первый, второй, третий закон кратко с объяснением, формулами
Мы уже говорили об основах классической механики. Настала пора поговорить о них подробнее и затронуть в обсуждении чуть больше, чем просто основу. В этой статье мы подробно разберем основные законы классической механики. Как вы уже догадались, речь пойдет о законах Ньютона.
Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.
Основные законы классической механики Исаак Ньютон (1642-1727) собрал и опубликовал в 1687 году. Три знаменитых закона были включены в труд, который назывался «Математические начала натуральной философии».
Был долго этот мир глубокой тьмой окутан
Да будет свет, и тут явился Ньютон.
(Эпиграмма 18-го века)
Но сатана недолго ждал реванша —
Пришел Эйнштейн, и стало все как раньше.
(Эпиграмма 20-го века)
Что стало, когда пришел Эйнштейн, читайте в отдельном материале про релятивистскую динамику.
Первый закон Ньютона
Первый закон Ньютона гласит:
Существуют такие системы отсчета, называемые инерциальными, в которых тела движутся равномерно и прямолинейно, если на них не действуют никакие силы или действие других сил скомпенсировано.
Проще говоря, суть первого закона Ньютона можно сформулировать так: если мы на абсолютно ровной дороге толкнем тележку и представим, что можно пренебречь силами трения колес и сопротивления воздуха, то она будет катиться с одинаковой скоростью бесконечно долго.
Инерция – это способность тела сохранять скорость как по направлению, так и по величине, при отсутствии воздействий на тело. Первый закон Ньютона еще называют законом инерции.
До Ньютона закон инерции был сформулирован в менее четкой форме Галилео Галилеем. Инерцию ученый называл «неистребимо запечатленным движением». Закон инерции Галилея гласит: при отсутствии внешних сил тело либо покоится, либо движется равномерно.
Огромная заслуга Ньютона в том, что он сумел объединить принцип относительности Галилея, собственные труды и работы других ученых в своих «Математических началах натуральной философии».Понятно, что таких систем, где тележку толкнули, а она покатилась без действия внешних сил, на самом деле не бывает. На тела всегда действуют силы, причем скомпенсировать действие этих сил полностью практически невозможно.
Например, все на Земле находится в постоянном поле силы тяжести. Когда мы передвигаемся (не важно, ходим пешком, ездим на машине или велосипеде), нам нужно преодолевать множество сил: силу трения качения и силу трения скольжения, силу тяжести, силу Кориолиса.
Второй закон Ньютона
Помните пример про тележку? В этот момент мы приложили к ней силу! Интуитивно понятно, что тележка покатится и вскоре остановится. Это значит, ее скорость изменится.
В реальном мире скорость тела чаще всего изменяется, а не остается постоянной. Другими словами, тело движется с ускорением.
Если скорость нарастает или убывает равномерно, то говорят, что движение равноускоренное.
Если рояль падает с крыши дома вниз, то он движется равноускоренно под действием постоянного ускорения свободного падения g. Причем любой дугой предмет, выброшенный из окна на нашей планете, будет двигаться с тем же ускорением свободного падения.
Второй закон Ньютона устанавливает связь между массой, ускорением и силой, действующей на тело. Приведем формулировку второго закона Ньютона:
Ускорение тела (материальной точки) в инерциальной системе отсчета прямо пропорционально приложенной к нему силе и обратно пропорционально массе.
Если на тело действует сразу несколько сил, то в данную формулу подставляется равнодействующая всех сил, то есть их векторная сумма.
В такой формулировке второй закон Ньютона применим только для движения со скоростью, много меньшей, чем скорость света.Существует более универсальная формулировка данного закона, так называемый дифференциальный вид.
В любой бесконечно малый промежуток времени dt сила, действующая на тело, равна производной импульса тела по времени.
Третий закон Ньютона
В чем состоит третий закон Ньютона? Этот закон описывает взаимодействие тел.
3 закон Ньютона говорит нам о том, что на любое действие найдется противодействие. Причем, в прямом смысле:
Два тела воздействуют друг на друга с силами, противоположными по направлению, но равными по модулю.
Формула, выражающая третий закон Ньютона:
Другими словами, третий закон Ньютона — это закон действия и противодействия.
Пример задачи на законы Ньютона
Вот типичная задачка на применение законов Ньютона. В ее решении используются первый и второй законы Ньютона.
Десантник раскрыл парашют и опускается вниз с постоянной скоростью. Какова сила сопротивления воздуха? Масса десантника – 100 килограмм.
Решение:
Движение парашютиста – равномерное и прямолинейное, поэтому, по первому закону Ньютона, действие сил на него скомпенсировано.
На десантника действуют сила тяжести и сила сопротивления воздуха. Силы направлены в противоположные стороны.
По второму закону Ньютона, сила тяжести равна ускорению свободного падения, умноженному на массу десантника.
Ответ: Сила сопротивления воздуха равна силе тяжести по модулю и противоположна направлена.
Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы
А вот еще одна физическая задачка на понимание действия третьего закона Ньютона.
Комар ударяется о лобовое стекло автомобиля. Сравните силы, действующие на автомобиль и комара.
Решение:
По третьему закону Ньютона, силы, с которыми тела действуют друг на друга, равны по модулю и противоположны по направлению. Сила, с которой комар действует на автомобиль, равна силе, с которой автомобиль действует на комара.
Другое дело, что действие этих сил на тела сильно отличаются вследствие различия масс и ускорений.
Исаак Ньютон: мифы и факты из жизни
На момент публикации своего основного труда Ньютону было 45 лет. За свою долгую жизнь ученый внес огромный вклад в науку, заложив фундамент современной физики и определив ее развитие на годы вперед.
Он занимался не только механикой, но и оптикой, химией и другими науками, неплохо рисовал и писал стихи. Неудивительно, что личность Ньютона окружена множеством легенд.
Ниже приведены некоторые факты и мифы из жизни И. Ньютона. Сразу уточним, что миф – это не достоверная информация. Однако мы допускаем, что мифы и легенды не появляются сами по себе и что-то из перечисленного вполне может оказаться правдой.
- Факт. Исаак Ньютон был очень скромным и застенчивым человеком. Он увековечил себя благодаря своим открытиям, однако сам никогда не стремился к славе и даже пытался ее избежать.
- Миф. Существует легенда, согласно которой Ньютона осенило, когда на наго в саду упало яблоко. Это было время чумной эпидемии (1665-1667), и ученый был вынужден покинуть Кембридж, где постоянно трудился. Точно неизвестно, действительно ли падение яблока было таким роковым для науки событием, так как первые упоминания об этом появляются только в биографиях ученого уже после его смерти, а данные разных биографов расходятся.
- Факт. Ньютон учился, а потом много работал в Кембридже. По долгу службы ему нужно было несколько часов в неделю вести занятия у студентов. Несмотря на признанные заслуги ученого, занятия Ньютона посещались плохо. Бывало, что на его лекции вообще никто не приходил. Скорее всего, это связано с тем, что ученый был полностью поглощен своими собственными исследованиями.
- Миф. В 1689 году Ньютон был избран членом Кембриджского парламента. Согласно легенде, более чем за год заседания в парламенте вечно поглощенный своими мыслями ученый взял слово для выступления всего один раз.
- Факт. Неизвестно, как бы сложилась судьба ученого и всей современной науки, если бы он послушался матери и начал заниматься хозяйством на семейной ферме. Только благодаря уговорам учителей и своего дяди юный Исаак отправился учиться дальше вместо того, чтобы сажать свеклу, разбрасывать по полям навоз и по вечерам выпивать в местных пабах.
Дорогие друзья, помните — любую задачу можно решить! Если у вас возникли проблемы с решением задачи по физике, посмотрите на основные физические формулы. Возможно, ответ перед глазами, и его нужно просто рассмотреть. Ну а если времени на самостоятельные занятия совершенно нет, специализированный студенческий сервис всегда к вашим услугам!
В самом конце предлагаем посмотреть видеоурок на тему «Законы Ньютона».
Законы механики Ньютона • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»
Законы Ньютона — в зависимости от того, под каким углом на них посмотреть, — представляют собой либо конец начала, либо начало конца классической механики.
В любом случае это поворотный момент в истории физической науки — блестящая компиляция всех накопленных к тому историческому моменту знаний о движении физических тел в рамках физической теории, которую теперь принято именовать классической механикой. Можно сказать, что с законов движения Ньютона пошел отсчет истории современной физики и вообще естественных наук.
Однако Исаак Ньютон взял названные в его честь законы не из воздуха. Они, фактически, стали кульминацией долгого исторического процесса формулирования принципов классической механики. Мыслители и математики — упомянем лишь Галилея (
Например, древним философам даже в голову не приходило, что небесные тела могут двигаться по орбитам, отличающимся от круговых; в лучшем случае возникала идея, что планеты и звезды обращаются вокруг Земли по концентрическим (то есть вложенным друг в друга) сферическим орбитам. Почему? Да потому, что еще со времен античных мыслителей Древней Греции никому не приходило в голову, что планеты могут отклоняться от совершенства, воплощением которой и является строгая геометрическая окружность. Нужно было обладать гением Иоганна Кеплера, чтобы честно взглянуть на эту проблему под другим углом, проанализировать данные реальных наблюдений и вывести из них, что в действительности планеты обращаются вокруг Солнца по эллиптическим траекториям (см. Законы Кеплера).Первый закон Ньютона
Учитывая столь серьезный, исторически сложившийся провал, первый закон Ньютона сформулирован безоговорочно революционным образом. Он утверждает, что если какую-либо материальную частицу или тело попросту не трогать, оно будет продолжать прямолинейно двигаться с неизменной скоростью само по себе.
Если тело равномерно двигалось по прямой, оно так и будет двигаться по прямой с неизменной скоростью. Если тело покоилось, оно так и будет покоиться, пока к нему не приложат внешних сил. Чтобы просто сдвинуть физическое тело с места, к нему нужно обязательно приложить стороннюю силу. Возьмем самолет: он ни за что не стронется с места, пока не будут запущены двигатели. Казалось бы, наблюдение самоочевидное, однако, стоит нам отвлечься от прямолинейного движения, как оно перестает казаться таковым. При инерционном движении тела по замкнутой циклической траектории его анализ с позиции первого закона Ньютона только и позволяет точно определить его характеристики.
Представьте себе что-то типа легкоатлетического молота — ядро на конце струны, раскручиваемое вами вокруг вашей головы. Ядро в этом случае движется не по прямой, а по окружности — значит, согласно первому закону Ньютона, его что-то удерживает; это «что-то» — и есть центростремительная сила, которую вы прилагаете к ядру, раскручивая его.
Реально вы и сами можете ее ощутить — рукоять легкоатлетического молота ощутимо давит вам на ладони. Если же вы разожмете руку и выпустите молот, он — в отсутствие внешних сил — незамедлительно отправится в путь по прямой. Точнее будет сказать, что так молот поведет себя в идеальных условиях (например, в открытом космосе), поскольку под воздействием силы гравитационного притяжения Земли он будет лететь строго по прямой лишь в тот момент, когда вы его отпустили, а в дальнейшем траектория полета будет всё больше отклоняться в направлении земной поверхности. Если же вы попробуете действительно выпустить молот, выяснится, что отпущенный с круговой орбиты молот отправится в путь строго по прямой, являющейся касательной (перпендикулярной к радиусу окружности, по которой его раскручивали) с линейной скоростью, равной скорости его обращения по «орбите».
Теперь заменим ядро легкоатлетического молота планетой, молотобойца — Солнцем, а струну — силой гравитационного притяжения: вот вам и ньютоновская модель Солнечной системы.
Такой анализ происходящего при обращении одного тела вокруг другого по круговой орбите на первый взгляд кажется чем-то само собой разумеющимся, но не стоит забывать, что он вобрал в себя целый ряд умозаключений лучших представителей научной мысли предшествующего поколения (достаточно вспомнить Галилео Галилея). Проблема тут в том, что при движении по стационарной круговой орбите небесное (и любое иное) тело выглядит весьма безмятежно и представляется пребывающим в состоянии устойчивого динамического и кинематического равновесия. Однако, если разобраться, сохраняется только модуль (абсолютная величина) линейной скорости такого тела, в то время как ее направление постоянно меняется под воздействием силы гравитационного притяжения. Это и значит, что небесное тело движется равноускоренно. Кстати, сам Ньютон называл ускорение «изменением движения».
Первый закон Ньютона играет и еще одну важную роль с точки зрения нашего естествоиспытательского отношения к природе материального мира.
Он подсказывает нам, что любое изменение в характере движения тела свидетельствует о присутствии внешних сил, воздействующих на него. Условно говоря, если мы наблюдаем, как железные опилки, например, подпрыгивают и налипают на магнит, или, доставая из сушилки стиральной машины белье, выясняем, что вещи слиплись и присохли одна к другой, мы можем чувствовать себя спокойно и уверенно: эти эффекты стали следствием действия природных сил (в приведенных примерах это силы магнитного и электростатического притяжения соответственно).
Второй закон Ньютона
Если первый закон Ньютона помогает нам определить, находится ли тело под воздействием внешних сил, то второй закон описывает, что происходит с физическим телом под их воздействием. Чем больше сумма приложенных к телу внешних сил, гласит этот закон, тем большее ускорение приобретает тело. Это раз. Одновременно, чем массивнее тело, к которому приложена равная сумма внешних сил, тем меньшее ускорение оно приобретает. Это два.
Интуитивно эти два факта представляются самоочевидными, а в математическом виде они записываются так:
F = ma
где F — сила, m — масса, а — ускорение. Это, наверное, самое полезное и самое широко используемое в прикладных целях из всех физических уравнений. Достаточно знать величину и направление всех сил, действующих в механической системе, и массу материальных тел, из которых она состоит, и можно с исчерпывающей точностью рассчитать ее поведение во времени.
Именно второй закон Ньютона придает всей классической механике ее особую прелесть — начинает казаться, будто весь физический мир устроен, как наиточнейший хронометр, и ничто в нем не ускользнет от взгляда пытливого наблюдателя. Назовите мне пространственные координаты и скорости всех материальных точек во Вселенной, словно говорит нам Ньютон, укажите мне направление и интенсивность всех действующих в ней сил, и я предскажу вам любое ее будущее состояние. И такой взгляд на природу вещей во Вселенной бытовал вплоть до появления квантовой механики.
Третий закон Ньютона
За этот закон, скорее всего, Ньютон и снискал себе почет и уважение со стороны не только естествоиспытателей, но и ученых-гуманитариев и попросту широких масс. Его любят цитировать (по делу и без дела), проводя самые широкие параллели с тем, что мы вынуждены наблюдать в нашей обыденной жизни, и притягивают чуть ли не за уши для обоснования самых спорных положений в ходе дискуссий по любым вопросам, начиная с межличностных и заканчивая международными отношениями и глобальной политикой. Ньютон, однако, вкладывал в свой названный впоследствии третьим закон совершенно конкретный физический смысл и едва ли замышлял его в ином качестве, нежели как точное средство описания природы силовых взаимодействий. Закон этот гласит, что если тело А воздействует с некоей силой на тело В, то тело В также воздействует на тело А с равной по величине и противоположной по направлению силой. Иными словами, стоя на полу, вы воздействуете на пол с силой, пропорциональной массе вашего тела.
Согласно третьему закону Ньютона пол в это же время воздействует на вас с абсолютно такой же по величине силой, но направленной не вниз, а строго вверх. Этот закон экспериментально проверить нетрудно: вы постоянно чувствуете, как земля давит на ваши подошвы.
Тут важно понимать и помнить, что речь у Ньютона идет о двух силах совершенно разной природы, причем каждая сила воздействует на «свой» объект. Когда яблоко падает с дерева, это Земля воздействует на яблоко силой своего гравитационного притяжения (вследствие чего яблоко равноускоренно устремляется к поверхности Земли), но при этом и яблоко притягивает к себе Землю с равной силой. А то, что нам кажется, что это именно яблоко падает на Землю, а не наоборот, это уже следствие второго закона Ньютона. Масса яблока по сравнению с массой Земли низка до несопоставимости, поэтому именно его ускорение заметно для глаз наблюдателя. Масса же Земли, по сравнению с массой яблока, огромна, поэтому ее ускорение практически незаметно. (В случае падения яблока центр Земли смещается вверх на расстояние менее радиуса атомного ядра.
)
По совокупности же три закона Ньютона дали физикам инструменты, необходимые для начала комплексного наблюдения всех явлений, происходящих в нашей Вселенной. И, невзирая на все колоссальные подвижки в науке, произошедшие со времен Ньютона, чтобы спроектировать новый автомобиль или отправить космический корабль на Юпитер, вы воспользуетесь все теми же тремя законами Ньютона.
См. также:
Три закона Ньютона — Объяснение законов Ньютона
Объяснение законов Ньютона – важнейший этап, необходимый для понимания классической механики. Всего их три: инерции, движения и взаимодействия тел.
Во времена Ньютона уже были накоплен большой объем наблюдений за механическими процессами. Строились корабли, здания, мануфактуры. Разрабатывались станки и механизмы для производства, артиллерийские орудия для видения войны. Научные труды Галилея, Декарта, Борелли уже содержали все основы, необходимые, чтобы вывести базовые закономерности классической механики. Сегодня любой закон Ньютона считается аксиомой, базирующейся на обобщенных результатах многочисленных экспериментов.
Первый закон Ньютона
Ньютон писал, что имеются инерциальные системы отсчета, где тела перемещаются прямо и равномерно, если нет воздействия любых сил или если действие этих сил было скомпенсировано.
Допустим, что имеется шар и абсолютно ровная поверхность, пренебрежём силами сопротивления воздуха и трения. Если мы в таких условиях его толкнем, то шар будет катиться вечно, не меняя скорости. Причина находится в инерции – способности шара сохранять скорость по величине и направленности при полном отсутствии воздействия на него. Конечно, в реальности такие условия не встречаются. Поверхность шара будет тереться о поверхность дороги, ему придется преодолевать сопротивление воздуха или столкнуться с другими факторами воздействия, например, ветром.
Ньютон был не первым, кто сформулировал этот закон. До него Галилео Галилей писал, что тело будет либо покоится, либо равномерно двигаться при условии отсутствия внешних сил. Но именно он сгруппировал все знания в этой сфере в единый
Второй закон Ньютона
Второй закон Ньютона говорит, что ускорение объекта в описанной выше инерциальной системе обратно пропорционально его массе и прямо пропорционально величине силы, которая была приложена.
То есть устанавливается связь между силой, воздействующей на объект, ускорением и его массой.
Где a является ускорением, F – приложенной силой, а m – его массой.
Если сил несколько, то в формуле это отражается как векторная сумма показателей F.
Рассмотрим этот закон на примере. В реальности скорость шара всегда изменяется, он может замедляться или по каким-то причинам ускоряться. Это происходит в тот момент, как на него начинает действовать некая сила. Если изменение происходит плавно, то такое движение называют равноускоренным. При падении на все предметы действует ускорение свободного падение, равное постоянной величине g, поэтому они движутся равноускорено. Это обусловлено воздействием силы тяжести.
Интересно знать!
Задачи на движение решаются подобно остальным заданиям по физике. Поэтому адаптируем обычный алгоритм. Для этого нужно точно понимать, что собой представляет движение тел. Это изменение их положения в пространстве.
Для оценки оперируют понятиями скорости, времени, расстояния, количеством объектов.
Следует отметить, что третий закон Ньютона используется только при движении объектов со скоростью, которая значительно ниже скорости света. Термин «тело» сегодня заменяют на такое понятие как «материальная точка», это нечто, что не может совершать вращательные движения.
Третий закон Ньютона
Описание этого закона гласит, что взаимодействие двух объектов между собой равно и направлено в противолежащие стороны. То есть, если на некий объект воздействует сила, то обязательно имеется вторая материальная точка, на которую воздействует объект с аналогичной по значению, но направленной в другую сторону силой. Эту закономерность называют законом взаимодействия.
Приведем пример описанной закономерности. Имеются две тележки. К одной прикрепим упругую металлическую пластину, согнутую и связанную нитью. Вторую тележку поставим таким образом, чтобы она соприкасалась с краем пластины и перережем нить.
Пластина, превращенная в своеобразную пружину, резко выпрямится и тележки начнут двигаться, получив ускорение. Так как их масса идентичная, то ускорение и скорость будут равны по модулю. Тележки переместятся на одинаковое расстояние.
Положим на первую из тележек груз и вновь активируем своеобразную пружину. В этот раз они переместятся на разное расстояние, так как ускорение тележки с грузом будем меньшим по значению. Можно отметить, что чем меньше груз, положенный сверху, тем большее ускорение приобретается объектом.
Где F1 и F2 обозначаем силу каждого типа. Разнонаправленность векторов отражает знак «минус».
Вспоминая предыдущие законы Ньютона, отметим, что силы, появляющиеся при взаимодействии между собой объектов, но приложенные к разным материальным точкам между собой не уравновешены. Они могут быть уравновешеными только, если приложены к одному телу.
На этих закономерностях построено множество задач. Сгруппировать их можно в два основных типа:
- Известен закон Ньютона, требуется найти силы, воздействующие на движение объекта.
- Определить закон Ньютона, зная что воздействует на объект.
формула и определение / Блог / Справочник :: Бингоскул
Кратко о 1 законе Ньютона: формула, определение и формулировка
Помни!!!
- В основе динамики материальной точки лежат три закона Ньютона.
- Первый закон Ньютона — закон инерции
- Под телом подразумевают материальную точку, движение которой рассматривают в инерциальной системе отсчета.
1. Формулировка
«Существуют такие инерциальные системы отсчёта, относительно которых тело, если на него не действуют другие силы (либо действие других сил компенсируется), находится в покое либо движется равномерно и прямолинейно».
2. Определение
Первый закон Ньютона — всякая материальная точка (тело) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит её изменить это состояние.
Первый закон Ньютона — закон инерции (Галилей вывел закон инерции)
Закон инерции: Если на тело нет внешних воздействий, то данное тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения относительно Земли.
Инерциальная система отсчёта (ИСО) – система, которая либо покоится, либо движется равномерно и прямолинейно относительно какой-то другой инерциальной системы. Т.е. система отсчета, в которой выполняется 1-й закон Ньютона.
- Масса тела – количественная мера его инертности. В СИ она измеряется в килограммах.
- Сила – количественная мера взаимодействия тел. Сила – векторная величина и измеряется в ньютонах (Н). Сила, которая производит на тело такое же действие, как несколько одновременно действующих сил, называется равнодействующей этих сил.
3. Формула
Формулы нет. Формула первого закона Ньютона не существует.
Первый закон Ньютона содержится 2 важных утверждения:
- все тела обладают свойством инерции;
- инерциальные системы отсчета существуют.
Это интересно:
Об извращённом толковании Первого закона Ньютона в современной физике / Хабр
В начале ХХ века в физике появились умники-недоучки, не признающие саму методологию научного творчества и объявившие о неких «ограничениях», сужающих область применимости механики Ньютона (I. Newton).Начнём с того, как трактуются законы Ньютона в современных учебниках по физике. Например, в книге А.В. Перышкина и Е.М. Гутника [1] на стр.42 написано следующее:
<…> с точки зрения современных представлений первый закон Ньютона формулируется так:Сравним это убожество с формулировкой самого Ньютона [2], кстати, приведённого в той же книжке страницей ранее:существуют такие системы отсчёта, относительно которых тела сохраняют свою скорость неизменной, если на них не действуют другие тела или действия других тел компенсируются.
Всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние.Как видим, ни о какой системе отсчёта нет и речи. И что? Ньютон был «глупее» современных «умников», «улучшающих» его законы? Да нет же! Ньютон подробно рассматривает вопрос о…: «кажущихся» и «истинных» движениях! Вот что он пишет в «Поучении» в разделе «Определения» (см. книгу[2]):
Причины происхождения, которыми различаются истинные и кажущиеся движения, суть те силы, которые надо к телам приложить, чтобы произвести эти движения. Истинное абсолютное движение не может ни произойти, ни измениться иначе, как от действия сил, приложенных непосредственно к самому движущемуся телу, тогда как относительное движение тела может быть и произведено, и изменено без приложения сил к этому телу; достаточно, чтобы силы были приложены к телам, по отношению к которым это движение определяется.Т.е., Ньютон рассматривал вопрос о системах отсчёта очень скрупулёзно и сумел абстрагироваться от кажущихся (относительных) движений, мешающих понять первопричину всех движений и изменения движений – действие силы.
В этом умении абстрагироваться от, искажающих суть, факторов и заключается гениальность Ньютона и его предшественников – коперниканцев, отвергнувших теорию движения планет Птолемея (Πτολεμαΐος), основанную только на описании относительных, кажущихся движений, и, именно поэтому, бессильной в определении причин, приводящих к таким движениям. Получается, что «поправляющие» Ньютона пытаются отбросить нас в эпоху Птолемея и Аристотеля (Αριστοτέλης)…
Кстати, вся теория относительности Эйнштейна рассматривает именно относительные, кажущиеся движения и неудивительно, что следствиями этой теории являются неразрешимые парадоксы.
Также следует отметить, что в теории Эйнштейна абсолютизируется состояние покоя, что, опять же, является возвратом к временам Аристотеля и Птолемея. А Ньютон, своим Первым законом, специально подчёркивает, что v = 0 = const не имеет никаких преимуществ по сравнению с v = const > 0.
Включение в формулировку Первого закона инерциальной системы отсчёта неприемлемо и в том смысле, что физический закон реализуется независимо от того – наблюдаем мы за процессом или нет, измеряем что-либо или нет… Тем более, что определение инерциальной системы отсчёта дают через Первый закон Ньютона (см., например, на стр.13 в [3]), а потом переформулируют этот же закон, используя понятие «инерциальной системы отсчёта»… Очень «научный» подход…
Итак, одна из главных идей Первого закона Ньютона заключается в том, что «состояние покоя» не является особым случаем, а как раз наоборот, это – частный случай «состояния прямолинейного равномерного движения», когда скорость равна нулю, т.е. любое другое число, равноправно во всех отношениях с нулём!
Именно эта мысль – главный удар по теории Аристотеля, которая недалеко ушла (точнее: никуда не ушла) от обыденного представления о движении, когда считается, что для того, чтобы привести в движение физическое тело и поддерживать это движение в дальнейшем, требуется всё время прикладывать усилие (силу).
Разумеется, те примеры движения, такие как «полёт брошенного камня», «полёт стрелы после прекращения действия тетивы», где не видно, «поддерживающей движение», силы, ставят в тупик эти представления о движении.
Второй важный момент. Утверждают, что Ньютон «искал» какую-то абсолютную точку отсчёта и, в конце концов, «закончил» эти поиски в центре Солнца. Как бы то ни было, но Первый закон, как раз, отрицает абсолютность нулевой скорости, а, следовательно, и абсолютность какой-либо точки отсчёта… Вполне возможно, что эти «поиски» (если они, на самом деле, были…) – другое проявление самого Ньютона, не как физика, а как теолога. Ведь, само утверждение «существуют такие системы отсчёта» в корне неверно! При точных измерениях мы всегда обнаружим ускорения. Даже корабль, двигающийся с постоянной скоростью при полном штиле не является инерциальной системой отсчёта, потому что Земля шарообразная и корабль движется по кривой поверхности моря, не говоря уже о том, что сама Земля вращается…
И ещё.
Что бы ни говорили «квантомеханики»: нет ни одного эксперимента, показывающего, что в микромире этот закон не выполняется!.. Наоборот, то же Броуновское движение доказывает «дословное» (т.е. без дополнительных пояснений) выполнение закона: микрочастица движется от одного столкновения до другого по прямой и с постоянной скоростью.
Т.е., утверждая выше об отсутствии инерциальных систем отсчёта я немного погорячился? В микромире они существуют? Похоже на то!
Но, в то же время в микромире отсутствуют… ускорения (!), потому что там нет «полей» как в макромире и все взаимодействия происходят только посредством «столкновений» в очень малой области пространства за очень короткое время… Для подтверждения этого тезиса сошлюсь на авторитет Ричарда Фейнмана (Richard Feynman), утверждавшего в [4]:
Хочу особенно подчеркнуть, что свет существует именно в виде частиц – это очень важно знать. Это особенно важно знать тем из вас, кто ходил в школу, где, возможно, что-то говорили о волновой природе света.Кстати, сами фейнмановские диаграммы изначально строились как «траектории» частиц до и после взаимодействия в одной пространственной и одной временной осях координат, но потом «увлеклись» математикой и об этом «забыли», опять же, потому что решили «ограничить» применимость Законов Ньютона…
Я говорю вам, как он на самом деле ведёт себя – как частицыЛитература
- Перышкин А.В. Физика. 9 кл.: учебник / А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. – М.: Дрофа, 2014. – 319,[1] с.: ил.
- Ньютон Исаак. Математические начала натуральной философии. – М.: Наука, 1989. (перевод с латинского и комментарии А.Н. Крылова).
- Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Учеб.пособ.: Для вузов. В 10т. Т. II. Теория поля.— 8-е изд., стереот.-М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003.-536 с
- Фейнман Ричард. КЭД – странная теория света и вещества: Пер. с англ.—М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988.—144с.—(Б-чка «Квант». Вып.66.)
Кратко и понятно о первом, втором и третьем законах Ньютона: формулировки, примеры и формулы
Три закона Ньютона — это основа классической механики.
В 1867 году Ньютон опубликовал работу под названием «Математические начала натуральной философии». Там были все знания, накопленные до него другими учёными, а также новые, открытые самим Ньютоном. Его считают одним из самых первых основоположником современной физики. Благодаря систематизированным знаниям, которые были описаны в вышеуказанном труде, он открыл множество законов механики, Закон всемирного тяготения и многое другое.…
Вконтакте
Google+
Мой мир
Кратко о законах Ньютона
Первый закон Ньютона
- Формулировка. В наше время встречаются несколько формулировок, вот одна из самых современных: «Существуют такие инерциальные системы отсчёта, относительно которых тело, если на него не действуют другие силы (либо действие других сил компенсируется), находится в покое либо движется равномерно и прямолинейно». Этот закон иногда называют Законом инерции.
- Трактовка. Если описать это утверждение простыми словами, то можно увидеть, что всё достаточно просто: если какое-то тело находится в покое относительно чего-либо, то оно и будет оставаться в покое до тех пор, пока на него не подействует какой-либо предмет. То же самое, если тело движется равномерно прямолинейно, то оно будет продолжать так двигаться, пока на него не подействует какая-либо сила. До Ньютона его открыл Галилео Галилей, но он не совсем точно его описал. Теперь осталось только разобраться, что такое инерциальные системы отсчёта. Проще говоря, это такая система, для которой выполняется Первый закон Ньютона.
- Пример действия. Представьте себе парашютиста, который движется прямолинейно равномерно к Земле. Это будет продолжаться до тех пор, пока притяжение к поверхности Земли будет компенсироваться сопротивлением воздуха. Если же сопротивление станет меньше либо больше, то тогда на тело начнёт действовать сила притяжения, и оно станет двигаться прямолинейно равноускоренно.
- История открытия. Существует легенда об открытии этого утверждения. Когда-то Ньютон сидел под деревом, и рядом с ним упало яблоко. Это подтолкнуло его на размышления о том, почему яблоко упало перпендикулярно земле, каковы были причины данного явления. По крайней мере, так описывал этот эпизод знаменитый биограф Уильям Стьюкли.
- Формулы у него нет.
Если описать это утверждение простыми словами, то можно увидеть, что всё достаточно просто: если какое-то тело находится в покое относительно чего-либо, то оно и будет оставаться в покое до тех пор, пока на него не подействует какой-либо предмет. То же самое, если тело движется равномерно прямолинейно, то оно будет продолжать так двигаться, пока на него не подействует какая-либо сила. До Ньютона его открыл Галилео Галилей, но он не совсем точно его описал. Теперь осталось только разобраться, что такое инерциальные системы отсчёта. Проще говоря, это такая система, для которой выполняется Первый закон Ньютона.
Это интересно: система отсчета в физике — определение и ее виды.
Второй закон Ньютона
Он описывает поведение тела при действии на него других объектов. Что с ним происходит, как он начинает двигаться и прочее.
- Формулировка. «В инерциальных системах отсчёта ускорение тела с постоянной массой прямо пропорционально равнодействующей всех сил и обратно пропорционально его массе».
- Формула. Математическое описание этого утверждения такое: а = F/m, где a — это ускорение, F — равнодействующая всех сил, приложенных к телу, m — масса тела.
- Трактовка. Из формулы мы видим, что ускорение тела зависит от силы, приложенной к этому телу, и массы. А также можно увидеть, что чем больше равнодействующая всех сил, то тем больше ускорение, и чем больше масса тела, тем ускорение меньше. Говоря простым языком, если равнодействующая всех сил не равна нулю и не меньше нуля, то выполняется данное утверждение. Можно сказать ещё проще, если на тело действует сила, то оно приобретает ускорение.
- Пример действия. Возьмём бейсбольную биту и мяч. Если ударить битой по мячу, и удар будет сильнее действия всех других сил, то мяч приобретёт ускорение равное отношению равнодействующей всех сил к массе.
Это интересно: формула всемирного тяготения — определение закона.
Третий закон Ньютона
- Формулировка. «Тела взаимодействуют друг на друга с силами одинаковой природы, направленными вдоль прямой, которая соединяет центры масс этих тел, а силы равны по модулю и разнонаправленны».
- Трактовка. Это значит, что на каждое действие есть своё противодействие.
- Пример действия. Более понятно это можно рассмотреть на таком примере: представьте пушку, из которой стреляют ядром. Ядро будет действовать на пушку с той же силой, с какой пушка вытолкала ядро. Поэтому при выстреле пушка откатится чуть-чуть назад, это происходит из-за того, что размеры пушки и ядра разные. Примерно то же самое происходит и при падении яблока на землю. Земля действует на яблоко с некой силой и яблоко тоже действует на Землю. Только из-за того, что масса Земли в миллионы раз больше яблока этого действия не видно. Еще один пример действия Третьего закона для закрепления усвоенного. Возьмём довольно сложный пример: притяжение планет. Луна вертится вокруг Земли благодаря тому, что она притягивается к Земле, но по Третьему закону Ньютона Луна тоже притягивает Землю к себе. Однако, из-за того, что их массы разные, Луна не может притянуть Землю, но у неё получается вызвать отливы и приливы в морях и океанах.
- Формула. Математически это утверждение можно записать так: F1 = -F2, где F1 — это сила, с которой первое тело действует на второе, а F2 — сила, с которой второе тело действует на первое.
основные формулы по первому и второму законам и их формулировки или определения в физике, задачи на это и их решение
Мы уже говорили об основах классической механики. Настала пора поговорить о них подробнее и затронуть в обсуждении чуть больше, чем просто основу. В этой статье мы подробно разберем основные законы классической механики. Как вы уже догадались, речь пойдет о законах Ньютона.
Основные законы классической механики Исаак Ньютон (1642-1727) собрал и опубликовал в 1687 году. Три знаменитых закона были включены в труд, который назывался «Математические начала натуральной философии».
Законы Ньютона для «чайников»: объяснение 1, 2, 3 закона, пример с формулами
- Был долго этот мир глубокой тьмой окутан
Да будет свет, и тут явился Ньютон. - (Эпиграмма 18-го века)
- Но сатана недолго ждал реванша —
Пришел Эйнштейн, и стало все как раньше. - (Эпиграмма 20-го века)
Что стало, когда пришел Эйнштейн, читайте в отдельном материале про релятивистскую динамику. А мы пока приведем формулировки и примеры решения задач на каждый закон Ньютона.
Первый закон Ньютона
Первый закон Ньютона гласит:
Существуют такие системы отсчета, называемые инерциальными, в которых тела движутся равномерно и прямолинейно, если на них не действуют никакие силы или действие других сил скомпенсировано.
Проще говоря, суть первого закона Ньютона можно сформулировать так: если мы на абсолютно ровной дороге толкнем тележку и представим, что можно пренебречь силами трения колес и сопротивления воздуха, то она будет катиться с одинаковой скоростью бесконечно долго.
Инерция – это способность тела сохранять скорость как по направлению, так и по величине, при отсутствии воздействий на тело.
Первый закон Ньютона еще называют законом инерции.
До Ньютона закон инерции был сформулирован в менее четкой форме Галилео Галилеем. Инерцию ученый называл «неистребимо запечатленным движением». Закон инерции Галилея гласит: при отсутствии внешних сил тело либо покоится, либо движется равномерно.
Огромная заслуга Ньютона в том, что он сумел объединить принцип относительности Галилея, собственные труды и работы других ученых в своих «Математических началах натуральной философии».
Понятно, что таких систем, где тележку толкнули, а она покатилась без действия внешних сил, на самом деле не бывает. На тела всегда действуют силы, причем скомпенсировать действие этих сил полностью практически невозможно.
Например, все на Земле находится в постоянном поле силы тяжести. Когда мы передвигаемся (не важно, ходим пешком, ездим на машине или велосипеде), нам нужно преодолевать множество сил: силу трения качения и силу трения скольжения, силу тяжести, силу Кориолиса.
Второй закон Ньютона
Помните пример про тележку? В этот момент мы приложили к ней силу! Интуитивно понятно, что тележка покатится и вскоре остановится.
Это значит, ее скорость изменится.
В реальном мире скорость тела чаще всего изменяется, а не остается постоянной. Другими словами, тело движется с ускорением. Если скорость нарастает или убывает равномерно, то говорят, что движение равноускоренное.
Если рояль падает с крыши дома вниз, то он движется равноускоренно под действием постоянного ускорения свободного падения g. Причем любой дугой предмет, выброшенный из окна на нашей планете, будет двигаться с тем же ускорением свободного падения.
Второй закон Ньютона устанавливает связь между массой, ускорением и силой, действующей на тело. Приведем формулировку второго закона Ньютона:
Ускорение тела (материальной точки) в инерциальной системе отсчета прямо пропорционально приложенной к нему силе и обратно пропорционально массе.
Если на тело действует сразу несколько сил, то в данную формулу подставляется равнодействующая всех сил, то есть их векторная сумма.
В такой формулировке второй закон Ньютона применим только для движения со скоростью, много меньшей, чем скорость света.
Существует более универсальная формулировка данного закона, так называемый дифференциальный вид.
В любой бесконечно малый промежуток времени dt сила, действующая на тело, равна производной импульса тела по времени.
Третий закон Ньютона
В чем состоит третий закон Ньютона? Этот закон описывает взаимодействие тел.
3 закон Ньютона говорит нам о том, что на любое действие найдется противодействие. Причем, в прямом смысле:
Два тела воздействуют друг на друга с силами, противоположными по направлению, но равными по модулю.
Формула, выражающая третий закон Ньютона:
Другими словами, третий закон Ньютона — это закон действия и противодействия.
Пример задачи на законы Ньютона
Вот типичная задачка на применение законов Ньютона. В ее решении используются первый и второй законы Ньютона.
Десантник раскрыл парашют и опускается вниз с постоянной скоростью. Какова сила сопротивления воздуха? Масса десантника – 100 килограмм.
Решение:
Движение парашютиста – равномерное и прямолинейное, поэтому, по первому закону Ньютона, действие сил на него скомпенсировано.
На десантника действуют сила тяжести и сила сопротивления воздуха. Силы направлены в противоположные стороны.
По второму закону Ньютона, сила тяжести равна ускорению свободного падения, умноженному на массу десантника.
Ответ: Сила сопротивления воздуха равна силе тяжести по модулю и противоположна направлена.
Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы
А вот еще одна физическая задачка на понимание действия третьего закона Ньютона.
Комар ударяется о лобовое стекло автомобиля. Сравните силы, действующие на автомобиль и комара.
Решение:
По третьему закону Ньютона, силы, с которыми тела действуют друг на друга, равны по модулю и противоположны по направлению.
Сила, с которой комар действует на автомобиль, равна силе, с которой автомобиль действует на комара.
Другое дело, что действие этих сил на тела сильно отличаются вследствие различия масс и ускорений.
Исаак Ньютон: мифы и факты из жизни
На момент публикации своего основного труда Ньютону было 45 лет. За свою долгую жизнь ученый внес огромный вклад в науку, заложив фундамент современной физики и определив ее развитие на годы вперед.
Он занимался не только механикой, но и оптикой, химией и другими науками, неплохо рисовал и писал стихи. Неудивительно, что личность Ньютона окружена множеством легенд.
Ниже приведены некоторые факты и мифы из жизни И. Ньютона. Сразу уточним, что миф – это не достоверная информация. Однако мы допускаем, что мифы и легенды не появляются сами по себе и что-то из перечисленного вполне может оказаться правдой.
Факт. Исаак Ньютон был очень скромным и застенчивым человеком. Он увековечил себя благодаря своим открытиям, однако сам никогда не стремился к славе и даже пытался ее избежать.
Миф. Существует легенда, согласно которой Ньютона осенило, когда на наго в саду упало яблоко. Это было время чумной эпидемии (1665-1667), и ученый был вынужден покинуть Кембридж, где постоянно трудился. Точно неизвестно, действительно ли падение яблока было таким роковым для науки событием, так как первые упоминания об этом появляются только в биографиях ученого уже после его смерти, а данные разных биографов расходятся.
Факт. Ньютон учился, а потом много работал в Кембридже. По долгу службы ему нужно было несколько часов в неделю вести занятия у студентов. Несмотря на признанные заслуги ученого, занятия Ньютона посещались плохо. Бывало, что на его лекции вообще никто не приходил. Скорее всего, это связано с тем, что ученый был полностью поглощен своими собственными исследованиями.
Миф. В 1689 году Ньютон был избран членом Кембриджского парламента. Согласно легенде, более чем за год заседания в парламенте вечно поглощенный своими мыслями ученый взял слово для выступления всего один раз.
Он попросил закрыть окно, так как был сквозняк.
Факт. Неизвестно, как бы сложилась судьба ученого и всей современной науки, если бы он послушался матери и начал заниматься хозяйством на семейной ферме. Только благодаря уговорам учителей и своего дяди юный Исаак отправился учиться дальше вместо того, чтобы сажать свеклу, разбрасывать по полям навоз и по вечерам выпивать в местных пабах.
Дорогие друзья, помните — любую задачу можно решить! Если у вас возникли проблемы с решением задачи по физике, посмотрите на основные физические формулы. Возможно, ответ перед глазами, и его нужно просто рассмотреть. Ну а если времени на самостоятельные занятия совершенно нет, специализированный студенческий сервис всегда к вашим услугам!
Источник: https://Zaochnik-com.ru/blog/zakony-nyutona-dlya-chajnikov-obyasnenie-primer/
Первый закон Ньютона — Класс!ная физика
Закон инерции относится к самому простому случаю движения — движению тела, которое не взаимодействует с другими телами, т.
е. движению свободного тела.
Ответить на вопрос, как же движутся свободные тела, не обращаясь к опыту, нельзя. Однако нельзя поставить ни одного опыта, который бы в чистом виде показал, как движется ни с чем не взаимодействующее тело, так как таких тел нет. Как же быть?
Имеется лишь один выход. Надо поместить тело в условия, при которых влияние внешних взаимодействий можно делать всё меньшим и меньшим, и наблюдать, к чему это ведёт.
Можно, например, наблюдать за движением гладкого камня на горизонтальной поверхности, после того как ему сообщена некоторая скорость. (Притяжение камня к Земле компенсируется действием поверхности, на которую он опирается; на скорость его движения влияет только трение.)
При этом легко обнаружить, что, чем более гладкой является поверхность, тем медленнее будет уменьшаться скорость камня.
На гладком льду камень скользит весьма долго, не меняя заметно скорость.
На основе подобных наблюдений можно сделать вывод: если бы поверхность была идеально гладкой, то при отсутствии сопротивления воздуха (в вакууме) камень совсем не менял бы своей скорости. Именно к такому выводу пришёл впервые Галилей.
Первый закон Ньютона:
Существуют системы отсчёта, называемые инерциальными, относительно которых тело движется прямолинейно и равномерно, если на него не действуют другие тела.
Первый закон, или закон инерции, как его часто называют, фактически был открыт Галилеем, но строгую формулировку дал и включил его в число основных законов механики Исаак Ньютон.
Этот закон, с одной стороны, содержит определение инерциальной системы отсчёта. С другой стороны, он содержит утверждение (которое с той или иной степенью точности можно проверить на опыте) о том, что инерциальные системы отсчёта существуют в действительности.
Инерциальные и неинерциальные системы отсчёта.
До сих пор систему отсчёта мы связывали с Землёй, т. е. рассматривали движение относительно Земли. В системе отсчёта, связанной с Землёй, ускорение тела определяется только действием на него других тел. Система отсчёта, связанная с Землёй, является инерциальной.
Из формулировки первого закона следует, что если есть одна инерциальная система отсчёта, то любая другая движущаяся относительно неё прямолинейно и равномерно также является инерциальной.
Однако, помимо инерциальных систем отсчёта, есть и другие, в которых тело имеет ускорение даже в том случае, когда на него другие тела не действуют.
В качестве примера рассмотрим систему отсчёта, связанную с автобусом. При равномерном движении автобуса пассажир может не держаться за поручень, действие со стороны автобуса компенсируется взаимодействием с Землёй. При резком торможении автобуса стоящие в проходе пассажиры падают вперёд, получая ускорение относительно стенок автобуса (рис. 2.6).
Однако это ускорение не вызвано какими-либо новыми воздействиями со стороны Земли или автобуса непосредственно на пассажиров.
Относительно Земли пассажиры сохраняют свою постоянную скорость, но автобус начинает двигаться с ускорением, и пассажиры относительно него также движутся с ускорением.
Ускорение появляется вследствие того, что движение их рассматривается относительно тела отсчёта (автобуса), движущегося с ускорением.
Рассмотрим маятник, находящийся на вращающемся диске (рис. 2.7). Нить маятника отклонена от вертикали, хотя сам он неподвижен относительно диска. Натяжение нити не может быть скомпенсировано силой притяжения к Земле. Следовательно, отклонение маятника нельзя объяснить только его взаимодействием с телами.
Рассмотрим ещё один маятник, находящийся в неподвижном вагоне. Нить маятника вертикальна (рис. 2.8, а). Шарик взаимодействует с нитью и Землёй, сила натяжения нити равна силе тяжести. С точки зрения пассажира в вагоне и человека, стоящего на перроне, шарик находится в равновесии вследствие того, что сумма сил, действующих на него, равна нулю.
Как только вагон начинает двигаться с ускорением, нить маятника отклоняется (шарик по инерции стремится сохранить состояние покоя).
С точки зрения человека, стоящего на перроне, ускорение шарика должно быть равно ускорению вагона, так как нить не разрывается и шарик движется вместе с вагоном.
Шарик по-прежнему взаимодействует с теми же телами, сумма сил этого взаимодействия должна быть отлична от нуля и определять ускорение шарика.
С точки зрения пассажира, находящегося в вагоне, шарик неподвижен, следовательно, сумма сил, действующих на шарик, должна быть равна нулю, однако на шарик действуют те же силы — натяжения нити и сила Рис. 2.8 тяжести. Значит, на шарик (рис.2.8, б) должна действовать сила ин, которая определяется тем, что система отсчёта, связанная с вагоном, неинерциальная. Эту силу называют силой инерции (см. рис. 2.8, б).
В неинерциальных системах отсчёта основное положение механики о том, что ускорение тела вызывается действием на него других тел, не выполняется.
Системы отсчёта, в которых не выполняется первый закон Ньютона, называются неинерциальными.
Источник: http://class-fizika.ru/10_a22.html
Физика простыми словами
Взаимодействие тел рассматривает динамика, в основе которой лежат 3 закона, носящих имя прославленного английского физика сэра Исаака Ньютона.
Первый закон Ньютона гласит: тело будет находится в состоянии покоя или прямолинейного равномерного движения пока и поскольку на него не подействуют другие тела. Это как раз то, о чем мы и говорили.
То есть автомобиль не может остановиться без взаимодействия колес с дорогой, с другой стороны, отсутствие этого взаимодействия не позволит неподвижному автомобилю тронутся с места, колеса будут просто напросто пробуксовывать.
Количественно взаимодействие тел в физике определяют силой — векторной физической величиной, которую принято обозначать буквой F и измерять в ньютонах.
Исходя из всего вышесказанного можно заключить, что сила является причиной изменения скорости. Но возможно ли изменение скорости тела без непосредственного действия на него сил? И казалось бы правильный ответ нет, но… Тут нужно вспомнить тот факт, что движение относительно, соответственно, очень важна система отсчета, которую мы выбрали, а что если она начнет двигаться с ускорением?
К примеру, вы решили прокатить понравившуюся девушку на своём мотоцикле, она садится сзади и относительно мотоцикла неподвижна.
Но вот вы по привычке резко трогаетесь и видите в зеркало, как девушка падает сзади на асфальт со словами: «чтоб я еще когда нибудь…!!!!» Или другой пример, опять же с мотоциклом: вы едите по дороге, и вдруг вам под колёса выскакивает собака, вы пытаетесь резко затормозить и, немного перестаравшись с передним тормозом, летите через руль прямиком к этой злосчастной собаке.
В обоих примерах, если брать мотоцикл за тело отсчета, и рассматривать движение относительно его, вы не обнаружите сил, которые действуют на вас или вашу девушку, вызывая изменение скорости.
Поэтому когда говорят о первом законе Ньютона, уточняют, что он справедлив для инерциальных систем отсчета, то есть систем, относительно которых тело сохраняет свою скорость при отсутствии на него воздействий внешних сил, ну или при их взаимной компенсации.
Если же система отсчета движется с ускорением, то она неинерциальная. Понятно? Нет. Идем дальше.
Второй закон Ньютона позволяет нам определить как же изменяется скорость при взаимодействии тел, или, проще говоря, позволяет найти ускорение.
Давайте попробуем разобраться и вывести этот закон.
От чего же зависит ускорение? Если мы пинаем футбольный мяч, то скорость полета мяча напрямую зависит от силы удара — чем сильнее пинаем тем быстрее летит, соответственно, ускорение будет напрямую зависеть от приложенной силы. И с другой стороны, если вместо мяча с той же силой пнуть любимую папину гирю… В общем, ускорение будет обратно пропорционально массе тела.
Чем масса больше, тем труднее изменить скорость тела. Поэтому иногда говорят, что масса является мерой инертности тела, то есть характеризует его способность сохранять скорость постоянной.
Если собрать все вместе можно сформулировать второй закон Ньютона следующим образом: ускорение прямо пропорционально силе приложенной к телу и обратно пропорционально его массе.
Часто этот закон можно встретить в другой интерпретации: сила, действующая на тело, равна произведению его массы и ускорения.
Третий закон Ньютона определяет силы, с которыми тела взаимодействуют друг с другом.
Как вы думаете, зачем боксерам перчатки? Наиболее часто встречаются два варианта ответа. Первый, чтоб не травмировать свои руки, и второй, чтоб излишне не травмировать противника. В принципе, оба ответа верны.
Согласно третьему закону Ньютона, если мы действуем на какое-либо тело с силой F, то это тело будет действовать на нас с той же по модулю силой, но обратной по направлению:
Или как еще говорят, сила действия равна силе противодействия.
Источник: https://physicsline.ru/teoriya/fizika-prostymi-slovami/fizika-prostymi-slovami-dinamika/
Законы ньютона простым языком
Законы Ньютона — это три важнейших закона классической механики, которые позволяют записать уравнения движения для любой механической системы, если известны силы, действующие на составляющие её тела.
Эти законы, естественно, сформулировал сэр Исаак Ньютон в 1687 году в книге «Математические начала натуральной философии».
В ньютоновском изложении механики эти законы являются аксиомами, базирующимися на обобщении экспериментальных результатов, то есть уже не требуют доказательства в настоящее время.
Первый закон Ньютона
Если на тело нет внешних воздействий, то это тело находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения по горизонтали относительно Земли.
Смысл Закона заключался в том, что он полностью совпадает с Законом инерции Галилео Галилея! Соответственно, если для этой системы отсчёта выполняется Первый закон Ньютона, то такая система отсчёта и называется инерциальной. А инерция — это и есть свойство тела оставаться в состоянии покоя или равномерного прямолинейного/прямого движения в отсутствие внешних воздействий.
Для примера полетим в далёкий-далёкий космос. Там почти нет никаких воздействий других тел. Вынем из кармана скафандра мячик и оставим его. Он не будет двигаться, то есть останется в состоянии покоя.
А теперь толкнём его, придадим импульс — и мячик плавно полетит в одном, прямом направлении, то есть перейдёт в состояние равномерного прямолинейного движения.
На Земле действует сила тяготения планеты, поэтому данный закон реализуем в нашей природе условно.
Второй закон Ньютона
Ускорение тела прямо пропорционально действующей на тело силе и обратно пропорционально массе этого тела.
Формула Закона: a = F / m, где а — ускорение, m — масса тела, F — сила, действующая на тело.
Смысл Закона в том, что сила, действующая на тело создаёт ускорение этого тела. Следовательно, чем больше масса тела, тем меньшее ускорение оно получит от действия данной (такой же) силы.
Для примера можно взять два человека, спускающихся со склона на лыжах. На каждого из них действует две силы. Тот лыжник, что тяжелее, будет медленнее спускаться при одинаковом пинке каждому из них! ))) Если мы хотим, чтобы оба лыжника спускались с одной скоростью, то более тяжёлого человека надо подтолкнуть сильнее. На сколько сильнее? На сколько он тяжелее — на 10%, 20% или 30%.
Третий Закон Ньютона
Пусть одно тело действует на данное тело с силой F1, тогда данное тело действует на первое тело с силой F2, равной по модулю силе F1 и противоположной по направлению.
Формула Закона: F1 = -F2
Смысл Закона в том, что каждому действию есть противодействие.
Для примера два бильярдных (пластиковых) шара на столе. Подтолкнём один из них в направлении второго. При столкновении первый шар изменит и скорость, и направление, а второй покатится в направлении, обратном точке удара по нему.
Первый шар изменил направление и скорость при столкновении со вторым шаром из-за того, что то воздействовал на него, то ест произвёл противодействие.
Вот и все сложности! Ничего сложного.
Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5b955f924e008900ad8d15f2/5ba0a6957c147200ab5dc616
законов движения Ньютона | Определение, примеры и история
Законы движения Ньютона , отношения между силами, действующими на тело, и движением тела, впервые сформулированные английским физиком и математиком сэром Исааком Ньютоном.
Ньютон, Исаак; законы движенияТитульный лист книги Исаака Ньютона Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (1687; Mathematical Principles of Natural Philosophy ), работы, в которой физик представил свои три закона движения.
Photos.com/ThinkstockПопулярные вопросы
Каковы законы движения Ньютона?
Законы движения Ньютона связывают движение объекта с силами, действующими на него. В первом законе объект не изменит своего движения, если на него не действует сила. Во втором законе сила, действующая на объект, равна его массе, умноженной на его ускорение. В третьем законе, когда два объекта взаимодействуют, они прикладывают друг к другу силы равной величины и противоположного направления.
Почему законы движения Ньютона важны?
Законы движения Ньютона важны, потому что они лежат в основе классической механики, одного из основных разделов физики.Механика — это изучение того, как объекты движутся или не двигаются, когда на них действуют силы.
Первый закон Ньютона гласит, что если тело находится в состоянии покоя или движется с постоянной скоростью по прямой линии, оно будет оставаться в покое или продолжать движение по прямой с постоянной скоростью, если на него не действует сила. Этот постулат известен как закон инерции. Закон инерции был впервые сформулирован Галилео Галилеем для горизонтального движения на Земле, а затем был обобщен Рене Декартом. До Галилея считалось, что любое горизонтальное движение требует прямой причины, но Галилей вывел из своих экспериментов, что движущееся тело будет оставаться в движении, если сила (например, трение) не заставит его остановиться.
баскетбол; Законы движения НьютонаКогда баскетболист делает бросок в прыжке, мяч всегда следует по дуге. Мяч следует по этому пути, потому что его движение подчиняется законам движения сэра Исаака Ньютона.
© Mark Herreid / Shutterstock.comВторой закон Ньютона — это количественное описание изменений, которые сила может вызвать при движении тела. Он утверждает, что скорость изменения количества движения тела по величине и направлению равна силе, приложенной к нему.Импульс тела равен произведению его массы на его скорость. Импульс, как и скорость, является векторной величиной, имеющей как величину, так и направление. Сила, приложенная к телу, может изменить величину импульса или его направление, или и то, и другое. Второй закон Ньютона — один из самых важных во всей физике. Для тела, масса которого м постоянна, это можно записать в виде F = м a , где F (сила) и a (ускорение) являются векторными величинами.Если на тело действует чистая сила, оно ускоряется в соответствии с уравнением. И наоборот, если тело не ускоряется, на него не действует действующая сила.
Третий закон Ньютона гласит, что при взаимодействии двух тел они прикладывают друг к другу силы, равные по величине и противоположные по направлению. Третий закон также известен как закон действия и противодействия. Этот закон важен при анализе задач статического равновесия, в которых все силы уравновешены, но он также применим к телам в равномерном или ускоренном движении.Силы, которые он описывает, являются реальными, а не просто бухгалтерскими приборами. Например, книга, лежащая на столе, прикладывает направленную вниз силу, равную ее весу на столе. Согласно третьему закону, стол прилагает к книге равную и противоположную силу. Эта сила возникает из-за того, что вес книги заставляет стол слегка деформироваться, так что он толкает книгу назад, как спиральная пружина.
Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас ЗаконыНьютона впервые появились в его шедевре Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (1687), широко известном как Principia .В 1543 году Николай Коперник предположил, что в центре Вселенной может находиться Солнце, а не Земля. За прошедшие годы Галилей, Иоганн Кеплер и Декарт заложили основы новой науки, которая заменит аристотелевское мировоззрение, унаследованное от древних греков, и объяснит работу гелиоцентрической вселенной. В Принципах Ньютон создал эту новую науку. Он разработал свои три закона, чтобы объяснить, почему орбиты планет представляют собой эллипсы, а не круги, что ему удалось, но оказалось, что он объяснил гораздо больше.Серия событий от Коперника до Ньютона известна под общим названием Научная революция.
В 20 веке законы Ньютона были заменены квантовой механикой и теорией относительности как наиболее фундаментальными законами физики. Тем не менее законы Ньютона продолжают давать точное описание природы, за исключением очень маленьких тел, таких как электроны, или тел, движущихся со скоростью, близкой к скорости света. Квантовая механика и теория относительности сводятся к законам Ньютона для более крупных тел или для тел, движущихся медленнее.
Законы движения Ньютона | Исследовательский центр Гленна
Каковы законы движения Ньютона?
- Покоящийся объект остается неподвижным, а объект в движении остается в движении с постоянной скоростью и по прямой, если на него не действует неуравновешенная сила.
- Ускорение объекта зависит от массы объекта и количества приложенной силы.
- Каждый раз, когда один объект оказывает силу на другой объект, второй объект оказывает равное и противоположное воздействие на первый.
Сэр Исаак Ньютон работал во многих областях математики и физики. Он разработал теории гравитации в 1666 году, когда ему было всего 23 года. В 1686 году он представил свои три закона движения в «Principia Mathematica Philosophiae Naturalis».
Разработав три закона движения, Ньютон произвел революцию в науке. Законы Ньютона вместе с законами Кеплера объяснили, почему планеты движутся по эллиптическим орбитам, а не по кругу.
Ниже представлен небольшой фильм с участием Орвилла и Уилбура Райтов и обсуждение того, как законы движения Ньютона применимы к полету их самолета.
Первый закон Ньютона: инерция
Покоящийся объект остается неподвижным, а объект в движении остается в движении с постоянной скоростью и по прямой, если на него не действует неуравновешенная сила.
Первый закон Ньютона гласит, что каждый объект будет оставаться в покое или в равномерном движении по прямой линии, если он не будет вынужден изменить свое состояние под действием внешней силы. Эта тенденция сопротивляться изменениям в состоянии движения составляет инерции .Нет чистой силы , действующей на объект (если все внешние силы нейтрализуют друг друга). Тогда объект будет поддерживать постоянную скорость . Если эта скорость равна нулю, объект остается в покое. Если на объект действует внешняя сила, скорость изменится из-за силы.
Примеры инерции, связанные с аэродинамикой:
- Движение самолета, когда пилот меняет положение дроссельной заслонки двигателя.
- Движение шара, падающего в атмосфере.
- Модель ракеты, запускаемой в атмосферу.
- Движение воздушного змея при перемене ветра.
Второй закон Ньютона: сила
Ускорение объекта зависит от массы объекта и количества приложенной силы.
Его второй закон определяет, что сила равна изменению импульса (масса, умноженная на скорость) за изменение во времени. Импульс определяется как масса объекта м , умноженная на его скорость V .
Предположим, что у нас есть самолет в точке «0», определяемой его местоположением X0 и временем t0 . Самолет имеет массу m0 и движется со скоростью V0 . Внешняя сила F , приложенная к самолету, показанному выше, перемещает его в точку «1». Новое местоположение самолета X1 , время t1 .
Масса и скорость самолета изменяются во время полета до значений м1 и V1 .Второй закон Ньютона может помочь нам определить новые значения V1 и m1 , если мы знаем, насколько велика сила F . Давайте просто возьмем разницу между условиями в точке «1» и условиями в точке «0».
F = (m1 * V1 — m0 * V0) / (t1 — t0)Второй закон Ньютона говорит об изменениях количества движения (м * В), поэтому на данный момент мы не можем отделить, насколько изменилась масса и насколько изменилась скорость. Мы знаем только, насколько изменился продукт (m * V).
Предположим, что масса остается постоянной величиной, равной м . Это предположение довольно хорошо для самолета, единственное изменение массы будет для топлива, сожженного между точкой «1» и точкой «0». Вес топлива, вероятно, невелик по сравнению с весом остальной части самолета, особенно если мы будем смотреть только на небольшие изменения во времени. Если бы мы обсуждали полет бейсбольного мяча, то, конечно, масса остается постоянной. Но если мы обсуждали полет баллонной ракеты, то масса не остается постоянной, и мы можем смотреть только на изменение количества движения.Для постоянной массы м второй закон Ньютона выглядит так:
F = m * (V1 — V0) / (t1 — t0)Изменение скорости, деленное на изменение во времени, и есть определение ускорения a . Затем второй закон сводится к более знакомому произведению массы и ускорения:
F = м * аПомните, что это соотношение подходит только для объектов с постоянной массой. Это уравнение говорит нам, что объект, на который действует внешняя сила, будет ускоряться и что величина ускорения пропорциональна величине силы.Величина ускорения также обратно пропорциональна массе объекта; при равных силах более тяжелый объект будет испытывать меньшее ускорение, чем более легкий объект. Рассматривая уравнение количества движения, сила вызывает изменение скорости; и аналогично изменение скорости порождает силу. Уравнение работает в обоих направлениях.
Скорость, сила, ускорение и импульс имеют как величину , так и направление , связанное с ними. Ученые и математики называют это векторной величиной.Показанные здесь уравнения на самом деле являются векторными уравнениями и могут применяться в каждом из направлений компонентов. Мы рассмотрели только одно направление, и, как правило, объект движется во всех трех направлениях (вверх-вниз, влево-вправо, вперед-назад).
Пример силы, связанной с аэродинамикой:
Третий закон Ньютона: действие и противодействие
Каждый раз, когда один объект оказывает силу на второй объект, второй объект оказывает на первый равную и противоположную силу.
Его третий закон гласит, что на каждые действия (силы) в природе существует равное и противоположное противодействие .Если объект A оказывает силу на объект B, объект B также оказывает равную и противоположную силу на объект A. Другими словами, силы возникают в результате взаимодействий.
Примеры действий и противодействий, связанных с аэродинамикой:
- Движение подъемной силы от профиля, воздух отклоняется вниз под действием профиля, и в ответ крыло толкается вверх.
- Движение вращающегося шара, воздух отклоняется в одну сторону, а мяч реагирует движением в противоположную сторону.
- Движение реактивного двигателя создает тягу, и горячие выхлопные газы выходят из задней части двигателя, а сила тяги создается в противоположном направлении.
| 1. Первый закон движения Ньютона (инерция) | Покоящийся объект остается неподвижным, а объект в движении остается в движении с постоянной скоростью и по прямой, если на него не действует неуравновешенная сила. |
| 2. Второй закон движения Ньютона (Сила) | Ускорение объекта зависит от массы объекта и величины приложенной силы. |
| 3. Третий закон движения Ньютона (Действие и противодействие) | Каждый раз, когда один объект оказывает силу на другой объект, второй объект оказывает равное и противоположное воздействие на первый. |
Первый закон движения Ньютона
В предыдущей главе исследования обсуждались различные способы описания движения (слова, графики, диаграммы, числа и т. Д.). В этом разделе (Законы движения Ньютона) будут обсуждаться способы объяснения движения .Исаак Ньютон (ученый 17 века) выдвинул множество законов, объясняющих, почему объекты движутся (или не двигаются) именно так. Эти три закона стали известны как три закона движения Ньютона. В центре внимания Урока 1 находится первый закон движения Ньютона, который иногда называют законом инерции .
Первый закон движения Ньютона часто называют
.Два пункта и условиеПокоящийся объект остается неподвижным, а объект в движении остается в движении с той же скоростью и в том же направлении, если на него не действует неуравновешенная сила.
В этом утверждении есть два пункта или части — один, который предсказывает поведение стационарных объектов, а другой, который предсказывает поведение движущихся объектов. Эти две части представлены на следующей диаграмме.
Поведение всех объектов можно описать, сказав, что объекты имеют тенденцию «продолжать делать то, что они делают» (если на них не действует неуравновешенная сила).Если они находятся в состоянии покоя, они будут продолжать в том же состоянии покоя. Если они движутся со скоростью 5 м / с на восток, они продолжат движение в том же состоянии (5 м / с, восток). Если они будут двигаться со скоростью 2 м / с влево, они продолжат движение в том же состоянии (2 м / с, слева). Состояние движения объекта сохраняется до тех пор, пока на объект , а не действует неуравновешенная сила. Все объекты сопротивляются изменениям в своем состоянии движения — они склонны «продолжать делать то, что делают».«
Существует важное условие, которое должно быть выполнено, чтобы первый закон был применим к любому данному ходатайству. Состояние описывается фразой «… если на него не действует неуравновешенная сила». Пока силы не разбалансированы, то есть пока силы уравновешены, применяется первый закон движения. Эта концепция сбалансированной и неуравновешенной силы будет обсуждаться более подробно позже в Уроке 1.
Предположим, вы наполнили форму для запекания водой до края и прошли по овальной дорожке, пытаясь пройти круг за наименьшее время.Вода имеет тенденцию выливаться из контейнера в определенных местах на трассе. В общем вода пролилась когда:
- контейнер был неподвижен, и вы попытались его переместить
- контейнер находился в движении, и вы пытались его остановить
- : контейнер двигался в одном направлении, и вы попытались изменить его направление.
Вода проливается всякий раз, когда изменяется состояние движения контейнера.Вода сопротивлялась этому изменению в своем собственном состоянии движения. Вода имела тенденцию «продолжать делать то, что делала». Контейнер был переведен из состояния покоя на высокую скорость на старте; вода осталась в покое и пролилась на стол. Контейнер был остановлен около финиша; вода продолжала двигаться и пролилась через передний край контейнера. Контейнер был вынужден двигаться в другом направлении, чтобы сделать изгиб; вода продолжала двигаться в том же направлении и переливалась через край.Поведение воды во время круга по трассе можно объяснить первым законом движения Ньютона.
Повседневное применение Первого закона НьютонаЕсть много применений первого закона движения Ньютона. Рассмотрим некоторые из ваших опытов в автомобиле. Вы когда-нибудь наблюдали поведение кофе в чашке, наполненной до краев, при запуске автомобиля из состояния покоя или при выводе автомобиля на отдых из состояния движения? Кофе «продолжает делать то, что делает.«Когда вы разгоняете машину из состояния покоя, дорога создает неуравновешенную силу на вращающиеся колеса, толкая машину вперед; однако кофе (который был в состоянии покоя) хочет оставаться в состоянии покоя. Пока машина ускоряется вперед, кофе остается в в том же положении; впоследствии машина разгоняется из-под кофе, и кофе разливается вам на колени. С другой стороны, при торможении из состояния движения кофе продолжает движение вперед с той же скоростью и в том же направлении , в конечном итоге ударившись о лобовое стекло или приборную панель.Кофе в движении остается в движении.
Испытывали ли вы когда-нибудь инерцию (сопротивление изменениям в вашем состоянии движения) в автомобиле, когда он тормозит до полной остановки? Сила дороги на заблокированные колеса обеспечивает неуравновешенную силу для изменения состояния движения автомобиля, но нет неуравновешенной силы, чтобы изменить ваше собственное состояние движения. Таким образом, вы продолжаете движение, скользя по сиденью в поступательном движении. Человек в движении остается в движении с той же скоростью и в том же направлении… если на него не действует неуравновешенная сила ремня безопасности. Да! Ремни безопасности используются для обеспечения безопасности пассажиров, движение которых регулируется законами Ньютона. Ремень безопасности обеспечивает неуравновешенное усилие, которое переводит вас из состояния движения в состояние покоя. Возможно, вы могли бы предположить, что произойдет, если ремень безопасности не используется.
Есть еще много приложений первого закона движения Ньютона.Ниже перечислены несколько приложений. Возможно, вы могли бы подумать о законе инерции и дать объяснения для каждого приложения.
- Кровь приливает с головы к ногам, быстро останавливаясь при езде на спускающемся лифте.
- Головку молотка можно закрепить на деревянной ручке, ударив нижней частью ручки о твердую поверхность.
- Кирпич безболезненно разбивают о руку учителя физики, ударив по нему молотком.(ВНИМАНИЕ: не пытайтесь сделать это дома!)
- Чтобы вытолкнуть кетчуп со дна бутылки с кетчупом, его часто переворачивают вверх дном и толкают вниз на высокой скорости, а затем резко останавливают.
- Подголовники устанавливаются в автомобили для предотвращения хлыстовых травм при наезде сзади.
- Во время езды на скейтборде (тележке или велосипеде) вы летите вперед от доски при ударе о бордюр, камень или другой объект, который резко останавливает движение скейтборда.
| Попробуйте дома |
|
Инерция и масса
Первый закон движения Ньютона гласит, что «объект в состоянии покоя остается в состоянии покоя, а объект в движении остается в движении с той же скоростью и в том же направлении, если только на него не действует неуравновешенная сила.«Объекты имеют тенденцию« продолжать делать то, что они делают ». Фактически, это естественная тенденция объектов сопротивляться изменениям в их состоянии движения. Эта тенденция сопротивляться изменениям в их состоянии движения описывается как инерция .Инерция: сопротивление объекта изменению его состояния движения.
Концепция инерции Ньютона прямо противоположна более популярным представлениям о движении.Доминирующей мыслью до дней Ньютона была естественная тенденция объектов приходить в положение покоя. Считалось, что движущиеся объекты в конечном итоге перестанут двигаться; сила была необходима, чтобы удерживать объект в движении. Но если его предоставить самому себе, движущийся объект в конце концов остановится, а покоящийся объект останется в покое; таким образом, идея, которая доминировала в мышлении людей почти за 2000 лет до Ньютона, заключалась в том, что это была естественная тенденция всех объектов принимать положение покоя.
Галилей и концепция инерцииГалилей, ведущий ученый семнадцатого века, разработал концепцию инерции. Галилей рассуждал, что движущиеся объекты в конечном итоге останавливаются из-за силы, называемой трением. В экспериментах с использованием пары наклонных плоскостей, обращенных друг к другу, Галилей наблюдал, что шар катится по одной плоскости и поднимается по противоположной плоскости примерно на одинаковую высоту. Если бы использовались более гладкие плоскости, мяч катился бы по противоположной плоскости еще ближе к исходной высоте.Галилей рассуждал, что любая разница между начальной и конечной высотами связана с наличием трения. Галилей предположил, что если бы трение можно было полностью исключить, то мяч достиг бы точно такой же высоты.
Галилей далее заметил, что независимо от угла, под которым были ориентированы плоскости, конечная высота почти всегда была равна начальной высоте. Если бы наклон противоположного наклона был уменьшен, то мяч покатился бы на большее расстояние, чтобы достичь этой исходной высоты.
Рассуждения Галилея продолжались — если бы противоположный наклон был поднят почти на угол 0 градусов, то мяч катился бы почти бесконечно, пытаясь достичь исходной высоты. И если бы противоположный наклон вообще не был наклонен (то есть если бы он был ориентирован по горизонтали), то … движущийся объект продолжал бы движение ….
Смотрите! Другой мысленный эксперимент Галилея объясняется в этом видео с использованием реального эксперимента, выполненного с использованием современного оборудования.Силы не удерживают предметы в движении
Исаак Ньютон основывается на размышлениях Галилея о движении. Первый закон движения Ньютона гласит, что сила , а не , необходима для удержания объекта в движении. Переместите книгу по столу и посмотрите, как она переместится в исходное положение. Книга, движущаяся по столешнице, не приходит в положение покоя из-за отсутствия силы ; скорее это присутствие силы (эта сила является силой трения), которая переводит книгу в исходное положение.В отсутствие силы трения книга продолжала бы движение с той же скоростью и направлением — вечно! (Или, по крайней мере, до конца столешницы.) Для удержания движущейся книги в движении сила не требуется. На самом деле это сила, которая останавливает книгу.
Масса как мера инерции
Все объекты сопротивляются изменениям в своем состоянии движения.У всех объектов есть эта тенденция — у них есть инерция. Но имеют ли некоторые объекты большую тенденцию сопротивляться изменениям, чем другие? Абсолютно да! Тенденция объекта сопротивляться изменениям в его состоянии движения зависит от массы. Масса — это величина, равная исключительно , зависящая от инерции объекта. Чем больше инерция у объекта, тем больше у него масса. Более массивный объект имеет большую тенденцию сопротивляться изменениям в своем состоянии движения.
Предположим, что на лекционном столе по физике лежат два, казалось бы, одинаковых кубика.Однако один кирпич состоит из раствора, а другой — из пенополистирола. Не поднимая кирпичей, как вы могли определить, какой кирпич был из пенополистирола ? Вы можете дать кубикам такой же толчок, чтобы изменить их состояние движения. Кирпич с наименьшим сопротивлением — это кирпич с наименьшей инерцией и, следовательно, кирпич с наименьшей массой (например, кирпич из пенополистирола ).
Обычная физическая демонстрация основана на том принципе, что чем массивнее объект, тем сильнее он сопротивляется изменениям в своем состоянии движения.Демонстрация выглядит следующим образом: на голову учителя кладут несколько массивных книг. Поверх книг кладут деревянную доску и молотком забивают в доску гвоздь. Из-за большой массы книг сила удара молотка имеет достаточное сопротивление (инерция). Об этом свидетельствует тот факт, что учитель не чувствует удара молотка. (Конечно, эта история может объяснить многие из наблюдений, которые вы ранее делали относительно своего «странного учителя физики».) Обычный вариант этой демонстрации включает в себя разбивание кирпича о руку учителя быстрым ударом молотка.Массивные кирпичи сопротивляются силе, и рука не болит. (ВНИМАНИЕ: не пробуйте эти демонстрации на hom
Смотрите! Инструктор по физике объясняет свойство инерции с помощью демонстрации физики.
Проверьте свое понимание
1. Представьте себе место в космосе вдали от всех гравитационных и фрикционных влияний. Предположим, вы посетили это место (представьте себе) и бросили камень. Скала будет
а. постепенно прекращать.г. продолжать движение в том же направлении с постоянной скоростью.
2. Объект весом 2 кг движется по горизонтали со скоростью 4 м / с.Какая полезная сила требуется, чтобы удерживать объект в движении с этой скоростью и в этом направлении?
3. Мак и Тош спорят в кафетерии. Мак говорит, что если он бросит Jell-O с большей скоростью, у него будет большая инерция. Тош утверждает, что инерция зависит не от скорости, а, скорее, от массы. С кем ты согласен? Объяснить, почему.
4.Предположим, вы находитесь в космосе в невесомой среде , потребуется ли сила, чтобы привести объект в движение?
5. Фред большую часть воскресенья после обеда проводит на диване, наблюдая за профессиональными футбольными матчами и потребляя много еды. Какое влияние (если вообще есть) эта практика оказывает на его инерцию? Объяснять.
6.Бена Туклоуз преследует по лесу лось, которого он пытался сфотографировать. Огромная масса лосей-быков чрезвычайно устрашает. Тем не менее, если Бен сделает зигзагообразный узор в лесу, он сможет использовать большую массу лося в своих интересах. Объясните это с точки зрения инерции и первого закона движения Ньютона.
7. Два кирпича лежат на краю лабораторного стола.Ширли Шешорт встает на цыпочки и замечает два кирпича. У нее возникает сильное желание узнать, какой из двух кирпичей самый массивный. Поскольку Ширли препятствует вертикальному положению, она не может подняться достаточно высоко и поднять кирпичи; однако она может дотянуться достаточно высоко, чтобы толкнуть кирпичи. Обсудите, как процесс толкания кирпичей позволит Ширли определить, какой из двух кирпичей самый массивный. Какую разницу заметит Ширли и как это наблюдение может привести к необходимому выводу?
Веб-сайт класса физики
Грузовик и лестница
Согласно первому закону Ньютона, движущийся объект продолжает движение с той же скоростью и в том же направлении, если на него не действует неуравновешенная сила.Это естественная тенденция объектов продолжать делать то, что они делают. Все объекты сопротивляются изменениям в своем состоянии движения. В отсутствие неуравновешенной силы движущийся объект будет сохранять свое состояние движения. Это часто называют законом инерции .
Закон инерции чаще всего проявляется при езде в легковых и грузовых автомобилях. Фактически, тенденция движущихся объектов продолжать движение является частой причиной множества транспортных происшествий — как малых, так и больших масштабов.Рассмотрим, например, лестницу, привязанную к верхней части малярного грузовика. По мере того как грузовик движется по дороге, лестница движется вместе с ним. Будучи плотно привязанной к грузовику, лестница движется в том же состоянии, что и грузовик. Когда грузовик ускоряется, лестница ускоряется вместе с ним; когда грузовик замедляется, лестница замедляется вместе с ним; и поскольку грузовик поддерживает постоянную скорость, лестница также поддерживает постоянную скорость.
Но что произойдет, если лестницу небрежно привязать к грузовику таким образом, чтобы она могла свободно скользить по верхней части грузовика? Или что произойдет, если ремни со временем испортятся и в конечном итоге порвутся, что позволит лестнице скользить по верху грузовика? Предположим, что произойдет один из этих сценариев, лестница может больше не находиться в том же состоянии, что и грузовик.При наличии ремня силы, действующие на автомобиль, также действуют на лестницу. Лестница совершает то же ускоренное и замедленное движение, что и грузовик. Тем не менее, если ремня больше нет, лестница с большей вероятностью сохранит свое состояние движения. На анимации ниже изображен возможный сценарий.
Если грузовик резко остановится и ремни перестанут функционировать, то лестница в движении продолжит движение.Если предположить, что трение между грузовиком и лестницей незначительно, лестница соскользнет с верха грузовика и будет подброшена в воздух. Как только он покидает крышу грузовика, он становится снарядом и продолжает движение, подобное снаряду.
Для получения дополнительной информации о физических описаниях движения посетите The Physics Classroom Tutorial. Подробная информация доступна по следующим темам:
Первый закон НьютонаИнерция
Состояние движения
Уравновешенный vs.Несбалансированные силы
5.2 Первый закон Ньютона — Университетская физика, Том 1
Цели обучения
К концу раздела вы сможете:- Опишите первый закон движения Ньютона
- Распознавать трение как внешнюю силу
- Определить инерцию
- Определить инерциальные системы отсчета
- Расчет равновесия для системы
Опыт подсказывает, что покоящийся объект остается неподвижным, если его оставить в покое, и что движущийся объект имеет тенденцию замедляться и останавливаться, если не прилагать каких-либо усилий, чтобы удержать его в движении.Однако первый закон Ньютона дает более глубокое объяснение этому наблюдению.
Первый закон движения Ньютона
Покоящееся тело остается неподвижным или, если оно движется, остается в движении с постоянной скоростью, если на него не действует чистая внешняя сила.
Обратите внимание на неоднократное использование глагола «остается». Мы можем думать об этом законе как о сохранении статус-кво движения. Также обратите внимание на выражение «постоянная скорость»; это означает, что объект сохраняет путь вдоль прямой линии, поскольку ни величина, ни направление вектора скорости не меняются.Мы можем использовать рис. 5.7, чтобы рассмотреть две части первого закона Ньютона.
Рис. 5.7 (a) Хоккейная шайба изображена в покое; он остается в состоянии покоя до тех пор, пока внешняя сила, такая как хоккейная клюшка, не изменит его состояние покоя; (b) хоккейная шайба движется; он продолжает движение по прямой линии, пока внешняя сила не заставит его изменить свое состояние движения. Хотя ледяная поверхность гладкая, она обеспечивает некоторое трение, которое замедляет шайбу.
Первый закон Ньютона не противоречит нашему опыту, а утверждает, что должна быть причина для любого изменения скорости (изменения величины или направления).Эта причина — чистая внешняя сила, которую мы определили ранее в этой главе. Предмет, скользящий по столу или полу, замедляется из-за действующей на объект чистой силы трения. Если трение исчезнет, будет ли объект по-прежнему замедляться?
Идея причины и следствия имеет решающее значение для точного описания того, что происходит в различных ситуациях. Например, подумайте, что происходит с объектом, скользящим по шероховатой горизонтальной поверхности. Объект быстро останавливается. Если мы распыляем на поверхность тальк, чтобы сделать поверхность более гладкой, объект скользит дальше.Если мы сделаем поверхность еще более гладкой, нанеся на нее смазочное масло, объект будет скользить еще дальше. Экстраполируя поверхность без трения и игнорируя сопротивление воздуха, мы можем представить объект, скользящий по прямой бесконечно долго. Таким образом, трение является причиной замедления (в соответствии с первым законом Ньютона). Объект не замедлился бы, если бы трение было устранено.
Рассмотрим стол для аэрохоккея (рисунок 5.8). Когда подача воздуха отключена, шайба скользит лишь на небольшое расстояние, прежде чем трение замедляет ее до полной остановки.Однако, когда воздух включен, он создает поверхность, почти не имеющую трения, и шайба скользит на большие расстояния, не замедляясь. Кроме того, если мы достаточно знаем о трении, мы можем точно предсказать, насколько быстро объект замедляется.
Рис. 5.8. Стол для аэрохоккея полезен для иллюстрации законов Ньютона. Когда воздух отсутствует, трение быстро замедляет движение шайбы; но когда есть воздух, это сводит к минимуму контакт между шайбой и хоккейным столом, и шайба скользит далеко вниз по столу.
Первый закон Ньютона является общим и может применяться к чему угодно: от объекта, скользящего по столу, до спутника на орбите и крови, перекачиваемой из сердца. Эксперименты подтвердили, что любое изменение скорости (скорости или направления) должно быть вызвано внешней силой. Идея общеприменимых или универсальных законов важна — это основная черта всех законов физики. Выявление этих законов похоже на распознавание закономерностей в природе, из которых можно обнаружить дальнейшие закономерности.Гений Галилея, который первым разработал идею первого закона движения, и Ньютона, разъяснившего ее, заключался в том, чтобы задать фундаментальный вопрос: «В чем причина?» Причинно-следственное мышление в корне отличается от типичного древнегреческого подхода, когда возникают такие вопросы, как «Почему у тигра полосы?» можно было бы ответить по-аристотелевски, например: «Такова природа зверя». Способность мыслить в терминах причины и следствия — это способность устанавливать связь между наблюдаемым поведением и окружающим миром.
Гравитация и инерция
Независимо от масштаба объекта, будь то молекула или субатомная частица, два свойства остаются действительными и поэтому представляют интерес для физики: гравитация и инерция. Оба связаны с массой. Грубо говоря, масса — это мера количества вещества в чем-то. Гравитация — это притяжение одной массы к другой, например, притяжение между вами и Землей, прижимающее ваши ноги к полу. Величина этого притяжения — это ваш вес и сила.
Масса также связана с инерцией, способностью объекта сопротивляться изменениям в его движении — другими словами, сопротивляться ускорению. Первый закон Ньютона часто называют законом инерции. Как мы знаем из опыта, некоторые объекты обладают большей инерцией, чем другие. Изменить движение большого валуна сложнее, чем, например, баскетбольного мяча, потому что валун имеет большую массу, чем баскетбольный мяч. Другими словами, инерция объекта измеряется его массой. Взаимосвязь между массой и весом исследуется далее в этой главе.
Инерциальная система отсчета
Ранее мы сформулировали первый закон Ньютона: «Покоящееся тело остается в покое или, если оно находится в движении, остается в движении с постоянной скоростью, если на него не действует чистая внешняя сила». Его также можно сформулировать так: «Каждое тело остается в состоянии равномерного движения по прямой, если только оно не вынуждено изменить это состояние под действием сил, действующих на него». Для Ньютона «равномерное движение по прямой» означало постоянную скорость, включая случай нулевой скорости или покоя.Следовательно, первый закон гласит, что скорость объекта остается постоянной, если результирующая сила на нем равна нулю.
Первый закон Ньютона обычно считается утверждением о системе отсчета. Он предоставляет метод для идентификации особого типа системы отсчета: инерциальной системы отсчета. В принципе, мы можем сделать результирующую силу, действующую на тело, равной нулю. Если его скорость относительно данной системы отсчета постоянна, то эта система отсчета называется инерциальной. Итак, по определению, инерциальная система отсчета — это система отсчета, в которой действует первый закон Ньютона.Первый закон Ньютона применим к объектам с постоянной скоростью. Из этого факта можно вывести следующее утверждение.
Инерциальная система отсчета
Система отсчета, движущаяся с постоянной скоростью относительно инерциальной системы, также является инерциальной. Система отсчета, ускоряющаяся относительно инерциальной системы координат, не является инерциальной.
Распространены ли инерционные системы отсчета в природе? Оказывается, что с точностью до ошибки эксперимента система отсчета в состоянии покоя относительно самых далеких или «неподвижных» звезд является инерциальной.Все системы отсчета, движущиеся равномерно относительно этой системы неподвижной звезды, также инерциальны. Например, невращающаяся система отсчета, прикрепленная к Солнцу, для всех практических целей является инерциальной, потому что ее скорость относительно неподвижных звезд не изменяется более чем на одну часть в 1010.1010. Земля ускоряется относительно неподвижных звезд, потому что она вращается вокруг своей оси и вращается вокруг Солнца; следовательно, система отсчета, прикрепленная к ее поверхности, не является инерциальной. Однако для большинства задач такая система отсчета служит достаточно точным приближением к инерциальной системе отсчета, поскольку ускорение точки на поверхности Земли относительно неподвижных звезд довольно мало (<3.4 × 10–2 м / с2 <3,4 × 10–2 м / с2). Таким образом, если не указано иное, мы считаем фиксированные на Земле системы отсчета инерциальными.
Наконец, ни одна инерциальная система отсчета не является более особенной, чем любая другая. Что касается законов природы, все инерциальные системы отсчета эквивалентны. При анализе проблемы мы выбираем одну инерциальную систему отсчета над другой просто из соображений удобства.
Первый закон и равновесие Ньютона
Первый закон Ньютона говорит нам о равновесии системы, то есть о состоянии, в котором силы в системе уравновешены.N. См. Диаграмму свободного тела на Рисунке 5.3 (b).
Мы можем представить первый закон Ньютона в векторной форме:
v → = константа, когда F → net = 0 → N. v → = постоянная, когда F → net = 0 → N.5,2
Это уравнение говорит, что чистая сила, равная нулю, означает, что скорость v → v → объекта постоянна. (Слово «постоянная» может указывать на нулевую скорость.)
Первый закон Ньютона обманчиво прост. Если автомобиль находится в состоянии покоя, единственными силами, действующими на автомобиль, являются вес и сила контакта дорожного покрытия, толкающего автомобиль вверх (Рисунок 5.9). Легко понять, что для изменения состояния движения автомобиля требуется ненулевая результирующая сила. Когда автомобиль движется с постоянной скоростью, сила трения толкает его вперед и противодействует силе сопротивления.
Рис. 5.9 Автомобиль показан (а) припаркованным и (б) движущимся с постоянной скоростью. Как законы Ньютона применяются к припаркованной машине? Что знание того, что автомобиль движется с постоянной скоростью, говорит нам о чистой горизонтальной силе, действующей на автомобиль?
Пример 5.1
Когда к вашей машине применим Первый закон Ньютона?
Законы Ньютона могут применяться ко всем физическим процессам, связанным с силой и движением, включая такие повседневные вещи, как вождение автомобиля.(a) Ваша машина припаркована возле вашего дома. Применяется ли в этой ситуации первый закон Ньютона? Почему или почему нет?
(b) Ваш автомобиль движется по улице с постоянной скоростью. Применяется ли в этой ситуации первый закон Ньютона? Почему или почему нет?
Стратегия
В (а) мы рассматриваем первую часть первого закона Ньютона, касающуюся покоящегося тела; в (b) мы рассматриваем вторую часть первого закона Ньютона для движущегося тела.Решение
- Когда ваш автомобиль припаркован, все силы, действующие на него, должны быть уравновешены; векторная сумма равна 0 Н. Таким образом, результирующая сила равна нулю, и применяется первый закон Ньютона. Ускорение автомобиля равно нулю, и в этом случае скорость тоже равна нулю.
- Когда ваша машина движется по улице с постоянной скоростью, результирующая сила также должна быть равна нулю в соответствии с первым законом Ньютона. Сила трения автомобиля между дорогой и шинами противодействует силе сопротивления автомобиля с той же величиной, создавая нулевую чистую силу.Тело остается в состоянии постоянной скорости, пока результирующая сила не станет отличной от нуля. Поймите, что чистая сила, равная нулю, означает, что объект либо находится в состоянии покоя, либо движется с постоянной скоростью, то есть не ускоряется. Как вы думаете, что происходит, когда машина разгоняется? Мы исследуем эту идею в следующем разделе.
Значение
Как показывает этот пример, существует два вида равновесия. В (а) автомобиль неподвижен; мы говорим, что он находится в состоянии статического равновесия .В (b) силы, действующие на автомобиль, уравновешены, но автомобиль движется; мы говорим, что он находится в динамическом равновесии . (Мы исследуем эту идею более подробно в статье «Статическое равновесие и эластичность».) Опять же, две (или более) силы могут воздействовать на объект, но при этом объект перемещается. Кроме того, чистая сила, равная нулю, не может вызвать ускорение.Проверьте свое понимание 5.2
Парашютист раскрывает свой парашют, и вскоре после этого он движется с постоянной скоростью.а) Какие силы действуют на него? б) Какая сила больше?
Инерция и первый закон движения Ньютона
Первый закон движения Исаака Ньютона описывает поведение массивного тела в состоянии покоя или в равномерном линейном движении, то есть без ускорения или вращения. Первый закон гласит: «Покоящееся тело будет оставаться в покое, а движущееся тело останется в движении, если на него не действует внешняя сила».
Это просто означает, что вещи не могут запускаться, останавливаться или менять направление сами по себе.Требуется некоторая сила, действующая на них извне, чтобы вызвать такое изменение. Хотя сегодня эта концепция кажется нам простой и очевидной, во времена Ньютона она была поистине революционной.
Ньютон опубликовал свои законы движения в 1687 году в своей основополагающей работе «Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica» («Математические принципы естественной философии»), в которой он формализовал описание того, как массивные тела движутся под влиянием внешних сил.
Ньютон расширил более раннюю работу Галилео Галилея, который разработал первые точные законы движения масс, по словам Грега Ботуна, профессора физики в Университете Орегона.Эксперименты Галилея показали, что все тела ускоряются с одинаковой скоростью, независимо от размера и массы. Ньютон также раскритиковал и расширил работу Рене Декарта, который также опубликовал свод законов природы в 1644 году, через два года после рождения Ньютона. Законы Декарта очень похожи на первый закон движения Ньютона.
В то время большинство людей считало, что естественное состояние тела — это покой. Было очевидно, что для придания движения покоящемуся телу требуется приложение внешней силы.Однако также считалось, что для удержания тела в движении требуется постоянная внешняя сила. Этот вывод, основанный на их опыте работы с предметами повседневного обихода, не был совершенно необоснованным. В конце концов, если ваша лошадь перестанет тянуть, ваша повозка перестанет катиться, а если перестанет дуть ветер, ваша лодка перестанет двигаться. Поэтому люди предполагали, что эти объекты просто возвращаются в свое естественное состояние покоя. Потребовался замечательный рывок интуиции, чтобы понять, что должна действовать внешняя сила, чтобы остановить движение этих объектов.
Рассмотрим случай, когда плоский камень скользит по гладкой поверхности замерзшего озера. Если бы этот камень был полированным мрамором, он скользил бы значительно дальше, чем грубая брусчатка. Очевидно, что сила трения на грубой брусчатке больше, чем на полированном мраморе. Однако, хотя сила трения между мрамором и льдом меньше, чем между необработанным камнем и льдом, она все же не равна нулю.
Что же тогда произойдет, если сила трения станет равной нулю? Гениальный ход Ньютона в этом случае заключался в том, что он осознал, что без наличия внешней силы, такой как трение, действующее на движущееся тело, нет причин для его остановки.
Инерциальные системы отсчета
Это свойство массивных тел сопротивляться изменениям в их состоянии движения называется инерцией, и это приводит к концепции инерциальных систем отсчета. Инерциальная система отсчета может быть описана как трехмерная система координат, которая не ускоряется и не вращается; однако он может находиться в равномерном линейном движении относительно некоторой другой инерциальной системы отсчета. Ньютон никогда явно не описывал инерциальные системы отсчета, но они являются естественным следствием его Первого закона движения.
Когда мы говорим, что тело находится в движении, можно спросить, а что в движении по сравнению с чем? Сможете ли вы голыми руками поймать бейсбольный мяч, разгоняющийся со скоростью 100 миль в час? Вы могли бы, если бы вы ехали в поезде, движущемся со скоростью 100 миль в час, и кто-то в этом поезде осторожно подбросил вам мяч. И поезд, и путь существуют в своих собственных инерциальных системах отсчета, и скорость мяча зависит от инерциальной системы отсчета, из которой он просматривается. Если бы вы стояли на платформе, а пассажир в этом поезде выбросил вам мяч в окно, было бы неразумно пытаться поймать его голой рукой.