DПервый закон Ньютона
Первым, кто начал работу над законами инерции, был итальянский ученый Галилео Галилей. Он провел опыт, в процессе которого пускал по разным поверхностям в наклонной плоскости шарик. В результате он выяснил, что шарик, скатывающийся в песчаную поверхность, быстро останавливается; шарик, который скатывается по тканевой поверхности, катится намного дольше; а шарик, который скатывается по стеклу, катится дольше всего. Этот опыт позволил сформулировать простое определение понятию «инерция».
По Галилео Галилею инерция — «неистребимо запечатленное движение». Закон инерции во времена Галилея гласил: «при отсутствии внешних сил тело либо покоится, либо движется равномерно».
Инерция — возможность тел сохранять скорость по величине, по направлению, если на тело ничто не воздействует.
Второй закон Ньютона
Представим снова фигуристку, которая катится по абсолютно ровному льду, но приложим к ней силу. В этом случае фигуристка будет катиться, но в итоге все равно остановится. Логично, что скорость фигуристки изменится.
Сформулируем второй закон Ньютона:
Ускорение тела в инерциальных системах отсчета прямо пропорционально приложенной к нему силу и обратно пропорционально массе.
Масса тела — такая физическая величина, которая определяет свойства инерции и гравитации. Чем больше масса тела, тем большую силу к нему нужно приложить, чтобы придать ему ускорение.
Третий закон Ньютона
Третий закон Ньютона в физике описывает взаимодействие тел. Если кратко, то можно представить закон Ньютона как фразу «на каждое действие найдется противодействие».
Представим, что ребенок тянет канат с другим ребенком. Ясно, что на оба тела воздействуют одинаковые силы.
Сформулируем третий закон Ньютона:
Два тела воздействуют друг на друга с силами, которые противоположны по направлению, но равны по модулю.
Примеры задачи на законы Ньютона
Какие формулы нужны для решения задач на законы Ньютона?
Явление инерции. Первый закон Ньютона
Обычно первый закон Ньютона еще называют законом инерции.
В первом законе Ньютона говорится, что тела движутся прямолинейно и равномерно в существующих инерциальных системах отсчета, если на них не влияют никакие силы или действие других сил взаимно скомпенсировано.
Если сформулировать первый закон Ньютона проще, то получается следующее: если мы на ровной дороге толкнем машину и не будем учитывать сопротивление воздуха и силу трения колес, то она будет катиться бесконечно долго с одинаковой скоростью.
Но мы знаем, что на самом деле такого не существует. Абсолютно на все тела всегда действуют какие-либо силы, причем уравновесить действие этих сил целиком практически невозможно.
Основные положения, физический смысл
Физический смысл первого закона Ньютона заключается в том, что всякое тело сохраняет состояние покоя или прямолинейного и равномерного движения, пока сила или влияние со стороны других тел не заставят его поменять это состояние.
Особенности первого закона Ньютона
Особенность первого закона Ньютона заключается в том, что закон указывает на существование инерциальных систем отсчета, где равнодействующая всех сил равна нулю.
Если существует одна инерциальная система отсчета, то любая другая система, которая двигается относительно нее равномерно и прямолинейно, также будет являться инерциальной.
Примеры решения задач
Опыты и наблюдения показывают, скорость тела можно изменить путём воздействия на него других тел. Ускорение не может возникнуть ниоткуда без внешнего воздействия. Действие одного тела на другое выражается количественно и называется силой.
Но тело действует на другое тело не односторонне: тела взаимно действуют друг на друга, т.е. взаимодействуют. Ускорение тела при взаимодействии зависит от свойства тела – его инертности, выражаемого величиной, называемой массой.
Все эти факты были положены в основу законов движения (динамики), которые Ньютон открыл в конце ХVII века. Законы Ньютона фундаментальны, просты и лаконичны, они «работают» в инерциальных системах отсчёта. С их помощью можно описать любые движения и взаимодействия тел, имеющих скорость меньше скорости света.
Первый закон Ньютона как раз и утверждает существование инерциальных систем отсчёта, и позволяет их находить.
Существуют такие системы отсчёта, относительно которых скорость поступательно движущегося тела не изменяется, если сумма сил, действующих на него, равно нулю.
Второй закон Ньютона устанавливает связь между силой и вызванным ею ускорением.
Сила, действующая на тело, независимо от её природы равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение:
Третий закон Ньютона показывает, что действие одного тела на другое носит взаимный характер.
Тела, действуют друг на друга с силами одной и той же природы, равными по модулю и противоположными по направлению:
Этими двумя простыми формулами выражаются законы движения: но в них содержится гораздо больше, чем мы можем сразу увидеть. Мир постоянно находится в движении: едут но дорогам машины, плывут по морям корабли, летят по небу самолёты, текут реки, идут дожди, дуют ветры и ураганы. Все эти действия разнообразны и непохожи, но это всё движения. И силы, которые действуют на тела, различны. Но для всех этих тел и сил, действующих на них, справедливы законы Ньютона, выраженные простыми формулами.
Ньютон был первым, кто выделил механику в отдельную научную отрасль и собрал весь необходимый теоретический материал, в котором описал все явления, связанные с движением тел. Законы Ньютона позволяют решить любую задачу механики.
Например, решим следующую задачу.
Сани движутся по горизонтальной поверхности со скоростью 10 м/c. Коэффициент трения между полозьями саней и дорогой равен 0,1. Какой путь сани пройдут за 15 с?
Нам дано: v = 10 м/c, t = 15 с, µ = 0,1, g = 10 м/c. Необходимо найти m – ?
Для нахождения искомого пути, необходимо определить ускорение движения саней. Для этого применим второй закон Ньютона:
За направлением оси Ох выберем направление движения саней, за направление Оу — вертикальное направление. В проекциях на эти оси координат получим:
Ох: F тр = ma,
Оу: N – mg = 0, поэтому N = mg, F тр = µ mg, a = µ g.
Определив ускорение, мы можем найти путь, пройденный санями за t секунд:
S = vot – at2/2.
При подстановке определённого значения времени t следует учесть, что это значение не должно быть большим, чем t0 – время движения саней до полной остановки. Время t0 легко определить из условий:
t0 = v0 / (µ g),
t0 = 10 c.
S = v0 t0 – µ g (t02 / 2) = v0 (v0 / (µ g)) – µ g (v02 / (2 µ2 g2)) = v02 / (2µ g),
S = 50 м.
Ответ: S = 50 м.
Законы Ньютона — это законы соотношения между силами, действующими на массивное тело, и движением тела, это их взаимодействие; всего их 3, и впервые их сформулировал английский физик и математик сэр Исаак Ньютон в 1686 году.
Законы Ньютона кратко:
1-й закон Ньютона: закон инерции — если на тело не действуют внешние силы, то покоящееся тело будет оставаться в покое, а движущееся тело останется в равномерном движении по прямой.
2-й закон Ньютона: основной закон динамики — существует связь между силой, которая действует на тело и ускорением (тело приобретает ускорение из-за действующей на него силы, т.е. F = m × a).
3-й закон Ньютона: закон равенства действия и противодействия — на каждое действие существует равное и противоположное противодействие.
Сила — это мера взаимодействия тел и измеряется в ньютонах (Н; единица измерения 1 Н = 1 кг·м/с²). Ньютон — это интенсивность силы, приложенная к частице массой 1 кг, вызывающая ускорение 1 метр в секунду в секунду, т.е. 1 м/с².
Этот закон также используется как определение инерции.
Если на объект не действует внешняя сила, то его скорость будет постоянной. Если скорость будет нулевой, то и объект не сдвинется с места. Если будет существовать внешняя сила, из-за этой силы его скорость изменится.
Имеется в виду, что вещи не останавливаются, не начинают двигаться сами по себе и не меняют направление без силы, которая действует на них извне, что и вызывает такие изменения их движений.
Например, при игре в футбол мяч полетит в ту сторону, куда игрок его пнёт. Так, объект, на который действует сила, может изменить свою скорость и направление. Когда мяч попадает в ворота, другая сила (сила сетки ворот) действует на него, останавливая.
Другое определение инерции:
Инерция — это свойство тел, заставляющее их сопротивляться изменениям скорости и/или направления.
Формулы первого закона Ньютона не существует.
Основной закон динамики
Существует связь между силой (F), которая действует на тело (массы m), и ускорением (a). Тело приобретает ускорение из-за действующей на него силы.
Например, если взять два круглых предмета разной массы и ударить по ним битой (на картинке — бейсбольный мяч и шар для боулинга) с одинаковой силой, то результат будет разный.
Поскольку у них разная масса, то при ударе с одинаковой силой они будут перемещаться на разное расстояние и с разной скоростью. Если увеличится сила удара по тому же бейсбольному мячу, то результат тоже изменится — он улетит дальше.
Насколько объект ускоряется (a), зависит от массы тела (m) и силы, приложенной к нему (F).
Например, воздействие силы (F) 15 Н (Ньютонов) на бейсбольный мяч (массой m1) будет намного больше, чем та же самая сила, действующая на шар для боулинга (массой m2).
