Newtonovi zakoni. Newtonov drugi zakon. Newtonovi zakoni - formulacija

Proučavanje fenomena prirode na temelju eksperimenta moguće je samo ako se promatraju sve faze: promatranje, hipoteza, eksperiment, teorija. Promatranje će omogućiti prepoznavanje i uspoređivanje činjenica, hipoteza omogućava im detaljno znanstveno objašnjenje koje zahtijeva eksperimentalnu potvrdu. Promatranje kretanja tijela dovelo je do zanimljivog zaključka: promjena brzine tijela moguće je samo pod djelovanjem drugog tijela.

Na primjer, ako brzo krenete na stepenice, trebate jednostavno zgrabiti tračnicu (promijenite smjer) ili ga isključiti (promjenom brzine) kako biste izbjegli suprotni zid.

Promatranja sličnih fenomena dovela su do stvaranja dijela fizike koja proučava uzroke promjena u brzini tijela ili njihove deformacije.

Osnove dinamike

Da bismo odgovorili na sakramentalno pitanje o tome zašto fizičko tijelo pomiče na ovaj ili onaj način ili je u mirovanju, poziva se dinamika.

Razmotrimo stanje odmora. Polazeći od koncepta relativnost pokreta, možemo zaključiti: nema i apsolutno nema čvrstih tijela. Svaki objekt, koji je nepokretan u odnosu na jedno referentno tijelo, pomiče se u odnosu na drugu. Na primjer, knjiga koja leži na stolu nepomično je u odnosu na stol, ali ako netko promatra položaj u odnosu na prolaznu osobu, onda donosimo prirodan zaključak: knjiga se kreće.

Dakle, zakoni gibanja tijela smatraju se inercijalnim referentnim okvirima. Što je to?

Inercijski okvir je referentni okvir u kojem je tijelo u mirovanju ili obavlja uniformu i pravocrtno kretanje Ako na njemu nema učinaka drugih predmeta ili objekata.

U gore navedenom primjeru referentni okvir povezan s tablicom može se nazvati inercijalno. Osoba koja se kreće ravnomjerno i pravocrtno može poslužiti kao referentni okvir ISO-a. Ako je njegovo gibanje ubrzano, onda je nemoguće povezati inercijalni CO s njom.

Zapravo, takav sustav može biti povezan s tijelima koja su čvrsto pričvršćena na površinu Zemlje. Međutim, planet ne može služiti kao referentni okvir za ISO, jer se rotira ravnomjerno oko svoje osi. Tijela na površini imaju centripetalno ubrzanje.

Što je tromost?

Fenomen inercije izravno je povezan s ISO. Sjeća li se što se događa ako se kreće automobil zaustavlja naglo? Putnici su ugroženi dok nastavljaju kretanje. Zaustavite ga možete sjediti ispred ili sigurnosnih pojaseva. Objasnite taj proces inertnošću putnika. Je li to tako?

Inercija je fenomen koji pretpostavlja očuvanje konstantne brzine tijela u odsutnosti utjecaja drugih tijela na nju. Putnik je pod utjecajem pojasa ili naslonjača. Ovdje se ne opaža fenomena inercije.

Objašnjenje leži u svojstvu tijela, a prema njegovim riječima, nemoguće je promijeniti brzinu objekta odjednom. Ovo je inercija. Na primjer, inertnost žive u termometru omogućuje vam spuštanje stupca ako mi trese termometar.

Mjera inercije naziva se tjelesnom težinom. Kod interakcije, brzina se mijenja brže za tijela s manjom masom. Sudar automobila s betonskim zidom za potonje događa se gotovo bez traga. Automobil najčešće prolazi kroz nepovratne promjene: brzina se mijenja, postoji značajna deformacija. Ispada da je inertnost betonskog zida znatno veća od inercije automobila.

Je li moguće ispuniti fenomen inercije u prirodi? Stanje pod kojim je tijelo bez međusobnih odnosa s drugim tijelima je duboki prostor u kojem se letjelica kreće s isključenim motorima. Ali čak iu ovom slučaju prisutan je i gravitacijski trenutak.

Osnovne vrijednosti

Proučavanje dinamike na eksperimentalnoj razini pretpostavlja provođenje eksperimenata mjerenjem fizičkih veličina. Najzanimljivije su:

• ubrzanje kao mjera brzine promjene brzine tijela, označava ga slovom a, mjeri u m / s²;
• masa kao mjera inercije - označena slovom m, mjerena u kg;
• sila kao mjera međusobnog djelovanja tijela, obično se označava slovom F, mjerenom u H (newtons).

Odnos tih količina određen je u tri zakona, izvedenog od strane najvećeg engleskog fizičara. Newtonovi zakoni osmišljeni su da bi objasnili složenost interakcije različitih tijela. I procesi koji ih kontroliraju. To su koncepti "ubrzanja", "sile", "masovnosti" Newtonovih zakona koji su povezani matematičkim odnosima. Pokušajmo shvatiti što to znači.

Djelovanje samo jedne sile izuzetna je pojava. Na primjer, umjetni satelit koji se kreće u orbiti oko Zemlje pod djelovanjem je samo sila atrakcije.

rezultanta

Djelovanje više sila može biti zamijenjeno jednim silama.

Geometrijski zbroj sila koje djeluju na tijelo nazivaju se rezultatom.

Ovo je samo geometrijska suma, budući da je sila vektorska veličina koja ovisi ne samo o točki primjene već i o smjeru djelovanja.

Na primjer, ako trebate premjestiti prilično veliku kabinetu, možete pozvati prijatelje. Zajedno, postiže se željeni rezultat. Ali možete pozvati samo jednu, vrlo jaku osobu. Njegov je napor jednak djelovanju svih prijatelja. Snaga koju primjenjuje junak može se nazvati rezultanta.

Newtonovi zakoni gibanja formulirani su na temelju koncepta "rezultanta".

Zakon o inertnosti

Započnite proučavati Newtonove zakone iz najčešćih fenomena. Prvi zakon se obično naziva zakonom inercije, jer utvrđuje uzroke jednolikog pravocrtnog gibanja ili stanja tijela.

Tijelo se kreće ravnomjerno i pravocrtno ili počiva, ako nijedna sila ne djeluje na nju, ili se ta radnja nadoknađuje.

Može se tvrditi da je rezultanta u ovom slučaju nula. U tom stanju postoji, na primjer, automobil koji se kreće konstantnom brzinom na ravnom dijelu ceste. Djelovanje sile privlačenja nadoknađuje reakcijska sila nosača, a potisak motora je modul jednak sila otpora pokretu.

Luster na stropu počiva, jer snaga gravitacije nadoknađuje napetost pričvršćenja.

Kompenzirani mogu biti samo one sile koje su pričvršćene na jedno tijelo.

Newtonov drugi zakon

Idemo dalje. Uzroci koji uzrokuju promjenu brzine tijela, smatraju drugi zakon Newtona. O čemu govori?

Jedinstvena sila koja djeluje na tijelo definira se kao proizvod tjelesne mase ubrzanjem dobivenim djelovanjem sila.

2 Newtonov zakon (formula: F = ma), na žalost, ne uspostavlja uzročni odnos između osnovni pojmovi kinematike i dinamiku. Ne može točno odrediti koji je uzrok pojave ubrzanja tijela.

Izrađujemo drugačije: ubrzanje koje tijelo prima, izravno je proporcionalno rezultantnoj sili i obrnuto proporcionalno masi tijela.

Dakle, može se utvrditi da se promjena brzine događa samo u odnosu na silu koja se primjenjuje na nju i masu tijela.

2 Newtonov zakon, čija formula također može biti: a = F / m, smatra se temeljnim u obliku vektora, jer omogućuje uspostavljanje veze između dijelova fizike. Ovdje, a je vektor ubrzanja tijela, F je rezultat snage, m je masa tijela.

Ubrzano kretanje vozila moguće je ako snaga vuče motora prijeđe otpor prema kretanju. Kako snaga vuče raste, tako se i ubrzava. Kamioni se isporučuju s motorima velike snage jer je njihova masa puno veća od mase putničkog vozila.

Automobili stvoreni za brzinske utrke olakšani su na način da utvrđuju minimalne potrebne detalje, a snaga motora povećava se do mogućih granica. Jedno od najvažnijih karakteristika sportskih automobila je vrijeme ubrzanja do 100 km / h. Što je manji ovaj vremenski interval, to je bolje karakteristike brzine automobila.

Zakon interakcije

Newtonovi zakoni, koji se temelje na sili prirode, tvrde da je svaka interakcija popraćena pojavom para snaga. Ako lopta visi na nit, onda ispituje njezin učinak. Pređa je također rastegnuta pod djelovanjem lopte.

Završava zakone Newtonove formulacije trećeg zakona. Ukratko, to zvuči ovako: akcija je jednaka protuteži. Što to znači?

Sile s kojima tijela djeluju jedna na drugu jednake su veličine, suprotne u smjeru i usmjerene duž linije koja povezuje središta tijela. Zanimljivo je da se ne mogu nadoknaditi jer djeluju na različitim tijelima.

Primjena zakona

Poznati zadatak "Konja i kolica" može predstavljati mrtvu točku. Konj, prebačen na kola, pomiče je s mjesta. U skladu s Newtonovim trećim zakonom, ova dva objekta djeluju jedni s drugima s jednakim silama, ali u praksi konj može premjestiti kolica, koja se ne uklapa u osnovu pravilnosti.

Rješenje se može naći ako uzmemo u obzir da taj sustav tijela nije zatvoren. Cesta ima učinak na oba tijela. Sila trenja odmora, djelujući na kopitima konja, premašuje vrijednost sile trenja kotrljača kolica. Uostalom, trenutak kretanja započinje pokušajem premještanja vagona. Ako se situacija mijenja, konj ga neće podnijeti ni pod kojim okolnostima. Njegovo će plove skliznuti cestom i neće biti pokreta.

Kao dijete, klizajući jedni druge na sanjkama, svatko bi se mogao suočiti s takvim primjerom. Ako dvije ili tri djece sjednu na sanjkama, onda napor jedne nije dovoljan da ih pomakne.

Pada tijela na površini Zemlje, objašnjena Aristotelom ("Svako tijelo poznaje svoje mjesto") može se opovrgnuti na temelju gore navedenog. Objekt se kreće prema tlu pod djelovanjem iste sile kao i Zemlja. Usporedili su njihove parametre (masa Zemlje mnogo više tjelesne težine), u skladu s Newtonovim drugim zakonom, tvrdimo da je ubrzanje nekog objekta jednako kao i ubrzanje Zemlje. Promatramo točno promjenu brzine tijela, Zemlja se ne mijenja iz orbite.

Ograničenja primjenjivosti

Moderna fizika Newtonovi zakoni ne zaniječuju, već samo utvruju granice njihove primjenjivosti. Do početka dvadesetog stoljeća, fizičari nisu sumnjali da ti zakoni objašnjavaju sve pojave prirode.

1, 2, 3 Newtonov zakon potpuno otkriva uzroke ponašanja makroskopskih tijela. Kretanje objekata beznačajne brzine u potpunosti je opisano ovim postulatima.

Pokušaj da na temelju njih objasni kretanje tijela s približnim brzinama brzina svjetlosti, je osuđen na neuspjeh. Kompletna promjena svojstava prostora i vremena pri tim brzinama ne dopušta upotrebu Newtonove dinamike. Osim toga, zakoni mijenjaju svoj izgled u ne-inercijalnom JI. Za njihovu primjenu uvodi se koncept sile inercije.

Objasnite gibanje astronomskog tijela, pravila njihova mjesta i interakcije mogu biti Newtonovi zakoni. U tu svrhu uvodi se zakon univerzalne gravitacije. Nemoguće je vidjeti rezultat privlačenja malih tijela, jer je moć skromna.

Uzajamna atrakcija

Poznata legenda prema kojoj je gospodin Newton, koji je sjedio u vrtu, a tu je pad od jabuka, posjetio briljantnu ideju: da objasni kretanje objekata u blizini Zemljine površine i pokreta prostorna tijela na temelju uzajamne privlačnosti. Ovo nije toliko daleko od istine. Promatranja i precizni izračuni uključivali su ne samo pad jabuka, već i kretanje mjeseca. Pravilnosti ovog pokreta dovode do zaključka da se sila privlačnosti povećava s mnoštvom međusobno povezanih tijela i smanjuje s povećanim udaljenostima između njih.

Oslanjajući se na Newtonov drugi i treći zakon, zakon univerzalne gravitacije formuliran je kako slijedi: sva tijela u svemiru privlače jedni druge sa silom usmjerenom duž linije koja spaja centre tijela, proporcionalna masi tijela i obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između središta tijela.

Matematičko zapisivanje: F = GMm / r², gdje je F atraktivna sila, M, m su mase interaktivnih tijela, r je udaljenost između njih. Koeficijent proporcionalnosti (G = 6,62 x 10^-11 nm²kg²) zove se gravitacijska konstanta.

Fizičko značenje: ova je konstanta jednaka sili privlačnosti između dva tijela od 1 kg mase na udaljenosti od 1 m. Jasno je da je za tijela malih masa sila tako beznačajna da se može zanemariti. Za planete, zvijezde, galaksije, snaga privlačenja je toliko ogromna da potpuno određuje njihovo kretanje.

Zakon atrakcije Newtona tvrdi da lansiranje raketa zahtijeva gorivo koje može stvoriti takav reaktivni potisak da prevlada utjecaj Zemlje. Brzina koja je potrebna za to je prva brzina prostora, koja iznosi 8 km / s.

Suvremena tehnologija izrade raketa omogućuje pokretanje bespilotnih postaja kao umjetnih satelita Sunca na druge planete kako bi ih istražili. Brzina koju je razvio takav uređaj je drugi brzinu prostora, jednako 11 km / s.

Algoritam za primjenu zakona

Rješavanje problema dinamike poštuje određeni niz akcija:

• Provesti analizu problema, utvrditi podatke i vrstu kretanja.
• Izvršite broj koji pokazuje sve sile koje djeluju na tijelo i smjer ubrzavanja (ako je dostupno). Odaberite koordinatni sustav.
• Zapišite prvi ili drugi zakon, ovisno o prisutnosti ubrzanja tijela, u obliku vektora. Uzmite u obzir sve snage (rezultirajuća sila, Newtonove zakone: prvo, ako se brzina tijela ne mijenja, druga, ako postoji ubrzanje).
• Jednadžba se prepisuje u projekcijama na odabrane koordinate osi.
• Ako rezultatni sustav jednadžbi nije dovoljan, zapišite drugo: definiranje sila, kinematske jednadžbe itd.
• Riješite sustav jednadžbi u odnosu na nepoznatu količinu.
• Izvršite dimenzionalni test kako biste utvrdili točnost dobivene formule.
• Izračunati.

Obično su ove radnje dovoljne za rješavanje bilo kojeg standardnog problema.