в свободном падении, который никогда не достигнет земли, поскольку его импульс будет распространяться по его орбитальному пути.

Пушка Ньютона: пуля, выпущенная из пушки, летит по криволинейной траектории. Если бы вы могли придать пушечному ядру достаточно высокую скорость, его кривая траектория разлетелась бы по всему миру, выводя его на орбиту.

FrankH в английской Википедии/общественном достоянии; OrbitingCannonBalls.jpg

Закон тяготения Ньютона описывает орбиты немного иначе, чем законы Кеплера. Напомним, что Первый закон Кеплера гласил, что планеты вращаются по эллипсам с Солнцем в одном из фокусов. Кеплер вывел свой закон эмпирическим путем. Эллиптическая траектория соответствовала данным, которые он унаследовал от Тихо, но он понятия не имел, какие силы управляют этим движением. Поскольку закон Ньютона описывает силу между двумя объектами как произведение их масс, оба объекта вращаются вокруг своих общих центр масс .

Поставьте на весы два предмета одинаковой массы. Эти двое будут идеально уравновешивать друг друга в точке, равноудаленной друг от друга. Эта точка называется центром масс системы. Если вы добавите больше массы на одну сторону баланса, центр масс сместится, приблизившись к концу с большей массой. Солнце и Земля уравновешиваются их взаимным притяжением. Поскольку Солнце намного массивнее Земли, центр масс системы Земля-Солнце находится очень близко к центру Солнца. Таким образом, в то время как Земля совершает широкую орбиту вокруг центра масс, Солнце совершает лишь крошечное «колебание» вокруг этой же точки. Это колебание также объясняет небольшое изменение расстояния между Землей и Солнцем между афелием и перигелием, в то время как закон Кеплера предполагает неподвижное Солнце.

Хотя Кеплер открыл свой третий закон движения планет эмпирически, мы можем вывести его из законов Ньютона математически. Во-первых, мы начнем со второго закона и подставим значение центростремительного ускорения:

.

F = ma = mv ² /r

Где F — чистая сила, действующая на планету, m — ее масса, v — ее средняя скорость, а r — ее среднее расстояние от Солнца. Далее устанавливаем его равным силе тяжести:

GmM/r ² = mv ² /r

Где G — универсальная гравитационная постоянная, а M — масса Солнца. Отменить m, а также один r, оставив:

ГМ/р = v ²

Затем, используя определение периода P, являющегося временем одного полного оборота, мы находим, что средняя скорость v равна длине окружности, деленной на период (мы предполагаем круговую орбиту, поскольку следуем Закон всемирного тяготения Ньютона, согласно которому планета и Солнце вращаются вокруг своего общего центра масс).

v =2πr/P

Подстановка этого значения вместо v в приведенном выше уравнении дает:

GM/r = 4π ² r ² /P ²

Решение для P и замена r на a, большой полуоси, поскольку мы сейчас рассматриваем эллиптическую орбиту, дает нам:

P ² = 4π ² a ³ /GM

Поскольку 4, π, G и M — константы, у нас есть соотношение, в котором квадрат периода пропорционален кубу большой полуоси, как и предсказывает третий закон Кеплера.

Закон тяготения Ньютона и законы Кеплера предсказывают не только эллиптические орбиты. Эллиптическая орбита — это просто связанная орбита, на которой планета бесконечно вращается вокруг звезды. Также могут быть несвязанные орбиты, которые следуют параболическим или гиперболическим путям, поскольку они приближаются к сильному источнику гравитации. Такие несвязанные орбиты можно использовать для ускорения спутника до более высоких или более низких скоростей путем погружения в гравитацию планеты, чтобы «одолжить» немного энергии.

Мы также можем использовать закон всемирного тяготения Ньютона, чтобы продемонстрировать принцип, открытый Галилеем, согласно которому все объекты испытывают одинаковое ускорение, независимо от их математики. Например, падающий объект испытает ускорение, определяемое вторым законом Netwon:

а = Ф/м ₁

Где m ₁ — масса объекта. Сила тяжести снова определяется как:

.

F = GM _e м ₁ /r ²

Где M _e — масса Земли. Подставив это значение силы в уравнение второго закона, мы получим:

a = F/m ₁ = GM _e m ₁ /r ² m ₁

Обратите внимание, что значение массы объекта аннулируется, и остается значение ускорения:

a = GM _e /r ²

Таким образом, ускорение свободного падения не зависит от массы тела.

Конечно, Солнечная система состоит не только из двух тел. Планеты притягиваются друг к другу, и их луны также притягивают планеты. Эти действия могут вызывать возмущения, поскольку они тянут друг друга. Это может вызвать отклонения от траекторий, предсказанных третьим законом Кеплера. На самом деле именно возмущения орбиты Урана из-за гравитации Нептуна привели к его открытию.

 

---

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Лицензия

   CC BY-NC-SA

2. Теги

   На этой странице нет тегов.

Статья о Ньютоне

Первый закон Ньютона
Первый закон гласит, что объект в состоянии покоя стремится оставаться в состоянии покоя, а объект в движении стремится оставаться в движении с тем же направлением и скоростью. Движение (или отсутствие движения) не может измениться без неуравновешенной силы. Если с вами ничего не происходит и ничего не происходит, вы никогда никуда не пойдете. Если вы идете в определенном направлении, пока с вами ничего не случится, вы всегда будете идти в этом направлении. Первый закон Ньютона также называют законом инерции.
Что, если бы вы бросили мяч изо всех сил? Закон движения Ньютона предсказывает, что мяч будет двигаться вечно, но вы знаете, что это не так. Мяч в конце концов остановится. Затем вы должны заключить, что на шар действовали какие-то другие силы. В этом случае сопротивление воздуха, гравитация и трение являются силами, которые действуют на мяч и заставляют его в конечном итоге остановиться. Однако в местах без этих противодействующих сил, например в открытом космосе, мяч просто продолжал бы двигаться.

Второй закон Ньютона
Теперь представьте также двух борцов сумо, один из которых весит 250 фунтов (113 кг), а другой – 50 фунтов (23 кг). Какой из них будет легче двигаться? Объекты, которые имеют больший вес, потребуют большей неуравновешенной силы для перемещения. В этом случае более тяжелый борец имеет преимущество перед более легким. В спорте в борьбе есть тяжелые и легкие категории, чтобы соревнования были честными.

Когда вы читаете это, вы, вероятно, осознаете, что стул (или пол) толкает ваше тело вверх, но вы можете не осознавать, что ваше тело на самом деле движется. Поскольку Земля вращается и вращается вокруг Солнца, все тела на ней находятся в движении. Мы просто не осознаем этого, потому что являемся частью движущейся системы. Это похоже на то, как когда вы находитесь в движущейся машине, если вы не смотрите в окно, вы можете заниматься другими делами, например читать, играть в видеоигры или смотреть фильм.

Предположим, вы делаете домашнее задание, когда едете в машине, а водитель нажимает на тормоза. Что происходит с вашим движением в машине? Может показаться, что вас толкнуло вперед, вы даже можете испортить домашнюю работу или пролить свой напиток. То, как движутся объекты, стало предметом интереса ученого по имени Исаак Ньютон примерно в 1665 году. Знакомый образ Ньютона — тот, где он сидит под яблоней, и яблоко падает ему на голову, событие, которое предположительно вдохновило Ньютона на исследования движения. и механика. На основе своих исследований того, как движутся объекты, Ньютон разработал три идеи, которые были подтверждены другими учеными на протяжении многих лет и в конечном итоге были установлены в качестве научных законов. Напомним, что закон — это нечто в науке, описывающее то, что произойдет.

Имя __________________________________________Дата _______

ВОПРОСЫ:  (обведите правильный ответ)

1.  Что такое Закон в науке?
а. правило о природе, описывающее, как все работает
b. стандарты поведения, которые люди предпочитают соблюдать
c. обоснованное предположение о том, что может произойти в будущем

2.  В борцовском поединке выясняется, что спортсмен солгал о своем весе, чтобы получить преимущество над противником. Основываясь на том, что вы знаете об инерции, как обманщик солгал?
а. он утверждал, что весил меньше, чем на самом деле
b. он утверждал, что весит больше, чем на самом деле

3.   Какой закон дает нам формулу для определения силы, необходимой для перемещения объекта?
а. первый закон           b. второй закон               c. третий закон

4. Вы катите мяч с холма. Мяч катится некоторое расстояние и в конце концов останавливается. Что останавливает мяч?
а. инерция              б. ускорение              c. сопротивление воздуха        

5. На каждое действие есть противодействие. Это заявление описывает:
a. Первый закон Ньютона        б. Второй закон Ньютона      c. Третий закон Ньютона   

6. Два объекта находятся на крыше здания. Один объект весит 16 кг, а другой весит 45 кг. Что будет легче оттолкнуть от края здания? а. предмет весом 16 кг        b. Объект весом 45 кг       c. оба равны

7. Вы находитесь в каноэ на озере, и рядом с вами плывет другое каноэ. Вы используете свое весло, чтобы оттолкнуть другое каноэ, чтобы не удариться. Когда второе каноэ толкают влево, что происходит с вашим каноэ?
а. он остается неподвижным              b. он движется вправо               c. оно также движется влево

8. Движение двух каноэ в №7 описывается __ законом Ньютона.
а. первый               б. второй           c. Third      

Второй закон Ньютона гласит, что ускорение объекта, вызванное суммарными приложенными к нему силами, связано с массой объекта. Чем больше масса, тем большая сила необходима для ускорения (или перемещения) объекта. Ускорения могут быть как положительными, так и отрицательными. Для толкания большого грузовика (много людей) может потребоваться много объединенных усилий.