В чем состоит 1 закон ньютона: Что такое первый закон Ньютона? (статья)

Сила — это все, что может изменить движение объекта. Когда вы бросаете мяч, вы оказываете на него силу в определенном направлении, в котором он движется. Чем сильнее вы бросаете, тем дальше летит мяч, так как на него действует большая сила.

Что такое законы движения Ньютона?

Что такое Первый закон Ньютона

Объект в состоянии покоя останется в состоянии покоя.

Движущийся объект будет двигаться с той же скоростью и в том же направлении, пока на него не подействует другая сила.

По сути, это означает, что неподвижный объект останется неподвижным, если на него не действует сила. Представьте себе игрушечную машинку на полу; он будет двигаться, только если кто-то толкнет его.

Если силы, действующие на тело, уравновешены, то оно будет двигаться с постоянной скоростью.

Эксперименты по демонстрации первого закона Ньютона

Ракета-мышь — фантастическая демонстрация первого закона Ньютона . Конус на молочной бутылке покоится до тех пор, пока сила воздуха, выталкиваемого из молочной бутылки (когда вы ее сжимаете), не поднимет конус в воздух.

Первый закон Ньютона иногда называют Законом инерции . Это означает, что если объект движется прямолинейно, он будет продолжать двигаться прямолинейно, пока на него не подействует сила.

Отличный способ продемонстрировать это простой эксперимент с инерцией .

Если тянуть желтую карточку достаточно быстро, черная колонна упадет в сторону, а лимон по прямой упадет в стакан! Видео ниже показывает это в действии.

Что насчет трения?

Мы знаем, что, как правило, объекты не продолжают двигаться вечно, потому что их замедляет трение. Например, мяч, катящийся по ковру, замедляется гораздо быстрее, чем мяч, катящийся по гладкому полу, поскольку трение между мячом по шероховатой поверхности больше, чем по гладкой. Вы можете продемонстрировать это, сделав рампа трения .

В космосе, где нет трения о воздух, объекты продолжают двигаться намного дольше.

Второй закон Ньютона

Второй закон Ньютона касается взаимосвязи между силой, приложенной к телу, и изменением его импульса или ускорения.

Сила равна произведению массы на ускорение

f = ma

F – приложенная сила (Н) с ² )

m – Масса (кг)

Что это значит? Второй закон Ньютона гласит, что сила равна массе , умноженной на ускорение в раз. Изменение количества движения пропорционально изменению приложенной силы.

Представьте, что вы пинаете легкий пластиковый футбольный мяч и тяжелый футбольный мяч. Перемещение более тяжелого мяча на то же расстояние, что и более легкого, требует гораздо большей силы.

Третий закон Ньютона

Каждое действие имеет равное и противоположное противодействие.

Третий закон Ньютона гласит, что на каждое действие всегда есть равное и противоположное противодействие. Когда одно тело действует на другое, оно испытывает равную и противоположную реакцию со стороны другого тела.

Если вы толкнете объект, объект оттолкнется от вас, и если вы прекратите толкать, сила, действующая на вас, также прекратится.

Представьте себе запуск ракеты. Нисходящая тяга, создаваемая двигателем, является действием, а противодействие — противоположной направленной вверх тягой, заставляющей ракету взлетать в воздух.

Ракета будет двигаться вверх до тех пор, пока существует результирующая восходящая сила. Если бы направленная вверх сила тяги прекратилась, результирующая сила была бы направлена ​​вниз.

Эксперименты для демонстрации всех трех законов движения Ньютона

Ракета из баллончика с пленкой или мини-ракета из бутылки прекрасно подходят для демонстрации всех трех законов Ньютона.

Первый закон Ньютона

Канистра с пленкой остается неподвижной до тех пор, пока не будет добавлено что-либо для создания силы (обычно шипучая таблетка витамина и вода).

Второй закон Ньютона

На ускорение влияет масса объекта. Если вы увеличите массу контейнера с пленкой, вы обнаружите, что он движется медленнее и не летает так высоко.

Третий закон Ньютона

Сила, действующая вниз на крышку канистры с пленкой, создает противоположную направленную вверх силу на корпус канистры, которая взлетает в воздух.

Дополнительные эксперименты для демонстрации сил

Подумайте о некоторых трудностях, с которыми сталкиваются астронавты в космосе с этим практическим деятельность по стыковке с МКС .

Узнайте больше о Исааке Ньютоне , Галилее и других известных ученых.

Узнайте о гравитации с помощью соломенных ракет, магнитов и бутылок с водой в этой подборке простых гравитационных экспериментов .

Наконец, попробуйте одно из этих простых исследований, чтобы узнать о силах и движении .

Последнее обновление: Эмма Ванстон, 12 января 2023 г.

5.3: Первый закон Ньютона – Физика LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

• OpenStax
• OpenStax

Цели обучения

• Описать первый закон движения Ньютона
• Распознать трение как внешнюю силу
• Определение инерции
• Определить инерциальные системы отсчета
• Расчет равновесия для системы

Опыт показывает, что объект в состоянии покоя остается в покое, если его оставить в покое, и что объект в движении имеет тенденцию замедляться и останавливаться, если не предпринимать никаких усилий для поддержания его движения. Однако первый закон Ньютона дает более глубокое объяснение этому наблюдению.

Первый закон движения Ньютона

Тело, находящееся 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.

Обратите внимание на повторное использование глагола «остается». Мы можем думать об этом законе как о сохранении статус-кво движения. Также обратите внимание на выражение «постоянная скорость». это означает, что объект сохраняет путь по прямой линии, поскольку ни величина, ни направление вектора скорости не меняются. Мы можем использовать рисунок \(\PageIndex{1}\), чтобы рассмотреть две части первого закона Ньютона.

Вместо того, чтобы противоречить нашему опыту, первый закон Ньютона говорит, что должна быть причина для любого изменения скорости (изменение либо величины, либо направления). Эта причина является чистой внешней силой, которую мы определили ранее в этой главе. 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 и пренебрегая сопротивлением воздуха, мы можем представить объект, бесконечно скользящий по прямой. Таким образом, трение является причиной замедления (в соответствии с первым законом Ньютона). Объект не замедлился бы, если бы трение было устранено.

Рассмотрим стол для аэрохоккея (рис. \(\PageIndex{2}\)). 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, насколько быстро объект замедляется.

Первый закон Ньютона является общим и может быть применен ко всему: от предмета, скользящего по столу, до спутника на орбите и до крови, перекачиваемой из сердца. Эксперименты подтвердили, что любое изменение скорости (скорости или направления) должно быть вызвано внешней силой. Идея общеприменимых или универсальных законов важна — 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 движения, и Ньютона, разъяснившего его, заключалась в том, чтобы задать фундаментальный вопрос: «Что есть причина?» Мышление в терминах причины и следствия в корне отличается от типичного древнегреческого подхода, когда такие вопросы, как «Почему у тигра полосы?» ответили бы в аристотелевской манере, например: «Такова природа зверя». Способность мыслить в категориях причины и следствия — это способность установить связь между наблюдаемым поведением и окружающим миром.

Гравитация и инерция

Независимо от масштаба объекта, будь то молекула или субатомная частица, остаются действительными два свойства, представляющие интерес для физики: гравитация и инерция. Оба связаны с массой. Грубо говоря, масса — это мера количества материи в чем-либо. Гравитация — это притяжение одной массы к другой, например притяжение между вами и Землей, удерживающее ваши ноги на полу. Величина этого притяжения — ваш вес, и это сила.

Масса также связана с инерцией , способностью объекта сопротивляться изменениям в его движении, другими словами, сопротивляться ускорению. Первый закон Ньютона часто называют законом инерции . Как мы знаем из опыта, одни объекты обладают большей инерцией, чем другие. Изменить движение большого валуна сложнее, чем, например, баскетбольного мяча, потому что валун имеет большую массу, чем баскетбольный мяч. Другими словами, инерция объекта измеряется его массой. Отношения между массой и весом исследуются далее в этой главе.

Инерциальные системы отсчета

Ранее мы сформулировали первый закон Ньютона следующим образом: «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». Его также можно сформулировать так: «Каждое тело остается в состоянии равномерного прямолинейного движения, если оно не вынуждено изменить это состояние под действием действующих на него сил». Для Ньютона «равномерное прямолинейное движение» означало постоянную скорость, включая случай нулевой скорости или покоя. Следовательно, первый закон гласит, что скорость объекта остается постоянной, если результирующая сила, действующая на него, равна нулю.

Первый закон Ньютона обычно считается утверждением о системах отсчета. Он обеспечивает метод для идентификации специального типа системы отсчета: инерциальной системы отсчета . В принципе, мы можем сделать результирующую силу, действующую на тело, равной нулю. Если его скорость относительно данной системы отсчета постоянна, то эта система называется инерциальной. Итак, по определению, инерциальная система отсчета — это система отсчета, в которой действует первый закон Ньютона. Первый закон Ньютона применим к объектам с постоянной скоростью. Из этого факта мы можем сделать следующий вывод.

Инерциальная система отсчета

Система отсчета, движущаяся с постоянной скоростью относительно инерциальной системы отсчета, также является инерциальной. Система отсчета, ускоряющаяся относительно инерциальной системы отсчета, не является инерциальной.

Распространены ли в природе инерциальные системы отсчета? Оказывается, в пределах погрешности эксперимента система отсчета, покоящаяся относительно самых далеких или «неподвижных» звезд, является инерциальной. Все системы отсчета, движущиеся равномерно относительно этой системы с неподвижной звездой, также являются инерционными. Например, невращающаяся система отсчета, связанная с Солнцем, для всех практических целей является инерциальной, поскольку ее скорость относительно неподвижных звезд не изменяется более чем на одну часть в 10 9 раз.0089 10 . Земля ускоряется относительно неподвижных звезд, потому что вращается вокруг своей оси и вращается вокруг Солнца; следовательно, система отсчета, прикрепленная к ее поверхности, не является инерциальной. Однако для большинства задач такая система отсчета служит достаточно точным приближением к инерциальной системе, поскольку ускорение точки на поверхности Земли относительно неподвижных звезд довольно мало (< 3,4 x 10 ⁻² м/с ^{). 2} ). Таким образом, если не указано иное, мы считаем системы отсчета, закрепленные на Земле, инерциальными.

Наконец, ни одна инерциальная система отсчета не является более особенной, чем любая другая. Что касается законов природы, то все инерциальные системы эквивалентны. При анализе проблемы мы предпочитаем одну инерциальную систему отсчета просто из соображений удобства.

Первый закон Ньютона и равновесие

Первый закон Ньютона говорит нам о равновесии системы, то есть о состоянии, в котором силы, действующие на систему, уравновешены. Возвращаясь к силам и фигуристам на рис. 5.2.2, мы знаем, что силы \(\vec{F}_{1}\) и \(\vec{F}_{2}\) образуют результирующую сила или чистая внешняя сила: \(\vec{F}_{R}\) = \(\vec{F}_{net}\) = \(\vec{F}_{1}\) + \(\vec{F}_{2}\). Чтобы создать равновесие, нам нужна уравновешивающая сила, которая будет производить чистую силу, равную нулю. Эта сила должна быть равна по величине, но противоположна по направлению \(\vec{F}_{R}\), что означает, что вектор должен быть равен \(- \vec{F}_{R}\). Ссылаясь на конькобежцев, для которых мы нашли, что \(\vec{F}_{R}\) равно 30,0 \(\hat{i}\) + 40,0 \(\hat{j}\) N, мы можем определить уравновешивающую силу, просто найдя схема тела на рисунке 5.2.2b.

Мы можем представить первый закон Ньютона в векторной форме:

\[\vec{v} = константа\; когда\; \vec{F}_{net} = \vec{0}\; N \ldotp \label{5.2}\]

Это уравнение говорит, что чистая сила, равная нулю, означает, что скорость \(\vec{v}\) объекта постоянна. (Слово «постоянная» может означать нулевую скорость.)

Первый закон Ньютона обманчиво прост. Если автомобиль находится в состоянии покоя, единственными силами, действующими на автомобиль, являются вес и контактная сила дорожного покрытия, воздействующего на автомобиль (рис. \(\PageIndex{3}\)). Легко понять, что для изменения состояния движения автомобиля требуется ненулевая результирующая сила. Однако, если автомобиль движется с постоянной скоростью, распространенное заблуждение состоит в том, что сила двигателя, толкающая автомобиль вперед, больше по величине, чем сила трения, препятствующая движению вперед. На самом деле обе силы имеют одинаковую величину.

Пример 5.1. Когда первый закон Ньютона применим к вашему автомобилю?

Законы Ньютона применимы ко всем физическим процессам, связанным с силой и движением, включая такие обыденные вещи, как вождение автомобиля.

1. Ваша машина припаркована возле вашего дома. Применим ли в данном случае первый закон Ньютона? Почему или почему нет?
2. Ваша машина движется с постоянной скоростью по улице. Применим ли в данном случае первый закон Ньютона? Почему или почему нет?

Стратегия

В (а) мы рассматриваем первую часть первого закона Ньютона, касающуюся покоящегося тела; в (b) мы рассматриваем вторую часть первого закона Ньютона для движущегося тела.

Решение

1. Когда ваш автомобиль припаркован, все силы, действующие на автомобиль, должны быть уравновешены; сумма векторов равна 0 Н. Таким образом, результирующая сила равна нулю, и действует первый закон Ньютона. Ускорение автомобиля равно нулю, и в этом случае скорость также равна нулю.
2. Когда ваш автомобиль движется с постоянной скоростью по улице, результирующая сила также должна быть равна нулю в соответствии с первым законом Ньютона. Двигатель автомобиля создает поступательное усилие; трение, сила между дорогой и шинами автомобиля, противодействующая движению вперед, имеет точно такую ​​же величину, что и сила двигателя, поэтому результирующая сила равна нулю. Тело остается в состоянии постоянной скорости до тех пор, пока результирующая сила не станет отличной от нуля. Поймите, что чистая сила, равная нулю, означает, что объект либо покоится, либо движется с постоянной скоростью, то есть не ускоряется . Как вы думаете, что происходит, когда автомобиль ускоряется? Мы исследуем эту идею в следующем разделе.

Значение

Как показывает этот пример, существует два вида равновесия. В (а) автомобиль находится в состоянии покоя; мы говорим, что он находится в статическом равновесии . В (b) силы, действующие на автомобиль, уравновешены, но автомобиль движется; мы говорим, что он находится в динамическом равновесии . (Мы рассматриваем эту идею более подробно в разделе «Статическое равновесие и эластичность».) Опять же, две (или более) силы могут воздействовать на объект, но при этом объект будет двигаться. Кроме того, чистая сила, равная нулю, не может создавать ускорение.