Закон ньютона первый второй третий: Что такое первый закон Ньютона? (статья)

Содержание

Физика 9 кл. Что мы узнаем из законов Ньютона?

Физика 9 кл. Что мы узнаем из законов Ньютона?

Подробности
Просмотров: 171

Законы Ньютона справедливы для всех видов сил.
Это одно из проявлений единства природы: силы и тела могут быть разными, но законы одни для всех сил и всех тел.
Законы Ньютона позволяют нам ответить на многие вопросы.

1. Почему, при каких условиях тело совершает прямолинейное равномерное движение?

Ответ на этот вопрос дает первый закон Ньютона.
Если тело движется прямолинейно и равномерно или находится в покое, то это значит, что на него не действуют силы или, если силы действуют, их геометрическая сумма равна нулю.
Если тело находится в покое или движется прямолинейно и равномерно, то о таком теле (материальной точке) говорят, что оно находится в состоянии равновесия.
Чтобы тело (точка) находилось в равновесии, нужно, чтобы сумма приложенных к нему сил была равна нулю.


2. Почему, при каких условиях тело движется прямолинейно и равноускоренно?

На этот вопрос дает ответ второй закон Ньютона.
Для того чтобы тело двигалось с постоянным ускорением по прямолинейной траектории, необходимо, чтобы действующая на него сила или равнодействующая нескольких сил была постоянной по модулю и по направлению.


3. Почему, при каких условиях тело движется равномерно по окружности?

И на этот вопрос отвечает второй закон Ньютона.
При таком движении ускорение центростремительное и по модулю во всех точках траектории одинаково по величине.

Поэтому и центростремительная сила постоянна по модулю и направлена к центру той окружности, по которой движется тело.


4. Как возникает сила?

Третий закон Ньютона объясняет, как вообще возникает сила.
Согласно этому закону, сила возникает при взаимодействии тел.
При этом на каждое из взаимодействующих тел действует сила, и каждое получает ускорение.
Важно понять, что сила, согласно законам Ньютона, определяет ускорение, а не скорость.
Это значит, что сила не есть причина движения.

Сила — это причина изменения движения, т. е. изменения скорости движения.

Само же движение ни в какой причине не нуждается.

Ведь первый закон Ньютона показывает, что двигаться (прямолинейно и равномерно) тело может и без действия сил.
Но измениться движение может только под действием силы.
Поэтому, например, криволинейное движение, при котором скорость непрерывно изменяется по направлению, без действия силы невозможно.

5. Как направлено ускорение тела, вызванное действующей на него силой?

Направление ускорения всегда совпадает с направлением силы, действующей на тело или с направлением равнодействующей силы, если сил несколько.

6. Всегда ли направление вектора скорости совпадает с направлением действия силы?

Нет.
Скорость может совпадать по направлению с силой, например, при свободном падении тел.
Но она может быть направлена и в противоположную силе сторону, например, при движении тела, брошенного по вертикали вверх.
Направление скорости может быть и перпендикулярным направлению силы, например, при движении тела по окружности.

7. Верно ли утверждение, что скорость тела определяется действующей на него силой?

Нет.
Сила, согласно законам Ньютона, определяет ускорение, а не скорость.

8. Верно ли утверждение, что тело движется туда, куда направлена приложенная к нему сила?

Нет, не всегда.
Например, в случае движения тела по окружности центростремительная сила, под действием которой движется тело, направлено к центру окружности.


9. В чем состоит принцип относительности Галилея?

Принцип относительности Галилея:

Законы механического движения одинаковы для всех инерциальных систем отсчета.

Он означает, что любые механические процессы происходят одинаково, какую бы инерциальную систему отсчета мы ни выбрали.

Мы знаем, что при переходе от одной системы отсчета к другой могут изменяться скорость тела, его перемещение и даже траектория, но не законы движения.

10. Как согласуются законы Ньютона и относительность движения?

Законы Ньютона – это законы механического движения.

Первый закон Ньютона верен, если рассматривать движение тела относительно инерциальнои системы отсчета.
Инерциальных систем отсчета имеется бесчисленное множество.
Но, первый закон Ньютона для любой из них один и тот же.

А другие два закона?
Сила, приложенная к телу, не может измениться из-за того, что мы заменили одну инерциальную систему отсчета другой.

Не может из- за этого измениться и масса тела.
Точно так же от выбора системы отсчета не может зависеть и ускорение тела.
Кроме силы, массы и ускорения, никакие другие величины в законы Ньютона не входят.

Значит, законы Ньютона одинаковы для всех инерциальных систем отсчета.

11. В чем состоит значение законов Ньютона?

Законы Ньютона позволяют людям изучать движения тел и решать любые задачи механики.
Механика Ньютона была первой в истории физики законченной теорией, правильно описывающей движения тел.

Причиной изменения движения тел, т. е. причиной изменения их скорости, являются воздействия на них других тел.
Количественно действие одного тела на другое, вызывающее изменение скорости, выражается величиной, называемой силой.
Действие одного тела на другое не бывает односторонним.
Тела взаимодействуют.
Ускорение, которое получает тело при данном взаимодействии, зависит от особого свойства всякого тела – его инертности.
Количественно это свойство выражается величиной, называемой массой.
Эти опытные факты лежат в основе трех законов движения (законов динамики), открытых И.

Ньютоном в 1687 г.
Законы движения тел справедливы только в инерциальных системах отсчета.

Первый закон Ньютона утверждает, что относительно инерциальных систем отсчета тело движется прямолинейно и равномерно или находится в покое, если сумма сил, действующих на него, равна нулю.
Другими словами, в этом случае тело находится в состоянии равновесия.
Вывести тело из состояния равновесия может только приложенная к нему сила.

Второй закон Ньютона устанавливает связь силы с вызванным ею ускорением: сила, действующая на тело независимо от ее природы, равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение.

Третий закон Ньютона указывает на то, что действие одного тела на другое имеет взаимный характер: тела действуют друг на друга силами одной и той же природы, равными по модулю и противоположными по направлению.

Следующая страница – смотреть

Назад в “Оглавление” – смотреть

Проект на тему “Законы Ньютона”

Содержание

        1. Введение

        2. Биография Исаака Ньютона

        3. Три закона механики.

        4. Опыт №1.

1 закон Ньютона.

        1. Опыт №2.

3 закон Ньютона.

6. Список использованной литературы.

  1. Введение

Едва начав размышлять над окружающим миром, человек осознал, что этот мир изменчив. Он преисполнен активности – движется Солнце, дует ветер, парят птицы, струятся водные потоки. Еще в древности человек заметил, что происходит смена времен года, стареют люди, изнашиваются орудия труда. Но какая причина вызывает все эти изменения и движение? Одни объекты, такие, как живые существа, содержат источник движения внутри себя, другим, подобным камням, стрелам, топорам, чтобы прийти в движение, требуется внешнее воздействие.

Сначала между движением тела в пространстве и изменениями более общего характера не проводилось четкого различия. Точные понятия скорости и ускорения еще не были сформулированы. Наши далекие предки, безусловно, размышляли о силах, сотворивших мир и вызывающих его изменение, но в их представления это были силы магического свойства, не отделимые от веры в богов и злых духов, правящих миром.

Древнегреческие философы предприняли более систематическое изучение процессов изменения и движения, но так и не смогли до конца разобраться в причинах, порождающих то и другое. Аристотель считал, что ключом к пониманию движения служит понятие сопротивления. Он заметил, что в разреженной среде, например в воздухе, тело движется свободнее и, следовательно, быстрее, чем в плотной среде, скажем в воде; в обоих случаях для преодоления сопротивления среды необходима движущая сила. Аристотель отверг идею атомистов о частицах, свободно движущихся в пустоте, ибо пустота, лишенная субстанции, не могла бы оказывать сопротивление движению. Поэтому частицы в пустоте должны были бы двигаться с бесконечной скоростью, что абсурдно.

Современное (техническое) представление о силе полностью сложилось лишь в XVII в. вслед за признанием законов движения Ньютона. Великим достижением Ньютона стало осознание того, что движение как таковое отнюдь не требует приложения силы. Материальное тело будет двигаться с постоянной скоростью в заданном направлении, без какого бы то ни было внешнего воздействия. Только отклонение от равномерного прямолинейного движения требует объяснения, т.е. наличия силы. Ньютон установил, что сила вызывает ускорение, и вывел точную математическую формулу, связывающую эти величины.

Великих писателей композиторов художников называют классиками. Слово «классик» означает: лучший совершенный образцовый общепризнанный. Есть целая наука, которую называют классической за ее совершенство – это классическая механика Ньютона.

Механика – это наука о движении тел. Барабанят по крыше дома капли дождя, устремляются в атаку хоккеисты. Летят в небе самолеты. Планеты движутся вокруг Солнца. Все это примеры движений. И хотя эти и другие движения не похожи друг на друга, все они подчиняются единым законам механики, которые открыл великий английский ученый Исаак Ньютон.

Механика Ньютона быстро получила признание, поскольку успешно описывала связь сил и движения, и в наши дни на ней основываются все технические расчеты. Однако механика Ньютона ничего не говорит о происхождении сил, вызывающих ускорение тел. На первый взгляд кажется, что эти силы многочисленны и разнообразны: напор ветра или набегающего потока воды на препятствие, гидростатическое давление воздуха или воды, непрерывное давление расширяющегося металла, мощный выброо взрывающихся химических веществ, тянущее усилие растянутого резинового жгута, мускульная сила человека, вес тяжелых объектов и т.д. Одни силы действуют непосредственно при контакте с телом (усилие, передаваемое телу натянутой веревкой), другие, например, гравитация, действуют на расстоянии, через пустое пространство.

2. Биография Исаака Ньютона

Исаак Ньютон

(1642-1727 гг.) – выдающийся английский ученый, один из создателей классической физики.

Биография Ньютона богата во всех смыслах этого слова.

Он сделал немало открытий в области физики, астрономии, механике и математике. Английский физик и математик, один из величайших ученых за всю историю науки. Его наиболее значимыми достижениями являются ЗАКОНЫ ДВИЖЕНИЯ, которые заложили основы МЕХАНИКИ как научной дисциплины. Он открыл ЗАКОН ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ и разработал исчисления (дифференциальное и интегральное), которые с тех пор являются важными инструментами физиков и математиков.

Ньютон построил первый телескоп-рефлектор и первым разложил свет на спектральные цвета с помощью призмы. Он так же исследовал явления теплоты, акустику и поведения жидкостей. В его честь названа единица СИЛЫ – ньютон.

Ньютонова физика описывает модель Вселенной, в которой кажется, что все предопределено известными физическими законами.

Исаак Ньютон родился 25 декабря 1642 (или 4 января 1643 г. по грегорианскому календарю) в деревне в Вулсторп.

С 12 лет учился в Грантеме. Юный Исаак, по свидетельству современников, отличался мрачным, замкнутым характером. Мальчишеским шалостям и проказам он предпочитал чтение книг и изготовление примитивных технических игрушек. Мальчиком он любил мастерить механические игрушки, модели водяных мельниц, воздушные змеи.

В 1659 г., по настоянию матери, Ньютон был вынужден вернуться домой, чтобы вести фермерское хозяйство. Но благодаря усилиям учителей, сумевших разглядеть будущий гений, он вернулся в школу. В 1661 г. Ньютон продолжил образование в Кембриджском университете.
Ньютона зачислили в разряд студентов-«сайзеров» (англ. sizar), с которых не брали платы за обучение. По нормам того времени, сайзер был обязан оплачивать своё обучение путём различных работ в Университете, либо путём оказания услуг более богатым студентам. Документальных свидетельств и воспоминаний об этом периоде его жизни сохранилось очень мало. В эти годы окончательно сложился характер Ньютона — стремление дойти до сути, нетерпимость к обману, клевете и угнетению, равнодушие к публичной славе. У него по-прежнему не было друзей.
В апреле 1664 года Ньютон, сдав экзамены, перешёл в более высокую категорию старшекурсников (scholars), что дало ему право на стипендию и продолжение обучения в колледже.

Весной 1663 г. на новой, математической кафедре начались лекции И. Барроу. Известный математик и крупный ученый позже стал близким другом Ньютона. Именно благодаря ему у Исаака возрос интерес к математике. Во время обучения в колледже Ньютон пришел к своему основному математическому методу – разложению функции в бесконечный ряд. В конце этого же года И. Ньютон получил бакалаврскую степень.

Спустя некоторое время, в 1672 году, молодой изобретатель стал членом одного из крупнейших в мире научных сообществ в Лондоне. В 1687 году вышел в свет его грандиознейший труд, под названием «Математические начала натуральной философии», где ученый произвел обобщение накопленного предыдущими учеными (Галилео Галилей, Рене Декарт, Христиан Гюйгенс и др.) научного опыта, а также самостоятельные научные выводы и создал единую систему механики, которая и по сей день является фундаментом физики, как науки.

В 1695 году Ньютон был приглашен на государственную службу, стал смотрителем государственного Монетного двора и руководил перечеканкой монет в королевстве. За заслуги перед короной ученый в 1699 году был представлен к почетному званию директора Монетного двора, а также стал членом Академии наук г.Парижа. В начале 18-го столетия Исаак Ньютон находился на пике славы, возглавил Лондонское королевское общество, в 1705 году был удостоен рыцарского звания, то есть, получил дворянский титул.

Ученый на исходе своей жизни отошел от научной деятельности, находился на государственной службе вплоть до 1725 года.

Здоровье ученого с каждым годом все ухудшалось: весной 1727 года в городке Кенсингтон, близ Лондона, гениальный ученый Исаак Ньютон скончался во сне. После смерти ученый был удостоен больших почестей, был похоронен в Вестминстерском аббатстве рядом с английскими королями и видными политическими лидерами государства.

3. Три закона механики.

Первый закон Ньютона

Первый закон Ньютона постулирует существование инерциальных систем отсчета. Поэтому он также известен как Закон инерции. Инерция — это свойство тела сохранять скорость своего движения неизменной (и по величине, и по направлению), когда на тело не действуют никакие силы. Чтобы изменить скорость движения тела, на него необходимо подействовать с некоторой силой. Естественно, результат действия одинаковых по величине сил на различные тела будет различным. Таким образом, говорят, что тела обладают разной инертностью. Инертность — это свойство тел сопротивляться изменению их скорости. Величина инертности характеризуется  массой тела.

Современная формулировка

В современной физике первый закон Ньютона принято формулировать в следующем виде:

Существуют такие системы отсчёта, называемые инерциальными, относительно которых материальные точки, когда на них не действуют никакие силы (или действуют силы взаимно уравновешенные), находятся в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения.

Историческая формулировка

Ньютон  сформулировал первый закон механики в следующем виде:

Всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние.

Системы отсчета, в которых первый закон Ньютона не выполняется, называют неинерциальными.

Второй закон Ньютона


Второй закон Ньютона — дифференциальный закон движения, описывающий взаимосвязь между приложенной к материальной точке силой и получающимся от этого ускорением этой точки. Фактически, второй закон Ньютона вводит массу как меру проявления инертности материальной точки в выбранной инерциальной системе отсчёта.

Масса материальной точки при этом полагается величиной постоянной во времени и независящей от каких-либо особенностей её движения и взаимодействия с другими телами. 

Современная формулировка

В инерциальной системе отсчёта ускорение, которое получает материальная точка с постоянной массой, прямо пропорционально равнодействующей всех приложенных к ней сил и обратно пропорционально её массе.

При подходящем выборе единиц измерения, этот закон можно записать в виде формулы:

где а – ускорение материальной точки,

F – равнодействующая всех сил, приложенных к материальной точке

m – масса материальной точки

Историческая формулировка

Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.

Третий закон Ньютона

Этот закон описывает, как взаимодействуют две материальные точки. Возьмём для примера замкнутую систему, состоящую из двух материальных точек. Первая точка может действовать на вторую с некоторой силой F1→2 , а вторая — на первую с силой F2→1. Как соотносятся силы? Третий закон Ньютона утверждает: сила действия F1→2 равна по модулю и противоположна по направлению силе противодействия {\displaystyle {\vec {F}}_{2\to 1}} F2→1.
Современная формулировка

Материальные точки взаимодействуют друг с другом силами, имеющими одинаковую природу, направленными вдоль прямой, соединяющей эти точки, равными по модулю и противоположными по направлению:

F1→2= – F2→1

Закон утверждает, что силы возникают лишь попарно, причём любая сила, действующая на тело, имеет источник происхождения в виде другого тела. Иначе говоря, сила всегда есть результат взаимодействия тел. Существование сил, возникших самостоятельно, без взаимодействующих тел, невозможно.

Историческая формулировка

Ньютон дал следующую формулировку закона

Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе — взаимодействия двух тел друг на друга между собою равны и направлены в противоположные стороны.

Особенности законов Ньютона.

4. Опыт №1

1 закон Ньютона.

Мы провели опыт с подтверждением 1 закона Ньютона.

Для этого мы сделали тележку из детского железного конструктора и поставили на нее машинку.

Рядом с ней положили линейку для измерения расстояния. Толкнули тележку равномерно по направлению к препятствию.

На середине пути мы сделали фотографию и увидели, что тележка с машинкой движутся относительно линейки равномерно.

При этом машинка относительно тележки остается в покое.

Через несколько секунд тележка столкнулась с препятствием и остановилась, а машинка по инерции продолжила движение и выпала из тележки.

Вывод: на этом опыте мы убедились в действии 1 закона Ньютона.


5. Опыт №2

3 закон Ньютона.


Мы провели опыт с подтверждением 3 закона Ньютона.

Для этого опыта мы взяли две машинки приблизительно одинаковой массы.

Поставили их по направлению друг к другу и приложили к ним линейку для измерения расстояния.

Потом толкнули две машинки с одинаковой скоростью навстречу друг к другу.

Через две секунды сфотографировали их и увидели, что они находятся на одинаковом расстоянии друг от друга.

Через еще 2 секунды машинки столкнулись.

и оттолкнулись друг от друга на одинаковое расстояние.

Вывод: на этом опыте мы убедились в действии 3 закона Ньютона.

6. Список использованной литературы

1. Лич Дж. У. Классическая механика. М.: Иностр. литература, 1961.

2. Спасский Б. И.. История физики. М., «Высшая школа», 1977.

Том 1. Часть 1-я; Часть 2-я

Том 2. Часть 1-я; Часть 2-я

3. Кудрявцев П. С. Курс истории физики. — М.: Просвещение, 1974.

4. Википедия (Свободная энциклопедия)

Сила и масса. Второй и третий законы Ньютона | Физика для студентов | Студенту | Статьи и обсуждение вопросов образования в Казахстане | Образовательный сайт Казахстана

Как показывает опыт, в ИСО всякое тело получает ускорение либо деформируется только в результате действия на него других тел. В то же время действие одного тела на другое не бывает односторонним – всегда имеет место и обратное действие. Поэтому действия тел друг на друга носят характер взаимодействия. Количественной характеристикой взаимодействия тел служит векторная физическая величина, называемая силой F. Сила считается полностью определенной, если заданы ее модуль, направление в пространстве и точка приложения. Поскольку сила является причиной ускорения, принято считать, что F || a.

Опыт показывает, что ускорения, приобретаемые одним и тем же телом под действием разных сил, пропорциональны этим силам, следовательно, при любой по величине и направлению силе отношение F/a для данного тела остается постоянным. Для разных же тел это отношение различно. Таким образом, отношение F/a характеризует свойство тел препятствовать изменению их скорости, которое в разд. 2.1 было названо инертностью. В качестве количественной меры инертности тел вводится скалярная физическая величина, называемая массой m. В рамках классической механики масса обладает двумя важнейшими свойствами:
1) аддитивностью, т.е. масса составного тела равна сумме масс его частей;
2) постоянством, т. е. масса не изменяется при движении тела.

Второй закон Ньютона: Ускорение материальной точки в инерциальной системе отсчета прямопропорционально действующей на него силе и обратно пропорционально ее массе. Математическая запись этого закона при надлежащем выборе единиц измерения величин имеет вид:

a=F/m

Если на материальную точку одновременно действуют несколько сил F1, F2,…, Fnто полное ускорение a=(1/m)Fi=ai, где ai=Fi/m. Таким образом, каждая из сил, одновременно действующих на материальную точку, сообщает ей такое же ускорение, как если бы других сил не было. Это утверждение выражает принцип независимости действия сил.

Уравнение второго закона Ньютона при решении практических задач удобнее записывать:

F=ma=mdv/dt

Это основное уравнение динамики материальной точки. Учитывая постоянство массы в классической механике, можно внести ее под знак производной:

F=(d/dt)*mv (2. 3)

Векторная величина в скобках mv=p называется импульсом материальной точки. Подставив эту величину в (2.3), получим более общую запись второго закона Ньютона: скорость изменения импульса материальной точки равна действующей на нее силе:

F=dp/dt (2.4)

Выражение (2.4) можно преобразовать к виду:

dp=Fdt

Здесь векторная величина, записанная в правой части, называется элементарным импульсом силы F за бесконечно малое время dt её действия. Это ещё один вариант записи второго закона Ньютона, который может быть сформулирован: изменение импульса материальной точки равно импульсу действующей на неё силы.

Единицей силы в СИ является ньютон (Н): 1 Н – сила, которая массе 1 кг сообщает ускорение 1 м/с2 в направлении действия силы: 1 Н = 1 кг·м/с2.

Третий закон Ньютона: всякое действие материальных точек (тел) друг на друга носит характер взаимодействия. Две материальные точки действуют друг на друга с силами, равными по величине и направленными в противоположные стороны вдоль прямой, соединяющей эти точки:

F12=-F21

где F12 – сила, действующая на первую материальную точку со стороны второй; F21 – сила, действующая на вторую материальную точку со стороны первой. Эти силы приложены к разным материальным точкам, всегда действуют попарно и являются силами одной природы.

Третий закон Ньютона существенно дополняет первый и второй законы. Значимость его в том, что он позволяет перейти от динамики отдельной материальной точки к динамике системы материальных точек.

Законы ньютона классическая механика – Закон

Законы Ньютона. Классическая механика

Законы Ньютона — законы классической механики, позволяющие записать уравнения движения для любой механической системы.

Первый закон Ньютона

Инерциальнои называется та система отсчёта, относительно которой любая, изолированная от внешних воздействий, материальная точка либо покоится, либо сохраняет состояние равномерного прямолинейного движения.

Первый закон Ньютона гласит: существуют такие системы отсчета, относительно которых тела сохраняют свою скорость постоянной, если на них не действуют другие тела и поля (или их действие взаимно скомпенсировано).

По сути, этот закон постулирует инерцию тел, то есть их свойство сопротивляться изменению их текущего состояния.

Второй закон Ньютона

Второй закон Ньютона — дифференциальный закон движения, описывающий взаимосвязь между приложенной к материальной точке силой и получающимся от этого ускорением этой точки. Фактически, второй закон Ньютона вводит массу как мерило проявления инерции материальной точки в выбранной инерциальной системе отсчёта (ИСО).

Второй закон Ньютона утверждает, что в инерциальной системе отсчета ускорение, которое получает материальная точка, прямо пропорционально приложенной к ней силе и обратно пропорционально её массе.

В случае, когда масса материальной точки меняется со временем, второй закон Ньютона формулируется с использованием понятия импульс:

В инерциальной системе отсчета скорость изменения импульса материальной точки равна действующей на неё силе.

Второй закон Ньютона действителен только для скоростей, много меньших скорости света и в инерциальных системах отсчёта. Для скоростей, приближенных к скорости света, используются законы теории относительности.

Нельзя рассматривать частный случай второго закона как эквивалент первого, так как первый закон постулирует существование ИСО, а второй формулируется уже в ИСО.

Третий закон Ньютона

Этот закон объясняет, что происходит с двумя взаимодействующими телами. Возьмём для примера замкнутую систему, состоящую из двух тел. Первое тело может действовать на второе с некоторой силой, а второе — на первое с силой. Как соотносятся силы? Третий закон Ньютона утверждает: сила действия равна по модулю и противоположна по направлению силе противодействия. Подчеркнём, что эти силы приложены к разным телам, а потому вовсе не компенсируются.

Сам закон: Тела действуют друг на друга с силами, имеющими одинаковую природу, направленными вдоль одной и той же прямой, равными по модулю и противоположными по направлению:

Выводы

Из законов Ньютона сразу же следуют некоторые интересные выводы. Так, третий закон Ньютона говорит, что, как бы тела ни взаимодействовали, они не могут изменить свой суммарный импульс: возникает закон сохранения импульса. Далее, надо потребовать, чтобы потенциал взаимодействия двух тел зависел только от модуля разности координат этих тел U( | rl – r2 | ). Тогда возникает закон сохранения суммарной механической энергии взаимодействующих тел:

Законы Ньютона являются основными законами механики. Из них могут быть выведены все остальные законы механики.

Комментарии к законам Ньютона Сила инерции

Законы Ньютона, строго говоря, справедливы только в инерциальных системах отсчета. Если мы честно запишем уравнение движения тела в неинерциальной системе отсчета, то оно будет по виду отличаться от второго закона Ньютона. Однако часто, для упрощения рассмотрения, вводят некую фиктивную «силу инерции», и тогда эти уравнения движения переписываются в виде, очень похожем на второй закон Ньютона. Математически здесь всё корректно (правильно), но с точки зрения физики новую фиктивную силу нельзя рассматривать как нечто реальное, как результат некоторого реального взаимодействия. Ещё раз подчеркнём: «сила инерции» — это лишь удобная параметризация того, как отличаются законы движения в инерциальнои и неинерциальнои системах отсчета.

Законы Ньютона и Лагранжева механика

Законы Ньютона — не самый глубокий уровень формулирования классической механики. В рамках Лагранжевой механики имеется одна-единственная формула (запись механического действия) и один-единственный постулат (тела движутся так, чтобы действие было стационарным), и из этого можно вывести все законы Ньютона. Более того, в рамках Лагранжева формализма можно легко рассмотреть гипотетические ситуации, в которых действие имеет какой-либо другой вид. При этом уравнения движения станут уже непохожими на законы Ньютона, но сама классическая механика будет по-прежнему применима. ..

3.3: Соединение Первого и Второго законов Ньютона

Рисунок 3.3.1

Это изображение Базза Олдрина, одного из первых людей, ступивших на Луну. Аполлон-11 был космическим полетом, в ходе которого 20 июля 1969 года первые люди, Нил Армстронг и Базз Олдрин высадили на Луну первых людей. Армстронг стал первым, кто ступил на поверхность Луны 6 часами позже, 21 июля. Как вы, наверное, уже знаете, люди весить на Луне меньше, чем на Земле; это потому, что сила тяжести на Луне меньше, чем на Земле.

Первый и Второй законы движения Ньютона

Сила – это толкание или притяжение объекта.Когда вы кладете книгу на стол, она толкает стол вниз, а стол толкает книгу вверх. Две силы равны, и книга не движется. Если, с другой стороны, вы подержите книгу в воздухе и отпустите, сила тяжести прижмет книгу к земле.

Если вы сдвинете книгу по полу или по столу, на нее будет действовать сила трения, которая действует в направлении, противоположном движению. Эта сила замедлит движение книги и в конечном итоге остановит ее.Более гладкая поверхность имеет меньшую силу трения, что позволяет книге скользить дальше, прежде чем она остановится. Если бы можно было создать идеально гладкий пол, не было бы трения, и книга скользила бы вечно с постоянной скоростью.

Первый закон движения Ньютона гласит, что неподвижный объект будет оставаться в покое, а объект в движении останется в движении. Он описывает явление под названием инерция . Инерция – это тенденция объекта сопротивляться изменению состояния движения.В отсутствие какой-либо силы объект будет продолжать двигаться с той же постоянной скоростью и по той же прямой линии. Если объект находится в состоянии покоя, при отсутствии какой-либо силы он останется неподвижным. Первый закон Ньютона гласит, что объект, на который не действует сила, движется с постоянной скоростью. (Постоянная скорость, конечно, может составлять 0 м / с.)

Согласно Первому закону Ньютона, нужна ли сила, чтобы сани скользили по льду с постоянной скоростью? Используйте моделирование ниже, чтобы узнать больше:

Первый закон Ньютона эквивалентен утверждению, что «если на объект нет действующей силы, не будет и ускорения. «В отсутствие ускорения объект будет оставаться в покое или будет двигаться с постоянной скоростью по прямой линии. Ускорение объекта – результат неуравновешенной силы. Если на объект действуют две силы, движение объекта определяется суммарной силой. Величина ускорения прямо пропорциональна величине неуравновешенной силы. Направление ускорения совпадает с направлением неуравновешенной силы. Величина ускорения обратно пропорциональна массе объекта; чем массивнее объект, тем меньше ускорение, создаваемое той же силой.

Эти отношения сформулированы во втором законе движения Ньютона : «Ускорение объекта прямо пропорционально чистой силе, действующей на объект, и обратно пропорционально массе объекта».

Второй закон Ньютона можно выразить уравнением:

a = F / m или чаще, F = ma

Согласно второму закону Ньютона, новая сила, действующая на объект, заставляет его ускоряться. Однако чем больше масса, тем меньше ускорение.Мы говорим, что более массивный объект имеет большую инерцию.

Единицы измерения силы определяются уравнением Второго закона Ньютона. Предположим, мы хотим выразить силу, которая придаст объекту массой 1,00 кг ускорение 1,00 м / с 2 .

F = ma = (1,00 кг) (1,00 м / с 2 ) = 1,00 кгм / с 2

Эта единица определяется как 1,00 ньютон или 1,00 Н.

кг⋅м / с 2 = ньютон

Какие силы действуют на вас?

Классическим физическим примером применения Второго закона Ньютона является ускорение, которое мы испытываем при езде в лифте.Как вы можете ускориться вверх, если ваш вес (или сила тяжести) всегда остается неизменной? В какие моменты вы ускоряетесь в лифте? Замедление? Двигаетесь с постоянной скоростью? Какая чистая сила требуется для возникновения этих ускорений? Используйте приведенное ниже моделирование, чтобы изучить эти вопросы и глубже понять Второй закон Ньютона:

Примеры

Пример 3.3.1

Какая сила требуется для разгона автомобиля массой 2000 кг со скоростью 2 000 м / с 2 ?

Решение

F = ma = (2000. кг) (2.000 м / с 2 ) = 4000. №

Пример 3.3.2

К камню прилагается чистая сила 150 Н. Благодаря этой силе скала имеет ускорение 20 м / с 2 . Какая масса у камня?

Решение

м = F / a = (150 Н) (20. М / с 2 ) = 7,5 кг

Пример 3.3.3

К мячу прилагается чистая сила 100. Н. Если мяч имеет массу 0,72 кг, какое ускорение он будет испытывать?

Решение

a = F / m = (100.Н) (0,72 кг) = 140 м / с 2

Примените второй закон Ньютона в этой модели, чтобы определить ускорение воздушного судна с заданной массой и множеством сил, действующих на нее:

Сводка

  • Сила – это толкание или притяжение объекта.
  • Первый закон Ньютона гласит, что объект, на который не действует действующая сила, остается в покое или движется с постоянной скоростью по прямой.
  • Второй закон Ньютона гласит, что ускорение объекта прямо пропорционально чистой силе, действующей на объект, и обратно пропорционально массе объекта.
  • Второй закон Ньютона выражается уравнением F = ma.

Обзор

  1. Автомобиль массой 1200 кг, движущийся на запад со скоростью 30 м / с, замедляется до остановки на расстоянии 50 м тормозами автомобиля. Какая была тормозная сила?
  2. Рассчитайте среднюю силу, которая должна быть приложена к бейсбольному мячу весом 0,145 кг, чтобы придать ему ускорение 130 м / с. 2 .
  3. После того, как ракетный корабль, летящий с Земли на Луну, покидает гравитационное поле Земли, он может выключить свой двигатель, и корабль продолжит движение к Луне из-за гравитационного притяжения Луны.
    1. Истинно
    2. Ложь
  4. Если космический корабль, движущийся со скоростью 1000 миль в час, входит в зону, свободную от гравитационных сил, его двигатель должен работать на некотором минимальном уровне, чтобы поддерживать скорость корабля.
    1. Истинно
    2. Ложь
  5. Предположим, космический корабль, движущийся со скоростью 1000 миль в час, входит в зону, свободную от гравитационных сил и сопротивления воздуха. Если пилот хочет замедлить корабль, он может сделать это, выключив двигатель на некоторое время.
    1. Истинно
    2. Ложь

Узнать больше

Используйте указанный ниже ресурс, чтобы ответить на следующие вопросы.

  1. Что такое двигатель героя?
  2. Каким образом Первый закон Ньютона связан с Двигателем Героя?
  3. Почему желтый шар идет дальше?

Дополнительные ресурсы

PLIX: Играйте, учитесь, взаимодействуйте, исследуйте: первый и второй законы Ньютона, боулинг для физики, определение чистой силы, воздушные шары, силы полета

Видео:

Учебное пособие: Учебное пособие по законам Ньютона

Что такое второй закон движения Ньютона?

Когда Исаак Ньютон разработал свои три закона движения в 1666 году (опубликованные в 1686 году), он дал изучению движения теоретическую основу, которая и по сей день служит основой современной физики.

И хотя Альберт Эйнштейн несколько затмил его работу, как в области гравитации, так и в популярном воображении, его работа по-прежнему важна даже для самых тривиальных инженерных проектов, а также для самых смелых.

Законы движения Ньютона известны своим определением инерции и хорошо известным правилом, согласно которому каждое действие будет иметь равную и противоположную реакцию. Но, прежде всего, именно математика, стоящая за всем этим, делает работу Ньютона настолько революционной – а закон, который все склонны пропускать, – это математика движения.

Законы движения Ньютона

Законы движения Иссака Ньютона можно определить как:

  1. Покоящийся объект остается в покое, а объект в движении будет оставаться в движении с постоянной скоростью по прямой линии, если только другой на него действует сила.
  2. Ускорение объекта зависит от массы объекта и величины приложенной силы.
  3. Каждый раз, когда один объект оказывает силу на другой объект, второй объект оказывает на первый равную и противоположную силу.

Вкратце, первый закон гласит, что когда объект находится в состоянии покоя, вам необходимо преодолеть его инерцию , чтобы ускорить его. Точно так же, когда вы хотите остановить движущийся объект или направить его в другом направлении, вам также необходимо преодолеть инерцию этого объекта, чтобы замедлить его до состояния покоя.

Это довольно интуитивно понятно для большинства людей. Если вы едете на машине с превышением скорости и внезапно пытаетесь сделать поворот без замедления, ваша машина, вероятно, перейдет на следующую полосу движения, и вы полностью пропустите поворот, потому что не смогли преодолеть инерцию машины.

Точно так же становится легче сделать этот поворот, когда скорость автомобиля намного меньше, потому что инерция автомобиля меньше – где-то между инерцией движущегося с превышением скорости автомобиля и автомобиля, который припаркован.

Наконец, вы вообще не можете повернуть припаркованный автомобиль без приложения силы двигателя (или толчка), чтобы преодолеть инерцию припаркованного автомобиля, которая удерживает его на месте.

Третий закон Ньютона вкратце означает, что если самолет взлетает, его вес толкает крылья самолета вниз под действием силы тяжести.С другой стороны, воздух, движущийся под крыльями, толкает нижнюю часть крыла, создавая подъемную силу.

Есть бесчисленное множество других подобных примеров, которые вы можете найти, но все они будут иметь одну общую черту: математику, которая управляет поведением и результатом всех этих взаимодействий, можно найти во втором законе движения.

Что такое второй закон движения Ньютона и почему он важен?

Второй закон Ньютона состоит в том, что ускорение объекта зависит от массы объекта и приложенной силы.Звучит достаточно просто, но это еще не все.

Во-первых, нам нужно определить несколько терминов, чтобы это имело смысл. Первый – , скорость , которая является мерой того, насколько быстро объект движется в данный момент времени. Второй – , масса , физическая мера того, сколько вещества содержит объект. Когда вы умножаете эти два, вы получаете третий член, называемый импульсом объекта .

Сила , таким образом, определяется как равное изменению импульса объекта, деленному на изменение во времени.Это дает нам два разных уравнения, которые мы можем использовать для вычисления меры силы.

Во-первых, имея дело с объектом постоянной массы, вы просто делите изменение скорости на изменение во времени, так:

Сила = ( v 1 v 0 ) / ( т 1 т 0 )

Это также формула для ускорения, поэтому мы обычно просто говорим:

Сила = масса x ускорение

Но есть некоторые очень важные обстоятельства, когда масса объекта непостоянна, например, во время запуска ракеты или коммерческого пассажирского самолета, или почти каждый раз, когда объект сжигает большое количество топлива для создания скорости.

В этих случаях мы говорим:

Сила = ( м 1 v 1 м 0 v 0 ) / ( t 1 20 t 0 )

Это различие важно проводить, поскольку Второй закон Ньютона особенно важен, когда мы делаем такие вещи, как запуск ракет или расчет количества топлива, необходимого самолету для перелета из одного города в другой, и все из которых важные вопросы в инженерии.

Вы также могли заметить, что два приведенных выше уравнения – это дифференциальных уравнений , которые являются основополагающим компонентом исчисления, которые сам Ньютон (вместе с Готфридом Лейбницем) разработал и систематизировал. С точки зрения вычислений, мы могли бы написать

Сила = дм / dt

Где сила равна производной от м, определяется как импульс объекта по отношению ко времени, т .

Как мы используем Второй закон Ньютона в технике?

Вы когда-нибудь смотрели запуск ракеты SpaceX? Второй закон Ньютона не только является одним из самых невероятных зрелищ нашего времени, но и важен для понимания того, как мы можем двигать ракету такой массивной, как Falcon 9, против притяжения Земли, чтобы вывести ее на орбиту.

Есть много других практических обстоятельств, когда нам нужно использовать второй закон движения Ньютона, чтобы определить, как объекты будут вести себя при приложении определенной силы.

Вероятно, наиболее прямое применение второго закона движения Ньютона – это баллистика, которая позволяет рассчитывать траекторию полета снаряда с высокой степенью точности.

Пушка использовалась веками до того, как родился Ньютон, возможно, самое известное раннее использование пушки было, когда османы использовали ее, чтобы взорвать стены Константинополя в 1453 году. Но без второго закона движения Ньютона, артиллерийские офицеры в значительной степени направил пушку в общем направлении цели и произвел специальные оценки, основанные на том, где приземлились снаряды, чтобы сузить цель.

Второй закон Ньютона сделал возможными более точные расчеты траекторий, что сделало артиллерию гораздо более смертоносной в последующие столетия, поскольку офицеры могли вычислить, куда упадет пушечное ядро ​​или снаряд, еще до того, как оно будет выпущено.

Менее агрессивные применения Второго закона движения Ньютона были бы важны во время промышленной революции. С появлением парового двигателя (а вместе с ним и локомотивов, пароходов и промышленных предприятий) то, как приводить в действие двигатель и как использовать силу, создаваемую двигателем для поворота систем шестерен за счет ускорения, стало столь же важным, как и развитие современных технологий. бухгалтерский учет для владельца фабрики.

Хотя владельцы фабрик, возможно, не знали, как делать всю эту математику, у них были инженеры, которые знали, потому что у них был второй закон движения Ньютона и математика, которую он им давал. Возможно, не случайно, что промышленная революция в Англии началась менее чем через столетие после того, как Ньютон опубликовал « Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica».

В доиндустриальном мире распространять этот материал за пределами академии требовалось время, но распространить это удалось.Те, кто изучал и изучал классическую механику, вдохновленную Вторым законом движения, не теряли даром времени, используя ее для преобразования мира с помощью машин.

Больше всего на свете именно это делает Второй закон движения Ньютона, возможно, более важным, чем два других, поскольку второй закон – это тот, который показал нам, как вычислить, что нужно для перемещения гор.

Законы движения Ньютона | Блестящая вики по математике и науке

Одним из первых шагов к решению проблемы механики является определение всех соответствующих сил. Мы говорим, что объект, который имеет некоторую скорость sss в данном направлении, будет продолжать двигаться со скоростью sss в том же направлении, если только на него не будет действовать внешнее воздействие: сила FFF. Сила – это все, что может заставить частицы изменять свою скорость или направление в зависимости от наблюдателя, который движется с постоянной скоростью. Силы, пожалуй, наиболее четко определены в формулировке первого закона:

.

Первый закон Ньютона гласит, что Δv = 0 \ Delta v = 0Δv = 0, если на него не действует ненулевая сила, Fnet ≠ 0.F_ \ textrm {net} \ neq 0. Fnet  = 0.

Очевидно, сила – это то, что вызывает измеримое изменение скорости объекта согласно инерциальному наблюдателю. Здесь мы четко обозначим, что мы можем понимать под наблюдателем . Хотя в этом нет необходимости, наблюдателя можно рассматривать как ученого, производящего измерение, хотя в принципе не обязательно должно быть какое-либо разумное существо или даже какое-либо измерение, производимое наблюдателем в физическом смысле этого слова.

Если измерение выполняется наблюдателем, который движется с постоянной скоростью, мы называем наблюдателя инерционным наблюдателем.Мы также говорим, что они находятся в инерциальной системе отсчета . Каждое изменение в движении, которое измеряет инерционный наблюдатель, является результатом действия некоторой силы. Более того, все инерционные наблюдатели согласятся друг с другом в отношении регистрируемых ими изменений движения.

Напротив, человек, сидящий в ускоряющемся поезде, – неинерциальный наблюдатель. Если бы игрушечную машинку поставить на землю перед поездом, она бы показалась (кондуктору) ускоряющейся к передней части поезда.Однако игрушечная машинка на самом деле не «движется», а поезд ускоряется к ней! Это «измерение» является чисто следствием собственного движения наблюдателя и не вызвано какой-либо реальной силой.

Таким образом, при определении сил нужно быть уверенным, что рассматриваемая ими рамка инерционна.

Кто-то, кто сидит в поезде, двигающемся строго на север со скоростью uuu относительно земли, является инерционным наблюдателем. Если бы они измеряли движение некоторого объекта, который движется вне поезда с постоянной скоростью vvv (например, колибри), они согласились бы со всеми другими инерционными наблюдателями, что Δv = 0 \ Delta v = 0Δv = 0.Единственная разница между их измерениями и измерениями других инерциальных наблюдателей могла заключаться в абсолютной скорости колибри.

Законы Ньютона не касаются скоростей как таковых, а только их изменения. С точки зрения инерциального наблюдателя ускорение – это признак лежащей в основе силы. Инерциальные наблюдатели не замечают иллюзорных ускорений, вызванных их собственным движением. Когда мы наблюдаем ускоряющийся объект в инерциальной системе отсчета, мы можем найти силу, которая его вызывает.\ primevhummingbird  = vhummingbird ′, измерено двумя инерциальными наблюдателями. Нет ощущаемых ускорений, которые могут возникнуть исключительно из-за собственного движения наблюдателя.

Давайте посмотрим на несколько примеров:

Airbus взлетный:

Во время взлета пассажирский самолет разгоняется от нуля до взлетной скорости, так что Δv = vtakeoff \ Delta v = v_ \ textrm {takeoff} Δv = vtakeoff. Что вызывает это ускорение?


Ускорение Airbus вызывается силой тяги двигателей.Двигатели ускоряют молекулы воздуха, выбрасывая воздух назад с очень высокой скоростью. Поскольку силы уравновешены, самолет продвигается вперед с той же силой.

Трехочковый Джимми:

Imgur

Джимми играет защитника на баскетбольном турнире. Он делает бросок и набирает 3 очка. Во время удара мяч покидает его руки, поднимается в воздух и падает обратно в сетку. Если сопротивление воздуха незначительно, что заставляет мяч опускаться?


После того, как мяч покидает руки Джимми, он испытывает одну силу: нисходящую силу тяжести.2g≈10 м / с2, поэтому при подъеме мяч замедляется, а затем падает обратно. Горизонтальное движение мяча не меняется во время полета, так как на мяч горизонтально не действует сила.

Кимми на спуске:

Кимми сейчас идет на склон, чтобы проверить фактические характеристики своей одежды. Она стартует на вершине склона и набирает скорость. Набрав скорость 202020 миль в час, она стабильно скатывается вниз.Затем она тормозит и полностью останавливается. Объясните соотношение сил во время ее спуска.


Сила, тянущая ее вниз по склону, то есть сила тяжести, направленная вниз, является источником ее ускорения. Во время ее ускорения эта сила тяжести больше, чем сумма сил сопротивления воздуха и силы трения между лыжами и склоном.

Когда она скользит вниз со скоростью 202020 миль в час, Δv = 0 \ Delta v = 0Δv = 0, что означает, что чистая сила равна нулю.Таким образом, сила тяжести и сумма сил сопротивления воздуха и силы трения равны по величине. Когда она нажимает на тормоза, сумма силы трения и сопротивления воздуха становится больше силы тяжести и позволяет ей замедлиться и остановиться.

Мы можем выразить эти отношения между силами следующим образом:

(1) Фаза ускорения: «Гравитация»> «Справедливость + трение» (2) Фаза равномерного движения: «Гравитация» = «Справедливость + трение» (3) Фаза замедления: «Гравитация» <«Яркость + трение». \ begin {array} {rrl} (1) & \ text {Фаза ускорения:} & \ lvert F_ \ textrm {gravity} \ rvert> \ lvert F_ \ textrm {air} + F_ \ textrm {friction} \ rvert \\ (2) & \ text {Равномерная фаза движения:} & \ lvert F_ \ textrm {gravity} \ rvert = \ lvert F_ \ textrm {air} + F_ \ textrm {friction} \ rvert \\ (3) & \ text {Фаза замедления:} & \ lvert F_ \ textrm {gravity} \ rvert <\ lvert F_ \ textrm {air} + F_ \ textrm {friction} \ rvert. \ end {array} (1) (2) (3) Фаза ускорения: Фаза равномерного движения: Фаза замедления: ∣Fgravity ∣> ∣Fair + Friction ∣∣Fgravity ∣ = ∣Fair + Ffriction ∣ ∣Fgravity ∣

Занос автомобилей:

Когда автомобиль останавливается на светофоре, дорога натягивает автомобиль через резиновые колеса, и его скорость уменьшается по величине. На автомобиль действует сила трения.

Примеров в спорте с мячом немало.

Удар по бейсбольному мячу:

Когда игрок ударяет по бейсболу битой, бита толкает мяч, и скорость мяча изначально снижается. Затем направление движения мяча меняется на противоположное, и мяч снова ускоряется в противоположном направлении. На мяч действует сила контакта.

В других видах спорта есть и лучшие примеры

Скейтборд ollie:

Фигурист отрывается от земли, ударяя скейтбордом о землю с силой FkickF_ \ textrm {kick} Fkick, отталкивая его от земли со скоростью vvv.Как только они находятся в воздухе, они сразу же начинают терять скорость до вершины своего прыжка, затем v = 0v = 0v = 0. После пика они снова ускоряются к земле.

Отправьте свой ответ

Тело массой 40 кг движется по прямой по гладкой горизонтальной поверхности. Его скорость снижается с 5,0 до 2,0 м / с за 6 секунд.

Как далеко (в метрах) он пролетит за это время?

Три закона движения Ньютона при автокатастрофе

Три закона движения, изложенные сэром Исааком Ньютоном, проявляются почти во всех действиях, которые происходят в повседневной жизни, включая автомобильные аварии.

3 закона движения

Три закона движения, изложенные сэром Исааком Ньютоном, проявляются почти во всех действиях, которые происходят в повседневной жизни, включая автомобильные аварии.От летающей птицы до гоночного автомобиля – эти законы, управляющие движением, распространены повсеместно. Фактически, почти 99% всех действий в нашем физическом мире обычно регулируются этими законами. Законы движения Ньютона очень важны при проектировании самолетов, спортивного инвентаря, автомобилей, поездов и игрушек среди прочего оборудования для движения. В этой статье мы объясняем 3 закона движения Ньютона в автокатастрофе.

Первый закон движения Ньютона

Первый закон движения Ньютона гласит, что движущееся тело будет продолжать двигаться с той же скоростью, а также в том же направлении, или, если оно находится в состоянии покоя, оно будет продолжать движение до тех пор, пока на него не будет действовать внешняя сила.Другими словами, у объектов есть естественная тенденция продолжать делать то, что они делали, до тех пор, пока на них не начнут действовать. В отсутствие внешней силы движущееся тело будет поддерживать состояние движения, в котором оно находилось, или будет продолжать находиться в состоянии покоя. Этот закон обычно называют законом инерции.

Этот закон лучше всего иллюстрируется при вождении грузовиков или легковых автомобилей. На самом деле, тенденция тела продолжать движение – очень частая причина различных транспортных травм. Например, рассмотрим случай, когда автомобиль случайно сталкивается с неподвижной стеной. Когда автомобиль сталкивается со стеной, на автомобиль действует внешняя и неуравновешенная сила, что приводит к резкому торможению автомобиля до состояния покоя. Все остальные пассажиры внутри автомобиля также тормозятся, чтобы отдохнуть, если они пристегнуты. Когда вы крепко привязаны к машине, вы также будете в том же состоянии движения, что и машина.

Когда автомобиль ускоряется, пассажиры стремятся ускоряться вместе с ним.Когда он замедляется, пассажиры также замедляются вместе с ним. Если автомобиль движется с постоянной скоростью, пассажиры также будут поддерживать эту постоянную скорость. Что происходит, если пассажиры не пристегнуты ремнем безопасности?

Если автомобиль внезапно остановится после столкновения со стеной, пассажиры не будут находиться в том же состоянии движения, что и автомобиль. Использование ремней безопасности гарантирует наличие необходимых сил для ускорения или даже замедления движения. Когда ремень безопасности не используется, пассажир будет продолжать движение.Таким образом, они будут выброшены из автомобиля, а затем подброшены в воздух.

Второй закон движения Ньютона

Второй закон движения Ньютона гласит, что объект, на который действует сила, будет ускоряться таким образом, что сила равна массе, умноженной на ускорение. Математически это представлено как F = ma. Другими словами, в нем говорится, что сила, приложенная при столкновении, пропорциональна массе столкнувшихся автомобилей. Это означает, что чем больше сила удара по автомобилям, тем больше прилагаемая сила, что подразумевает большее разрушение.Обратное также верно. Если масса сталкивающихся транспортных средств меньше, будет приложено меньше силы, что означает меньшие разрушения в целом.

Третий закон движения Ньютона

Этот закон гласит, что действие и противодействие равны и противоположны. Короче говоря, на каждое действие будет равная противоположная реакция. Закон о сохранении энергии, а также упоминает вклад силы. По сути, сила определяется как толчок или притяжение определенного объекта, и это связано с взаимодействием с этим объектом.В контексте автомобильной аварии это означает, что сила, с которой автомобиль врезается в стену, приводит к тому, что стена оказывает такое же усилие на капот, что приводит к повреждению. Направление сил также будет противоположным.

Итак, когда машина врезается в стену – стена также врезается в машину. Кроме того, именно поэтому движение по льду так сложно – обледенелая дорога означает меньшее трение, поэтому машина не может толкать ее так сильно, а дорога не может толкать машину.

Три закона движения Ньютона при автокатастрофе

3 закона движения Ньютона очень важны для понимания физики автомобилей.Понимание их позволит вам понять науку о столкновении автомобиля и понять, почему так важно пристегиваться ремнем безопасности.

Ньютонов Законы движения | Encyclopedia.com

КОНЦЕПЦИЯ

Во всей вселенной есть несколько идей более фундаментальных, чем те, которые выражены в трех законах движения. Вместе они объясняют, почему относительно трудно начать движение, а затем перестать двигаться; сколько силы нужно, чтобы начать или остановиться в данной ситуации; и как одна сила соотносится с другой.В своей красоте и простоте эти заповеди столь же убедительны, как стихотворение, и, как лучшие стихотворения, они определяют то, что находит отклик во всей жизни. Применение этих трех законов буквально безгранично: от планет, движущихся в космосе до первых секунд автокатастрофы, до действий, которые происходят, когда человек ходит. Действительно, законы движения являются такой частью повседневной жизни, что такие термины, как инерция, сила и реакция, простираются до области метафоры, описывая эмоциональные процессы в такой же степени, как и физические.

КАК ЭТО РАБОТАЕТ

Три закона движения являются фундаментальными для механики или изучения движущихся тел. Эти законы можно сформулировать по-разному, если предположить, что они содержат все компоненты, определенные сэром Исааком Ньютоном (1642-1727). Именно на его формулировке основано следующее:

Три закона движения

  • Первый закон движения: объект в состоянии покоя будет оставаться в состоянии покоя, а объект в движении будет оставаться в движении с постоянной скоростью, если только или пока на него не подействуют внешние силы.
  • Второй закон движения: Чистая сила, действующая на объект, является произведением его массы, умноженной на его ускорение.
  • Третий закон движения: когда один объект воздействует на другой, второй объект оказывает на первый силу, равную по величине, но противоположную по направлению.

Законы человека против законов природы

Это, конечно, не «законы» в том смысле, в котором люди обычно понимают этот термин. Человеческие законы, такие как запреты воровства или парковки на пожарной полосе, носят предписывающий характер: они устанавливают, каким должен быть мир.За предписывающими положениями гражданского права, поддерживающими их и оказывающими влияние, стоит механизм – полиция, суды и штрафы – для обеспечения того, чтобы граждане подчинялись.

Научный закон действует прямо противоположным образом. Здесь сначала идет механизм обеспечения того, чтобы природа «подчинялась» закону, а сам «закон» является просто описательным утверждением, касающимся очевидного поведения. С человеческим или гражданским правом явно возможно неповиновение: следовательно, существует система правосудия, чтобы препятствовать непослушанию.В случае научного права неповиновение явно невозможно, а если бы это было не так, в закон пришлось бы внести поправки.

Однако это не означает, что научные законы выходят за пределы своих узко определенных границ. На Земле вторжение внешних сил – в первую очередь трения – мешает объектам вести себя идеально в соответствии с первым законом движения. Принятое здравым смыслом определение трения напоминает, например, действие, которое совершает спичка во время удара; Однако в более широком научном смысле трение можно определить как любую силу, которая сопротивляется относительному движению между двумя контактирующими телами.

Действия физических сил на Земле постоянно подвергаются трению, и это касается не только сухих тел, но, например, жидкостей, которые подвержены вязкости или внутреннему трению. Сам воздух подвержен вязкости, которая мешает объектам вести себя в соответствии с первым законом движения. Другие силы, в первую очередь сила тяжести, также вступают в игру, останавливая бесконечное движение объектов после того, как они были приведены в движение.

Вакуум космического пространства представляет ученым наиболее совершенную естественную лабораторию для проверки первого закона движения: теоретически, если бы они отправили космический корабль за пределы радиуса орбиты Земли, он бы продолжал путешествовать бесконечно.Но даже этот аппарат, скорее всего, столкнется с другим объектом, например, с планетой, и затем будет втянут на свою орбиту. В таком случае, однако, можно сказать, что на него воздействовали внешние силы, и, таким образом, первый закон движения остается в силе.

Орбита спутника вокруг Земли иллюстрирует как истинность первого закона, так и ограничивающие его силы. Чтобы преодолеть силу тяжести, космический корабль с двигателем должен отправить спутник в экзосферу. Тем не менее, как только он достигнет вакуума без трения, спутник будет бесконечно перемещаться вокруг Земли без потребности в движущей силе двигателя – он получит «бесплатную поездку», благодаря первому закону движения.Однако, в отличие от описанного выше гипотетического космического корабля, он не полетит в космос, потому что он все еще слишком близко к Земле. Гравитация планеты удерживает ее на фиксированной высоте, и на этой высоте она теоретически может бесконечно вращаться вокруг Земли.

Первый закон движения заслуживает особого внимания не только потому, что это первый закон. Тем не менее, это первое неслучайно, потому что оно устанавливает основу для описания поведения объекта в движении. Второй закон определяет средства определения силы, необходимой для перемещения объекта или остановки его движения, а третий закон дает картину того, что происходит, когда два объекта оказывают силу друг на друга.

Первый закон заслуживает особого внимания из-за недоразумений, связанных с ним, которые вызвали споры, которые длились почти двадцать веков. Аристотель (384-322 гг. До н.э.) был первым ученым, который серьезно рассмотрел то, что сейчас известно как первый закон движения, хотя на самом деле этот термин появился не раньше, чем через две тысячи лет после его смерти. Как следует из названия, его Physics был основополагающим трудом, книгой, в которой Аристотель пытался придать форму и, таким образом, определить территорию исследований, касающихся действия физических процессов.Однако, несмотря на многочисленные достижения великого философа, « Physics » – работа с большим недостатком, особенно в отношении того, что стало известно как его теория импульса, то есть явлений, рассматриваемых в первом законе движения.

Ошибка Аристотеля

Согласно Аристотелю, движущийся объект требует постоянного приложения силы, чтобы поддерживать его движение: как только эта сила больше не применяется, он перестает двигаться. Вы можете возразить, что, когда мяч находится в полете, сила, необходимая для его перемещения, уже приложена: человек бросил мяч, и теперь он находится на пути, который в конечном итоге будет остановлен силой тяжести.Аристотель, однако, утверждал, что воздух сам по себе действует как сила, удерживающая мяч в полете, и что когда мяч падает – конечно, он не имел понятия о “гравитации” как таковой – это происходит потому, что сила воздуха на мяч больше не действует.

Эти представления могут показаться современному уму явно абсурдными, но они практически не подвергались сомнению в течение тысячи лет. Затем, в шестом веке нашей эры, византийский философ Иоганн Филопон (ок. 490-570) написал критический анализ физики . Филопон утверждал, что тело будет двигаться без трения или противодействия, что очень похоже на предшественник первого закона движения.

Далее он утверждал, что скорость пропорциональна положительной разнице между силой и сопротивлением – другими словами, сила, толкающая объект, должна быть больше, чем сопротивление. Филопон утверждал, что пока сила превышает сопротивление, тело будет оставаться в движении. На самом деле это правда: если вы хотите толкнуть холодильник по покрытому ковром полу, вам нужно приложить достаточно силы не только для того, чтобы толкнуть холодильник, но и для преодоления трения с полом.

Арабские философы Ибн Сина (Авиценна; 980-1037) и Ибн Баджжа (Авемпас; ок. 1100) защищали позицию Филопона, а французский ученый Питер Джон Оливи (1248-1298) стал первым западным мыслителем, критиковавшим Аристотелевскую философию. заявления о побуждении. Однако реальный прогресс в этом вопросе не возобновился до времен Жана Буридана (1300–1358), французского физика, который пошел намного дальше, чем Филопон восемь веков назад.

В своем письме Буридан предложил поразительно точный анализ импульса, который проработал все три закона движения.Позиция Буридана заключалась в том, что один объект передает другому определенное количество энергии, пропорциональное его скорости и массе, что заставляет второй объект перемещаться на определенное расстояние. Это, как будет показано ниже, было удивительно близко к действительности. Он также был прав, заявив, что вес объекта может увеличивать или уменьшать его скорость в зависимости от других обстоятельств, и что сопротивление воздуха замедляет движение объекта.

Настоящий прорыв в понимании законов движения, однако, стал результатом работы трех выдающихся людей, чьи жизни длились почти 250 лет.Первым был Николай Коперник (1473-1543), который выдвинул то, что тогда было еретическим понятием: Земля, а не центр Вселенной, вращается вокруг Солнца вместе с другими планетами. Однако Коперник изложил свои доводы исключительно с точки зрения астрономии, не имея прямого отношения к физике.

Вызов Галилея: модель Коперника

Галилео Галилей (1564–1642) также придерживался гелиоцентрической (центрированной по Солнцу) модели Вселенной – Позиция, которую церковь вынудила публично отречься от него под страхом смерти.В результате своего осуждения Галилей понял, что для доказательства модели Коперника необходимо показать, почему планеты остаются в движении именно так. Объясняя это, он ввел термин инерция для описания тенденции движущегося объекта оставаться в движении, а объекта в состоянии покоя – оставаться в покое. Фактически, наблюдения Галилея легли в основу законов движения.

В годы, последовавшие за смертью Галилея, некоторые из величайших научных умов мира были вовлечены в попытки понять силы, которые поддерживали движение планет вокруг Солнца.Среди них были Иоганн Кеплер (1571-1630), Роберт Гук (1635-1703) и Эдмунд Галлей (1656-1742). В результате спора между Гуком и сэром Кристофером Реном (1632-1723) по этому поводу Галлей обратился с вопросом к своему уважаемому другу Исааку Ньютону. Как оказалось, Ньютон давно рассматривал возможность существования определенных законов движения, и их он представил в окончательной форме в своей книге Principia (1687).

Воздействие книги Ньютона, в которую вошли его наблюдения о гравитации, было не чем иным, как захватывающим дух.В течение следующих трех столетий человеческое воображение будет управляться ньютоновскими рамками, и только в двадцатом веке появление новых идей обнаружит его ограничения. Однако даже сегодня, вне области квантовой механики и теории относительности – другими словами, в мире повседневного опыта – законы движения Ньютона остаются в силе.

РЕАЛЬНЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ

Первый закон движения в автокатастрофе

Теперь уместно вернуться к первому закону движения, сформулированному Ньютоном: объект в состоянии покоя будет оставаться в состоянии покоя, а объект в состоянии покоя. движение будет оставаться в движении с постоянной скоростью до тех пор, пока на него не будут действовать внешние силы.Примеры этого первого закона в действии буквально безграничны.

Одна из лучших иллюстраций, по сути, связана с чем-то совершенно не связанным с опытом самого Ньютона: автомобилем. Когда автомобиль движется по шоссе, он имеет тенденцию оставаться в движении, если какая-то внешняя сила не изменит его скорость. Последний термин, хотя обычно понимается как то же самое, что и скорость, на самом деле более конкретен: скорость может быть определена как скорость объекта в определенном направлении.

В автомобиле, движущемся вперед с фиксированной скоростью 60 миль в час (96 км / ч), все в машине – водитель, пассажиры, предметы на сиденьях или в багажнике – также движется вперед с той же скоростью.Если эта машина затем врежется в кирпичную стену, ее движение будет остановлено, причем довольно резко. Но хотя его движение остановилось, в доли секунды после аварии он все еще реагирует на инерцию: вместо того, чтобы отскакивать от кирпичной стены, он продолжит врезаться в нее.

А что насчет людей и предметов в машине? Они тоже будут двигаться вперед по инерции. Хотя автомобиль был остановлен внешней силой, те, кто находятся внутри, испытывают эту силу косвенно, и через промежуток времени после самой остановки автомобиля они продолжают двигаться вперед – к сожалению, прямо в приборную панель или лобовое стекло.

Из этого примера также должно быть ясно, почему ремни безопасности, подголовники и подушки безопасности в автомобилях имеют жизненно важное значение. Адвокаты могут подавать иски относительно травм клиента из-за подушек безопасности, а домотканые противники ремня безопасности могут предоставить множество анекдотических свидетельств о людях, которые предположительно погибли в результате несчастного случая из-за того, что они были пристегнуты ремнями; тем не менее, первый закон движения находится на стороне этих защитных устройств.

По общему признанию ужасная иллюстрация автомобиля, врезающегося в кирпичную стену, предполагает, что водитель не задействовал тормоза – пример внешней силы, изменяющей скорость, – или сделал это слишком поздно.В любом случае сами тормоза, если их применить слишком резко, могут представлять опасность, и, опять же, важным фактором здесь является инерция. Как и кирпичная стена, тормоза останавливают машину, но ничто не мешает водителю и / или пассажирам. То есть ничего, кроме защитных устройств: ремня безопасности, чтобы удерживать тело человека на месте, подушки безопасности для смягчения его удара и подголовника для предотвращения хлыстовых травм при наезде сзади.

Инерция также объясняет, что происходит с автомобилем, когда водитель делает резкий, внезапный поворот.Предположим, вы едете на пассажирском сиденье машины, движущейся прямо, как вдруг водитель резко поворачивает налево. Хотя шины автомобиля поворачиваются мгновенно, все в автомобиле – его рама, шины и его содержимое – все еще реагирует. по инерции и поэтому «хочет» двигаться вперед даже при повороте влево.

Когда автомобиль поворачивает, шины могут реагировать на это изменение направления визгом: их резиновые поверхности двигались вперед, и при внезапном повороте резина скользит по тротуару, как жесткий ластик по тонкой бумаге.Конечно, чем выше исходная скорость, тем больше вероятность визга шин. На очень высоких скоростях может показаться, что автомобиль делает поворот «на двух колесах», то есть на двух своих внешних шинах. Возможно даже, что первоначальная скорость была настолько высокой, а поворот настолько крутым, что водитель терял контроль над автомобилем.

Здесь виновата инерция: машина просто не может изменить скорость (которая, опять же, относится как к скорости, так и к направлению) во времени. Даже в менее тяжелых ситуациях вы, вероятно, почувствуете, что вас отбросило наружу о боковую дверь водителя.Но, как и в примере с изображением автомобиля и кирпичной стены, использованном ранее, именно автомобиль первым испытывает изменение скорости и, следовательно, первым реагирует на него. Таким образом, вы, пассажир, двигаетесь вперед, даже когда машина повернула; поэтому, вместо того, чтобы быть выброшенным наружу, вы просто встречаетесь с дверью, движущейся влево, даже когда вы толкаетесь вперед.

От трюков в салоне до космических кораблей

Было бы неправильно делать вывод из приведенных выше иллюстраций, связанных с автомобилем, что инерция всегда вредна.Фактически, это может помочь настолько, насколько потенциально может навредить, что подтверждается двумя совершенно разными сценариями.

Преимущество первого сценария может быть сомнительным: в конце концов, это всего лишь салонный трюк, хотя и развлекательный. В этом знаменитом трюке, который знаком большинству людей, даже если они никогда его не видели, вся сервировка стола помещается на стол со скатертью, и опытному практикующему удается вытаскивать ткань из-под посуды, не сильно расстраиваясь. как стакан.Кому-то этот трюк кажется настоящей магией или, по крайней мере, ловкостью рук; но при правильных условиях это возможно. (Эта информация, однако, содержит предупреждение: «Не пробуйте это дома!»)

Чтобы трюк сработал, необходимо согласовать несколько вещей. Что наиболее важно, человек, выполняющий это, должен иметь навыки и практиковаться в выполнении трюка. На физическом уровне лучше всего свести к минимуму трение между тканью и предметами декора, с одной стороны, и тканью и столом, с другой.Также важно максимизировать массу (свойство об этом будет сказано ниже) настроек стола, что делает их устойчивыми к перемещению. Следовательно, инерция, которая измеряется массой, играет ключевую роль в создании трюка со скатертью.

Вы можете усомниться в ценности трюка со скатертью, но нетрудно признать важность инерциальной навигационной системы (ИНС), которая направляет самолеты по небу. До 1970-х годов, когда появилась ИНС, навигационные методы для лодок и самолетов основывались на привязке к внешним точкам: Солнцу, звездам, магнитному Северному полюсу или даже близлежащим районам суши.Это создавало всевозможные возможности для ошибок: например, навигация с помощью магнита (то есть компаса) стала практически бесполезной в полярных регионах Арктики и Антарктики.

В отличие от этого, ИНС не использует внешних ориентиров: она перемещается исключительно путем измерения силы инерции, возникающей в результате изменений скорости. Он не только работает вблизи полюсов так же хорошо, как и на экваторе, но и трудно вмешаться в ИНС, в которой используются акселерометры в запечатанном, экранированном контейнере.Напротив, радиосигналы или радар могут быть «сбиты с толку» сигналами с земли – как, например, от вражеского подразделения во время войны.

По мере движения самолета его ИНС измеряет движение по всем трем геометрическим осям и обеспечивает непрерывный поток данных об ускорении, скорости и смещении. Благодаря этой системе пилот, вылетающий из Калифорнии в Японию, может ввести координаты полдюжины точек на траектории полета самолета и позволить ИНС направлять автопилот оставшуюся часть пути.

Тем не менее, у INS есть свои ограничения, о чем свидетельствует трагедия, произошедшая на борту рейса 007 Korean Air Lines (KAL) 1 сентября 1983 года. Самолет, в котором находилось 269 человек и членов экипажа, вылетел из Анкориджа, Аляска, следуя курсом в Сеул. , Южная Корея. Маршрут, по которому они должны были лететь, был установленным под названием «R-20», и, похоже, вся информация, касающаяся их плана полета, была правильно введена в ИНС самолета.

Эта информация включала координаты международно признанных точек отсчета, фактически просто точек в северной части Тихого океана с такими названиями, как NABIE, NUKKS, NEEVA и так далее, до NOKKA, в 30 минутах к востоку от Японии.Тем не менее, сразу после прохождения рыбацкой деревни Бетел на Аляске в Беринговом море самолет начал отклоняться от курса и в конечном итоге вошел в советское воздушное пространство над полуостровом Камчатка, а затем и над островом Сахалин. Там его сбил советский Су-15, погибли все пассажиры самолета.

После сбития рейса 007 Советы обвинили Соединенные Штаты и Южную Корею в отправке самолета-разведчика в их воздушное пространство. (Среди пассажиров был Ларри Макдональд, стойкий антикоммунистический конгрессмен из Джорджии.) Однако более вероятно, что трагедия 007 была вызвана ошибками в навигации, которые, вероятно, имели какое-то отношение к INS. Дело в том, что план полета R-20 был разработан таким образом, чтобы самолеты не попадали в советское воздушное пространство, и в то время, когда KAL 007 пролетал над Камчаткой, он должен был находиться в 200 милях (320 км) к востоку – над морем моря. Япония.

Среди проблем, связанных с навигацией по маршруту через Тихий океан, является кривизна Земли в сочетании с тем фактом, что планета продолжает вращаться при движении самолета.В таких длительных полётах невозможно «притвориться», как в коротком полёте, что Земля плоская: координаты приходится корректировать под округлую поверхность планеты. Кроме того, в плане полета необходимо учитывать, что (в случае полета из Калифорнии в Японию) Земля движется на восток, даже когда самолет движется на запад. INS на борту KAL 007, возможно, просто не смогла исправить эти факторы, и, таким образом, ошибка усугублялась по мере того, как самолет двигался дальше. В любом случае, ИНС в конечном итоге будет устаревать из-за другой формы навигационной технологии: системы глобального позиционирования (GPS).

Общие сведения об инерции

Из приведенных выше примеров должно быть ясно, что инерция – более сложная тема, чем вы можете сразу предположить. На самом деле инерция как процесс довольно проста, но путаница в ее значении превратила его в сложный предмет.

В повседневной терминологии люди обычно используют слово инерция для описания тенденции неподвижного объекта оставаться на месте. Это особенно верно, когда это слово используется метафорически: как предполагалось ранее, концепция инерции, как и многие другие аспекты законов движения, часто применяется не только к физическим, но и к личным или эмоциональным процессам.Следовательно, вы могли бы сказать, например: «Он мог бы сменить профессию и заработать больше денег, но инерция удерживала его на прежней работе». Тем не менее, вы могли бы так же легко сказать, что Например: «Он мог бы взять отпуск, но по инерции он был занят». Из-за неправильного использования этого термина большинством людей легко забыть, что «инерция» в равной степени описывает тенденцию к движению или неподвижности: с точки зрения ньютоновской механики это просто не имеет значения.

Значение пункта «до тех пор, пока на него не действуют внешние силы» в первом законе указывает, что сам объект должен находиться в равновесии, то есть силы, действующие на него, должны быть уравновешены.Чтобы объект находился в равновесии, скорость его движения в заданном направлении должна быть постоянной. Поскольку скорость движения, равная 0, безусловно, постоянна, покоящийся объект находится в равновесии и, следовательно, соответствует требованиям; но также любой объект, движущийся в постоянном направлении с постоянной скоростью, также находится в равновесии.

Второй закон: сила, масса, ускорение

Как отмечалось ранее, первый закон движения заслуживает особого внимания, потому что он является ключом к разблокировке двух других.Установив в первом законе условия, при которых движущийся объект будет изменять скорость, второй закон дает меру силы, необходимой для того, чтобы вызвать это изменение.

Понимание второго закона требует определения терминов, которые, по крайней мере на первый взгляд, кажутся просто здравым смыслом. Даже инерция требует дополнительного объяснения в свете терминов, относящихся ко второму закону, потому что ее легко спутать с импульсом.

Мерой инерции является масса, которая отражает сопротивление объекта изменению его движения.С другой стороны, вес измеряет силу тяжести на объекте. (Сама концепция силы вскоре потребует дальнейшего определения.) Следовательно, масса человека одинакова во всей Вселенной, но их вес будет отличаться от планеты к планете.

Это может немного сбить с толку, когда вы пытаетесь преобразовать английские единицы в метрические единицы, потому что фунт – это единица веса или силы, а килограмм – это единица массы. Фактически, было бы более уместно выставить килограммы против английской единицы, называемой slug (равной 14.59 кг), или для сравнения фунтов с метрической единицей силы, ньютоном (Н), который равен ускорению одного метра в секунду в секунду для объекта массой 1 кг.

Следовательно, хотя многие таблицы весов и мер показывают, что 1 кг равен 2,21 фунту, это верно только на уровне моря на Земле. Человек с массой 100 кг на Земле имел бы такую ​​же массу на Луне; но хотя на Земле он может весить 221 фунт, на Луне он будет значительно легче. Другими словами, было бы намного легче поднять человека весом 221 фунт на Луну, чем на Землю, но оттолкнуть его было бы не легче.

Возвращаясь к теме количества движения, в то время как инерция измеряется массой, импульс равен массе, умноженной на скорость. Следовательно, импульс, который Ньютон назвал «количеством движения», в действительности есть инерция, умноженная на скорость. Импульс – это предмет сам по себе; здесь важна роль, которую масса (и, следовательно, инерция) играет во втором законе движения.

Согласно второму закону, результирующая сила, действующая на объект, является произведением его массы, умноженной на его ускорение.Последнее определяется как изменение скорости в течение заданного интервала времени: следовательно, ускорение обычно выражается в «футах (или метрах) в секунду в секунду», то есть в квадратных футах или метрах в секунду. Ускорение свободного падения составляет 32 фута (9,8 м) в секунду в секунду, что означает, что с каждой секундой скорость падающего объекта увеличивается на 32 фута (9,8 м) в секунду.

Второй закон, как было сказано ранее, служит для развития первого закона путем определения силы, необходимой для изменения скорости объекта.Закон был неотъемлемой частью подтверждения модели Коперника, в которой планеты вращаются вокруг Солнца. Поскольку скорость указывает движение в одном (прямом) направлении, когда объект движется по кривой – как планеты делают вокруг Солнца – он по определению изменяет скорость или ускоряется. Тот факт, что планеты, которые явно обладали массой, претерпевают ускорение, означало, что на них должна действовать некоторая сила: гравитационное притяжение, оказываемое Солнцем, самым массивным объектом в солнечной системе.

На самом деле гравитация – это один из четырех типов сил, действующих во Вселенной. Остальные – это электромагнитные взаимодействия, а также «сильные» и «слабые» ядерные взаимодействия. Остальные три были неизвестны Ньютону, но его определение силы все еще применимо. Вычисление Ньютоном силы тяготения (которая, как и импульс, является предметом самого себя) позволило Галлею определить, что комета, которую он наблюдал в 1682 г. – комета, носящая сегодня его имя, – снова появится в 1758 г., как и происходило с тех пор каждые 75-76 лет.Сегодня ученые используют понимание гравитационной силы, сообщенное Ньютоном, для определения точной высоты, необходимой для того, чтобы спутник оставался неподвижным над той же точкой на поверхности Земли.

Второй закон настолько важен для функционирования Вселенной, что вы редко замечаете его применение, и его легче всего проиллюстрировать на примерах, подобных приведенным выше, астрономов и физиков, применяющих его к вопросам, выходящим далеко за рамки повседневной жизни. Тем не менее, второй закон также позволяет, например, вычислить силу, необходимую для перемещения объекта, и, таким образом, люди используют его каждый день, не зная, что они это делают.

Третий закон: действие и противодействие

Как и второй закон, третий закон движения основан на первых двух. Определив силу, необходимую для преодоления инерции, третий закон предсказывает, что произойдет, когда одна сила вступит в контакт с другой силой. Согласно третьему закону, когда один объект воздействует на другой, второй объект оказывает на первый силу, равную по величине, но противоположную по направлению.

В отличие от второго закона, этот гораздо проще проиллюстрировать в повседневной жизни.Если книга находится на столе, это означает, что книга оказывает на стол силу, равную ее массе, умноженной на скорость ускорения. Хотя книга не движется, она подвержена действию гравитационного ускорения, и на самом деле сила и вес (который определяется как масса, умноженная на скорость ускорения свободного падения) одинаковы. В то же время стол толкает книгу вверх с точно такой же силой – ровно настолько, чтобы она оставалась неподвижной. Если бы стол действовал с большей силой, чем книга – другими словами, если бы это был не обычный стол, а какой-то пневматический пресс, толкающий вверх, – тогда книга полетела бы со стола.

Во Вселенной не существует такой вещи, как непарная сила. Стол стоит на полу так же, как и книга на нем, и пол толкает его вверх с силой, равной по величине той, с которой стол давит на пол. То же самое верно и для пола и опорных балок, которые его поддерживают, и для опорных балок, и для фундамента здания, и для здания, и для земли и так далее.

Эти пары сил существуют повсюду. Когда вы идете, вы двигаетесь вперед, толкаясь назад о землю с силой, равной вашей массе, умноженной на скорость нисходящего гравитационного ускорения.(Другими словами, эта сила равна весу.) В то же время земля фактически отталкивается с равной силой. Вы не замечаете того факта, что Земля толкает вас вверх просто потому, что ее огромная масса делает это движение незначительным – но она толкает.

Однако, если бы вы сошли с небольшой лодки без швартовки и оказались в доке, произошло бы нечто совершенно иное. Сила вашего прыжка в док будет оказывать такое же усилие на лодку, выталкивая ее дальше в воду, и в результате вы, скорее всего, тоже окажетесь в воде.Опять же, реакция равная и противоположная; проблема в том, что лодка на этой иллюстрации не закреплена на месте, как земля под вашими ногами.

Различия в массе могут приводить к явно разным реакциям, хотя на самом деле сила одна и та же. Это можно проиллюстрировать, представив мать и ее шестилетнюю дочь, катающихся на льду, поверхности с относительно гладкой поверхностью. Обращаясь друг к другу, они толкаются друг к другу и в результате каждый движется назад. Ребенок, конечно, будет двигаться назад быстрее, потому что его масса меньше, чем у матери.Поскольку сила, которую они прилагают, одинакова, ускорение дочери больше, и она движется дальше.

Лед, конечно, не поверхность без трения: в противном случае катание на коньках было бы невозможным. Точно так же трение абсолютно необходимо для ходьбы, как вы можете проиллюстрировать, пытаясь пройти по идеально гладкой поверхности, например, по катку, покрытому маслом. В этой ситуации все еще существует равноправный набор сил – ваше тело давит на поверхность льда с такой же силой, как лед давит вверх, – но отсутствие трения препятствует физическому процессу отталкивания от пола.

Преодолеть инерцию можно будет только прибегнув к вмешательству извне, как, например, если кто-то, не находящийся на льду, выбросит веревку, прикрепленную к шесту в земле. В качестве альтернативы, если человек на льду несет тяжелый груз камней, можно будет двигаться, отбрасывая камни назад. В этой ситуации вы прикладываете силу к камню, и это обратная сила приводит к силе, толкающей бросающего вперед.

Последний пункт о трении и движении – подходящее место, чтобы завершить обсуждение законов движения.Когда речь идет о ходьбе или катании на коньках – и при отсутствии мешка с камнями или какой-либо другой внешней силы – трение необходимо для создания обратной силы и, следовательно, движения вперед. С другой стороны, отсутствие трения позволило бы движущемуся объекту продолжать движение бесконечно в соответствии с первым законом движения. В любом случае трение противостоит инерции.

Дело в том, что трение – это сила. Таким образом, если вы попытаетесь сдвинуть деревянный брусок по полу, трение остановит его.Это важно помнить, чтобы не впасть в заблуждение, которое сбивало с толку мышление Аристотеля и таким образом запутывало мир на многие века. Блок не переставал двигаться, потому что сила, которая его толкала, больше не применялась; он остановился, потому что противодействующая сила, трение, была больше, чем сила, которая его толкала.

ГДЕ УЗНАТЬ БОЛЬШЕ

Ардли, Нил. Научная книга движения. Сан-Диего: Харкорт Брейс Йованович, 1992.

Байзер, Артур. Физика, 5 изд. Ридинг, Массачусетс: Аддисон-Уэсли, 1991.

Чейз, Сара Б. Двигаясь к победе: физика спорта. Нью-Йорк: Месснер, 1977.

Флейшер, Пол. Тайны Вселенной: открытие универсальных законов науки. Иллюстрировано Патрисией А. Киллер. Нью-Йорк: Атенеум, 1987.

«Законы движения». How It Flies (веб-сайт). (27 февраля 2001 г.).

Ньютон, Исаак (перевод Эндрю Мотта, 1729 г.). The Principia (веб-сайт). (27 февраля 2001 г.).

Законы движения Ньютона (веб-сайт). (27 февраля 2001 г.).

«Законы движения Ньютона». Центр летных исследований Драйдена, Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) (веб-сайт). (27 февраля 2001 г.).

«Законы движения Ньютона: движение вперед». Помимо книг, (веб-сайт). (27 февраля 2001 г.).

Робертс, Джереми. Как мы узнаем законы движения? Нью-Йорк: Розен, 2001.

Suplee, Curt. Объяснение повседневной науки. Вашингтон, округ Колумбия: Национальное географическое общество, 1996.

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ

УСКОРЕНИЕ:

Изменение скорости за заданный период времени.

EQUILIBRIUM:

Ситуация, в которой силы, действующие на объект, уравновешены.

ТРЕНИЕ:

Любая сила, которая сопротивляется движению тела по отношению к другому, с которым оно находится в контакте.

ИНЕРЦИЯ:

Тенденция движущегося объекта оставаться в движении, а неподвижного объекта оставаться в покое.

MASS:

Мера инерции, показывающая сопротивление объекта изменению его движения, включая изменение скорости. Килограмм – это единица массы, а фунт – это единица веса. Масса объекта остается неизменной во всей Вселенной, тогда как его вес является функцией силы тяжести на любой данной планете.

МЕХАНИКА:

Исследование движущихся тел.

MOMENTUM:

Произведение массы на скорость.

СКОРОСТЬ:

Скорость, с которой положение объекта изменяется в течение заданного периода времени.

VELOCITY:

Скорость объекта в определенном направлении.

ВЯЗКОСТЬ:

Внутреннее трение в жидкости, которое делает ее устойчивой к течению.

ВЕС:

Мера силы тяжести на объекте.Фунт – это единица веса, а килограмм – это единица массы. Таким образом, вес будет меняться от планеты к планете, в то время как масса остается постоянной во всей Вселенной.

Научные проекты по законам движения Ньютона

Законы движения сэра Исаака Ньютона составляют основные принципы современной физики. Когда эти три закона были опубликованы в 1687 году, они были уникальны тем, что использовали математические формулы для объяснения мира природы.

Определение законов Ньютона

Инерция: первый закон движения Ньютона

Первый закон движения Ньютона, также известный как закон инерции, гласит, что скорость объекта не изменится, если на него не действует внешняя сила.

Это означает, что покоящийся объект будет оставаться в покое, пока сила не заставит его двигаться.

Аналогично, движущийся объект будет продолжать движение до тех пор, пока на него не подействует сила и не изменится его скорость.

Для дальнейшего размышления : Почему колеса и верхняя часть в конечном итоге перестают вращаться, и кажется, что к ним не прикасается сила?

Второй закон движения Ньютона

Второй закон движения Ньютона гласит, что «когда на объект действует внешняя сила, сила силы равна массе объекта, умноженной на результирующее ускорение».

Другими словами, формула для расчета силы: сила = масса x ускорение . Противодействующие силы, такие как трение, могут быть добавлены или вычтены из общей суммы, чтобы найти количество силы, которое действительно было использовано в ситуации.

Вы можете продемонстрировать этот принцип , уронив одновременно камень или мрамор и скомканный кусок бумаги. Они падают с одинаковой скоростью – их ускорение постоянно из-за действующей на них силы тяжести.

Однако камень имеет гораздо большую силу удара, когда он ударяется о землю, из-за его большей массы.Если вы уроните два объекта в тарелку с песком или мукой, вы увидите, насколько различалась сила удара для каждого объекта, в зависимости от кратера, сделанного на песке каждым из них.

Другой способ продемонстрировать это – два одновременных отталкивания двух игрушечных машинок или роликовых коньков одинаковой массы, при этом одна из них толкается сильнее, чем другая. Масса у обоих одинакова, но ускорение больше у того, к которому вы приложили большую силу.

Третий закон движения Ньютона

Проще говоря, третий закон Ньютона гласит, что «на каждое действие есть равное и противоположное противодействие.’

Используйте пару роликовых коньков и мяч, чтобы показать, как это работает. Что происходит , когда вы стоите на коньках и затем сильно бросаете мяч? Сила броска мяча толкает ваши коньки (и вас) в другом направлении.

Вы также можете продемонстрировать это с помощью Колыбели Ньютона.

Этот аппарат состоит из стальных шариков, подвешенных на раме. Когда мяч на одном конце оттягивается, а затем отпускается, он ударяется о другие шары. Затем мяч на противоположном конце раскачивается вверх с такой же силой, что и первый мяч, как показано на рисунке справа.

Сила первого мяча вызывает равную и противоположную реакцию мяча на другом конце.

Для дальнейшего размышления : Тяга – важный результат Третьего закона Ньютона. Как это работает в ракете? Узнайте больше о ракетах и ​​ракетной технике.

Проекты законов Ньютона

Как первый закон Ньютона может быть следствием второго закона Ньютона?

Первый закон движения Ньютона гласит, что тело будет оставаться в покое или продолжать свой путь с постоянной скоростью, если на него не действует внешняя сила.

Второй закон движения Ньютона гласит, что результирующая сила, действующая на тело, равна массе тела, умноженной на ускорение, вызванное чистой силой. Другими словами, #F_ “net” = ma #.

Теперь можно утверждать, что второй закон движения Ньютона ведет к первому закону. Учтите это: поскольку #F_ “net” = ma #, с нулевой чистой силой (без внешних сил), # 0 = ma #.

Итак, # m # – некоторое конечное положительное значение. Другими словами, это означает, что # a = 0 #. Следовательно, по определению существует постоянная скорость (возможно, постоянная нулевая скорость).Таким образом, кажется, что второй закон движения Ньютона ведет к первому закону.

# ——————– #

Хорошо, теперь давайте посмотрим на более длинный ответ.

Рассмотрим следующий сценарий. Предположим, вы вращаетесь вокруг Земли. Мы учтем вашу точку зрения (другими словами, систему отсчета). Вы неподвижны, т.е. нет скорости. Однако на вас действует гравитационная сила, и никакая другая сила не уравновесит ее. Согласно второму закону Ньютона, вы должны иметь ускорение по направлению к Земле.Почему ты не падаешь на землю?

Причина в том, что ваша перспектива (система отсчета) является неинерциальной системой отсчета. Другими словами, ваша перспектива (система отсчета) ускоряется в перспективе до инерциальной системы отсчета. Другими словами, Второй закон Ньютона неприменим в неинерциальной системе отсчета.

Что ж, если вы не полностью понимаете эти два абзаца, не волнуйтесь. Это просто означает, что есть определенные сценарии, в которых второй закон Ньютона не применяется.Чтобы исправить это, Ньютон должен был правильно определить, что такое «сила». И здесь вступил в силу Первый закон Ньютона.

Рассмотрим, что гласит Первый Закон: тело будет оставаться в покое или продолжать свой путь с постоянной скоростью, если на него не действует внешняя сила.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *