Второй закон Ньютона

Законы Ньютона для

Второй закон Ньютона

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. 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!

В самом конце предлагаем посмотреть видеоурок на тему «Законы Ньютона».

Источник: https://Zaochnik-com.ru/blog/zakony-nyutona-dlya-chajnikov-obyasnenie-primer/

Сила, второй закон Ньютона

Второй закон Ньютона

Автор
Курносов Валерий Михайлович 146 статей

Сила является мерой взаимодействия (взаимного действия). Если действие велико (мало), то говорят о большой (малой) силе. Сила обозначается буквой $$F$$ (первая буква слова force).

При взаимодействии чем больше сила, тем больше ускорение тела, на которое эта сила действует. Следовательно, ускорение прямо пропорционально действующей силе: a∼Fa\sim F.

Но уже говорилось о том, что ускорение зависит от массы тела: a∼1ma \sim \frac 1m

Обощая эти зависимости получим:

\[a = \frac{F}{m}, \quad \mathrm{или}\quad F = ma.\]

Теперь рассмотрим свойства силы, устанавливаемые опытным путём:

1) Результат действия (проявления) силы зависит от направления действующей силы, следовательно, сила – величина векторная.

2)  Результат действия (проявления) силы зависит от величины приложенной силы .

3)  Результат действия (проявления) силы зависит от точки приложения силы.

4) За единицу силы принято значение такой силы, которая вызывает ускорение 1 м/с21\ \mathrm{м}/\mathrm{с}2 у тела массой 1 кг1\ \mathrm{кг}. Единицу силы назвали в честь Исаака Ньютона 1 нью'тон. (Произносить фамилию считается правильным таким образом, как произносится фамилия в том государстве, где проживал или проживает учёный.)

[F→]=1 Н=1 кг·мс2  (ньютон).[\overset{\rightarrow}{F}] = 1\ \mathrm{Н} = 1\ \mathrm{кг}\cdot\frac{\mathrm{м}}{\mathrm{с}2}\quad \mathrm{(ньютон)}.

5) Если на тело одновременно действуют несколько сил, то каждая сила действует независимо от других. (Принцип суперпозиции сил). Тогда все силы необходимо сложить векторно и получить результирующую силу (рис. 4).

Рис. 4

Из приведённых свойств силы следует, как обобщение опытных фактов, второй закон Ньютона:

Второй закон Ньютона: Сумма всех сил, действующих на тело, равна произведению массы тела на ускорение, сообщаемое этой суммой сил:

∑F→=ma→.\boxed{\sum \vec{F} = m\vec{a}}.

Данное выражение можно представить и в другой форме: так как a→=v→к-v→0t\vec a = \frac{\vec v_\mathrm{к} — \vec v_0}{t}, то второй закон Ньютона примет вид: ∑F→=mv→к-v→0t\sum \vec F = m\frac{\vec v_\mathrm{к} — \vec v_0}{t}.

Произведение массы тела и его скорости называют импульсом тела:

p→=mv→\vec p = m\vec v,

тогда получим новое выражение для второго закона Ньютона:

∑F→=mv→к-mv→0t=p→к-p→0t=Δp→t\boxed{\sum \vec F = \frac{m\vec v_\mathrm{к} — m\vec v_0}{t}} = \frac{\vec p_\mathrm{к} — \vec p_0}{t} = \frac{\Delta \vec p}{t}.

∑F→=p→к-p→0t\boxed{\sum \vec F = \frac{\vec p_\mathrm{к} — \vec p_0}{t}} — второй закон Ньютона в импульсной форме для среднего значения силы. Здесь p→к-p→0=Δp→\vec p_\mathrm{к} — \vec p_0 = \Delta \vec p — изменение импульса тела, t -t\ — время изменения импульса тела.

∑F→=dp→dt -\boxed{\sum \vec F = \frac{d\vec p}{dt}}\ — второй закон Ньютона в импульсной форме для мгновенного значения силы.

Из второго закона в частности следует, что ускорение тела, подвергающегося действию нескольких сил, равно сумме ускорений, сообщаемых каждой силой:

a→=∑a→i=a→1+a→2+…+a→i=∑F→m=F→1+F→2+…+F→im=F→1m+F→2m+…+F→im\boxed{\vec a = \sum \vec a_i = \vec a_1 + \vec a_2 + \dots + \vec a_i = \frac{\sum \vec F}{m} = \frac{\vec F_1 + \vec F_2 + \dots + \vec F_i}{m} = \frac{\vec F_1}{m} + \frac{\vec F_2}{m} + \dots + \frac{\vec F_i}{m}}.

Первая форма записи второго закона (∑F→=ma→)(\sum \vec F = m\vec a) справедлива только при малых скоростях по сравнению со скоростью света.

И, разумеется, выполняется второй закон Ньютона только в инерциальных системах отсчёта.

Так же следует отметить, что второй закон Ньютона справедлив для тел неизменной массы, конечных размеров и движущихся поступательно.

Второе (импульсное) выражение имеет более общий характер и справедливо при любых скоростях.

Как правило, в школьном курсе физики сила со временем не меняется. Однако последняя импульсная форма записи позволяет учесть зависимость силы от времени, и тогда изменение импульса тела будет найдено с помощью определённого интеграла на исследуемом интервале времени. В более простых случаях (сила изменяется со временем по линейному закону) можно брать среднее значение силы.


Рис. 5

Иногда очень полезно знать, что произведение F→·t\vec F \cdot t называют импульсом силы, и его значение F→·t=Δp→\vec F \cdot t = \Delta \vec p равно изменению импульса тела.

Для постоянной силы на графике зависимости силы от времени можем получить, что площадь фигуры под графиком равна изменению импульса (рис. 5).

Но даже если сила будет изменяться со временем, то и в этом случае, разбивая время на малые интервалы Δt\Delta t такие, что величина силы на этом интервале остаётся неизменной (рис. 6), а потом, суммируя полученные «столбики», получим:

Площадь фигуры под графиком F(t)F(t) численно равна изменению импульса.

В наблюдаемых природных явлениях сила, как правило, меняется со временем. Мы же часто, применяя простые модели процессов, считаем силы постоянными. Сама же возможность использования простых моделей появляется из возможности подсчёта средней силы, т. е. такой постоянной силы, у которой площадь под графиком от времени будет равна площади под графиком реальной силы.

Рис. 6

Следует добавить ещё одно очень важное следствие второго закона Ньютона, связанное с равенством инертной и гравитационной масс.









Неразличимость гравитационной и инертной масс означает, что и ускорения, вызванные гравитационным взаимодействием (законом всемирного тяготения) и любым другим тоже неразличимы.

Пример 2. Мяч массой 0,5 кг0,5\ \mathrm{кг} после удара, длящегося 0,02 с0,02\ \mathrm{с}, приобретает скорость 10 м/с10\ \mathrm{м}/\mathrm{с}. Найти среднюю силу удара.

Решение. В данном случае рациональнее выбрать второй закон Ньютона в импульсной форме, т. к. известны начальная и конечная скорости, а не ускорение, и известно время действия силы.

Также следует отметить, что сила, действующая на мяч, не остаётся постоянной. По какому закону меняется сила со временем, неизвестно.

Для простоты мы будем пользоваться предположением, что сила постоянная, и её мы будем называть средней.

Тогда ∑F→=Δp→t\sum \vec F = \frac{\Delta \vec p}{t}, т. е. F→ср·t=Δp→\vec F_\mathrm{ср}\cdot t = \Delta \vec p. В проекции на ось, направленной вдоль линии действия силы, получим: Fср·t=pк-p0=mvкF_\mathrm{ср}\cdot t = p_\mathrm{к}-p_0 = mv_\mathrm{к}. Окончательно для искомой силы получим:

\[F_\mathrm{ср} = \frac{mv_\mathrm{к}}{t}.\]

Количественно ответ будет таким: Fср=0,5 кг·10 мс0,02 с=250 НF_\mathrm{ср} = \frac{0,5\ \mathrm{кг}\cdot 10\ \frac{\mathrm{м}}{\mathrm{с}}}{0,02\ \mathrm{с}} = 250\ \mathrm{Н}.

Источник: https://zftsh.online/articles/815

Законы Ньютона – FIZI4KA

Второй закон Ньютона

ОГЭ 2018 по физике ›

1. В основе классической механики лежат три закона Ньютона, которые были сформулированы им при обобщении результатов наблюдений и опытов в конце XVII в.

Первый закон, включённый Ньютоном в систему законов, был открыт Галилеем и назван им законом инерции. Закон инерции формулируется следующим образом: если на тело не действуют другие тела, то оно либо находится в покое, либо движется равномерно прямолинейно.

2. В природе не существует отдельных изолированных тел. Любое тело взаимодействует с окружающими телами. Несмотря на это, взаимодействующие тела могут находиться в покое или двигаться равномерно и прямолинейно.

Например, лежащая на столе книга взаимодействует с Землёй, и на неё действует сила тяжести ​\( (\vec{F}_т) \)​, направленная вниз (рис. 33).

Книга также взаимодействует со столом, и со стороны стола на неё действует сила, направленная вертикально вверх \( (\vec{F}) \).

При этом книга находится в покое, следовательно, \( |\vec{F}_т|=|\vec{F}| \), т.е. действия Земли и стола на книгу компенсируют друг друга.

3. При компенсации действия на тело других тел оно может двигаться равномерно прямолинейно.

Например, если по прямой горизонтальной дороге движется автомобиль, то при компенсации действия на него силы тяги двигателя и силы трения со стороны поверхности дороги движение автомобиля будет равномерным.

Можно утверждать, что тело сохраняет состояние покоя, если действие на него других тел скомпенсировано.

Явление сохранения скорости тела постоянной (в том числе и равной нулю) называют явлением инерции.

4. Тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если на него не действуют другие тела или действие других тел скомпенсировано не во всех системах отсчёта, а только в инерциальных системах отсчёта.

Инерциальными системами отсчёта называются такие системы отсчёта, относительно которых поступательно движущееся тело сохраняет свою скорость постоянной, если на него не действуют другие тела или действия других тел компенсируются. Инерциальной можно считать систему отсчёта, связанную с Землёй. Системы отсчёта, движущиеся относительно Земли равномерно и прямолинейно, также являются инерциальными.

Системы отсчёта, движущиеся с ускорением относительно инерциальной системы отсчёта, например относительно Земли, называют неинерциальными.

5.Значение первого закона Ньютона состоит в том, что он устанавливает существование инерциальных систем отсчёта (таких систем отсчёта, относительно которых тела движутся с постоянной скоростью при компенсации внешних воздействий). Именно для таких систем отсчёта справедливы все другие законы Ньютона.

6.Второй закон Ньютона устанавливает зависимость ускорения одного из взаимодействующих тел от его массы и действующей на него силы.

Наблюдения и опыты свидетельствуют о том, что чем больше сила, действующая на тело, тем больше ускорение, которое оно приобретает. Так, чем сильнее водитель нажимает на педаль тормоза, тем
больше сила и тем быстрее автомобиль остановится.

Значит, чем больше действующая на автомобиль сила сопротивления, тем больше его ускорение.

Ускорение, которое приобретают тела под действием одинаковой силы, зависит от массы тел. Например, грузовому автомобилю требуется большее время, чем легковому, для того, чтобы, имея некоторую одинаковую скорость, остановиться, выключив двигатель. Из этого примера следует, что чем больше масса тела, тем меньшее ускорение оно получает под действием некоторой постоянной силы.

7.Второй закон Ньютона формулируется следующим образом: ускорение, с которым движется тело прямо пропорционально действующей на тело силе и обратно пропорционально массе тела.

\[ \vec{a}=\frac{\vec{F}}{m} \]

Записанное равенство представляет собой второй закон Ньютона.

В механике Ньютона ускорение тел обусловлено только их взаимодействием. Следовательно, второй закон Ньютона справедлив в инерциальных системах отсчёта.

8. Действие тел друг на друга носит взаимный характер, т.е. в результате взаимодействия
каждое тело приобретает ускорение, и, следовательно, на каждое из взаимодействующих тел действует сила.

Например, груз, висящий на нити, действует на нить с силой, направленной вертикально вниз \( (\vec{F}_1) \)​, и растягивает её (рис. 34).

В свою очередь, нить действует на груз с силой, направленной вертикально вверх \( (\vec{F}_2) \)​.

9. Измерения показывают, что:

  • при взаимодействии тел сила действует как на одно тело, так и на другое;
  • модуль силы, действующей на одно тело, равен модулю силы, действующей на другое тело;
  • силы, действующие на тела, направлены в противоположные стороны.

10. Из соотношения следует: ​\( m_1a_1=m_2a_2 \)​.

Поскольку ускорение — величина векторная и ускорения, которые получают тела, направлены в противоположные стороны, то ​\( m_1\vec{a}_1=-m_2\vec{a}_2 \)​.

Так как \( m_1\vec{a}_1=\vec{F}_1 \), а \( m_2\vec{a}_2=\vec{F}_2 \), то можно записать: ​\( \vec{F}_1=-\vec{F}_2 \)​.

Это равенство и выражает третий закон Ньютона.

Третий закон Ньютона формулируется следующим образом: тела действуют друг на друга с силами, равными по модулю и направленными в противоположные стороны. Эти силы направлены вдоль прямой, соединяющей взаимодействующие тела (материальные точки).

Третий закон Ньютона говорит о том, что силы всегда проявляются парами.

Эти силы часто называют силами действия и противодействия. При этом безразлично, какую из двух сил назвать силой действия, а какую — силой противодействия.

Эти силы приложены к разным телам, и их нельзя складывать, т.е. нельзя сказать, что силы действия и противодействия уравновешивают друг друга.

Силы, с которыми взаимодействуют тела, всегда одной природы.

Третий закон Ньютона, так же как первый и второй законы, справедлив в инерциальных системах отсчёта.

10. При переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой не изменяются ни ускорение, ни масса тала, ни действующая на него сила.

Следовательно, можно утверждать, что законы механики одинаковы для всех инерциальных систем отсчёта, или, что то же самое, все механические явления протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчёта при одинаковых начальных условиях. Это утверждение называется принципом относительности Галилея.

  • Примеры заданий
  • Ответы

Часть 1

1. Утверждение, что материальная точка покоится или движется равномерно прямолинейно, если на неё не действуют другие тела или действие на неё других тел взаимно уравновешено,

1) неверно ни для каких систем отсчёта 2) верно для инерциальных систем отсчёта 3) верно для неинерциальных систем отсчёта

4) верно при любых условиях

2. Система отсчёта, связанная с Землёй, может считаться инерциальной. Система отсчёта, связанная с автобусом, тоже будет инерциальной, если он

1) движется равномерно по извилистой дороге 2) тормозит у остановки 3) отъезжает от светофора

4) движется равномерно по прямолинейному участку пути

3. В каком из приведённых примеров тело движется по инерции:

1) равномерно движущийся по горизонтальной дороге автомобиль 2) автомобиль, движущийся по горизонтальной дороге с выключенным двигателем 3) автомобиль, поворачивающий направо

4) автомобиль, выезжающий со стоянки

4. Яблоко, лежащее неподвижно на столе вагона движущегося поезда покатился вправо, если смотреть по ходу поезда. Как изменилось движение поезда?

1) скорость поезда увеличилась 2) скорость поезда уменьшилась 3) поезд повернул влево

4) поезд повернул вправо

5. Можно ли считать инерциальной системой отсчёта движущийся автомобиль?

1) можно всегда 2) можно, только если он движется равномерно и прямолинейно 3) можно только во время разгона и торможения

4) нельзя ни при каких условиях

6. Массивный груз подвешен на тонкой нити 1. К грузу прикреплена такая же нить 2. Если
медленно тянуть за нить 2, то оборвётся

1) только нить 1 2) только нить 2 3) нить 1 и нить 2 одновременно

4) либо нить 1, либо нить 2, в зависимости от массы груза

7. Нить, привязанная одним концом к вбитому в стену гвоздю, разорвётся, если другой её конец тянуть с силой не менее 50 Н. Чему равно наименьшее значение сил, с которыми растягивают эту же нить за оба конца, при котором она рвётся?

1) 25 Н 2) 50 Н 3) 75 Н

4) 100 Н

8. Два ученика тянут динамометр в противоположные стороны с силой 60 Н каждый. Каково показание динамометра?

1) 0 Н 2) 30 Н 3) 60 Н

4) 120 Н

9. Земля притягивает яблоко с силой ​\( \vec{F}_1 \)​. Яблоко притягивает Землю с силой \( \vec{F}_2 \). При этом

1) ​\( F_2 = 0 \)​
2) ​\( F_1=F_2 \)​
3) \( F_1>F_2 \)
4) \( F_1

Источник: https://fizi4ka.ru/ogje-2018-po-fizike/zakony-njutona.html

Второй закон Ньютона: определение и формула

Второй закон Ньютона

  • Основные понятия: сила, ускорение, масса
  • Определение второго закона Ньютона
  • Формула второго закона Ньютона
  • Равнодействующая сила
  • Рекомендованная литература и полезные ссылки
  • Второй закон Ньютона, видео
  • – В чем сила брат?
    – В Ньютонах брат.

    С этой шутки можно начать, а точнее продолжить нашу статью о законах Ньютона, на которых, словно на трех слонах стоят основы классической механики. О первом законе Ньютона мы уже писали, и сегодня очередь за вторым законом имени великого английского физика. В чем его суть, как звучит второй закон Ньютона и какая его формула, об этом читайте далее.

    Основные понятия: сила, ускорение, масса

    Именно с открытием второго закона Ньютона его имя стало ассоциироваться с физическим понятием силы. Впрочем, сила стала не только ассоциироваться, но и измеряться в ньютонах. Да и сам второй закон тесно связан с понятием силы, а также скорости, и ускорения, а еще массы. Но обо всем по порядку.

    Что такое сила в физике? Сила это некая физическая величина, обязательно имеющая свое направление (вектор), которая является мерой действия на тело. Обозначается сила литерой F.

    Измерить величину силы можно при помощи специального прибора – динамометра. Обычно он состоит из пружины, связанной со стрелочным указателем.

    Если пружину растянуть, то произойдет отклонение стрелки, которая покажет количественную характеристику силы F.

    Вот так выглядит динамометр, измеритель силы. Впрочем, существуют разные разновидности этого прибора. Обычно на тело при движении действует сразу несколько сил (к тому же имеющих разную направленность или вектор): сила гравитации, сила трения и т. д.

    В прошлой статье о первом законе у нас в качестве примера фигурировала некая тележка. Если приложить силу к этой тележке она станет катиться, и если представить, что на тележку не действуют никакие другие силы, то она будет катиться бесконечно.

    Бесконечно тележки катиться могут только в придуманной Ньютоном инерциальной системе отсчета (ИСО), существующей лишь теоретически. На практике же мы прекрасно понимаем, что тележка покатится лишь какое-то время и вскоре остановится.

    А значит, ее скорость изменится, от некоего значения до нуля.

    То как меняется скорость в течение времени, называется ускорением (его принято обозначать литерой a).

    На практике в реальной жизни все тела движутся с ускорением, причем если скорость нарастает, или убывает равномерно, то такое движение называется равноускоренным.

    Примером такого движение может быть падение любого тела вниз, оно будет падать с одинаковым ускорением, формируемым земной гравитацией g.

    И напоследок на характеристику движения любого тела влияет его масса, которую принято обозначать литерой m. В физике масса часто является мерой инертности тела, то есть чем больше масса того или иного тела, тем труднее его сдвинуть с места, но уже сдвинув, его опять таки труднее остановить.

    Определение второго закона Ньютона

    Если первый закон Ньютона в свое время пытался объяснить то, как работает небесная механика, каким образом планеты непрерывно движутся вокруг Солнца (и не падают на него), то второй закон в этом плане более приземлен, он объясняет движение тел тут, на Земле. По сути это основной закон динамики, базовой закон физической природы.

    Существует несколько классических определений второго закона Ньютона: первое из них гласит: сила, оказывающая воздействие на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое данной силой ускорение.

    Второе определение идет не от силы, а от ускорения, оно гласит: ускорение тела прямо пропорционально приложенной к нему силе и обратно пропорционально массе.

    Формула второго закона Ньютона

    Первое приведенное нами определение можно записать классической формулой:

    F = ma

    Где F – сила, действующая на тело, m – его масса, а – ускорение.

    Для второго определения уравнение будет следующим:

    a = F/m

    Иными словами, чем больше сила, действующая на тело, тем больше его ускорения, и наоборот, чем больше масса тела, тем его ускорение будет меньшим. По сути, мы пересказали суть второго закона Ньютона своими словами.

    Равнодействующая сила

    Как мы писали выше, на практике в реальной жизни на каждое физическое тело действует не одна, а несколько сил, причем с разными направлениями. Какое же отражения во втором законе Ньютона находит действия разных сил, обозначим их F1, F2, F3. Так вот если на тело действует несколько сил, то в формуле второго закона фигурирует равнодействующая сила F, которая высчитывается по формуле:

    F = F1 + F2 + F3.

    Если же равнодействующая сила будет равна нулю, то тело будет пребывать в состоянии покоя, либо равномерного прямолинейного движения.

    Рекомендованная литература и полезные ссылки

    • Лич Дж. У. Классическая механика. М.: Иностр. литература, 1961.
    • Спасский Б. И.. История физики. М., «Высшая школа», 1977.
    • Кудрявцев П. С. Курс истории физики. — М.: Просвещение, 1974.
    • Crowell, Benjamin (2011), Light and Matter (2011, Light and Matter), especially at Section 4.2, Newton’s First Law, Section 4.3, Newton’s Second Law, and Section 5.1, Newton’s Third Law.
    • Feynman, R. P. (англ.)русск.; Leighton, R. B.; Sands, M. The Feynman Lectures on Physics (неопр.). — 2nd. — Pearson/Addison-Wesley, 2005. — Т. Vol. 1. — ISBN 0-8053-9049-9.

    Второй закон Ньютона, видео

    И в завершении образовательное видео по теме нашей статьи.

    При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.

    Источник: https://www.poznavayka.org/fizika/vtoroj-zakon-nyutona/

    Взаимодействие тел. Второй закон Ньютона. урок. Физика 10 Класс

    Второй закон Ньютона

    Для того чтобы тело покоилось или двигалось равномерно и прямолинейно, на него либо вообще не нужно действовать, либо действовать так, чтобы суммарное действие всех тел было скомпенсировано.

    Настало время разобраться, что должно происходить для того, чтобы тело начало изменять скорость, то есть приобрело ускорение.

    Для этого понадобится вспомнить некоторые физические величины, с которыми мы сталкивались на уроках физики в предыдущих классах.

    Как известно, скорость тела меняется только, если на него действует другое тело. Например, свободное падение грузика в результате действия Земли на него. При падении скорость увеличивается, а значит, её изменение обусловлено этим действием (рис. 1).

    Рис. 1. Свободное падение

    Но при этом меняется скорость и второго тела. Попробуйте оттолкнуться на льду от товарища, стоящего рядом. Вы заметите, что ваш товарищ тоже начнет двигаться. Тела взаимодействуют. Одностороннего действия не бывает. 

    Для характеристики взаимодействия тел необходимо ввести физическую величину, такой величиной является сила.

    Сила – это векторная величина, которая характеризует действие одних тел на другие (взаимодействие тел). Сила – это мера взаимодействия. Единицей измерения силы в системе СИ является ньютон.

    – сила

     – Н (ньютон)

    Так как у тела появляется ускорение в результате действия силы, то необходимо установить связь между ускорением, которое приобрело тело, и силой, вызвавшей это ускорение.

    Если к тележке, на которой установлена специальная конструкция с подвешенным грузиком (рис.

    2), отклоняющемся при ускоренном движении тележки, прикладывать силы различной величины, то можно заметить, что отклонение грузика увеличится при увеличении приложенной силы.

    То есть ускорение, которое тело приобретает в результате действия на него силы, прямо пропорционально величине этой силы  (рис. 3). Ускорение направлено туда же, куда и сила .

    Рис. 2. Изучение зависимости между силой и ускорением тела

    Рис. 3. Ускорение, которое тело приобретает в результате действия на него силы, прямо пропорционально величине этой силы

    Ускорение также зависит от массы тела.

    Если менять массу тележки (рис. 4), к которой прикладывается сила постоянной величины, то можно заметить, что отклонение грузика уменьшается при увеличении массы. То есть ускорение обратно пропорционально массе тела.

    Рис. 4. Ускорение, которое тело приобретает в результате действия на него силы, обратно пропорционально массе этого тела

    Второй закон Ньютона объединяет два вывода, полученных выше.

    Второй закон Ньютона: ускорение, приобретаемое телом в результате действия на него силы F, прямо пропорционально величине этой силы и обратно пропорционально массе тела.

    Если на тело действуют несколько сил, то находят равнодействующую этих сил, то есть некую общую суммарную силу, обладающую определенным направлением и числовым значением. То есть фактически все случаи приложения различных сил в конкретный момент времени можно свести к действию одной равнодействующей силы.

    Равнодействующей называют такую силу, которая сообщала бы телу такое же ускорение, как и векторная сумма всех сил, действующих на тело.

    Таким образом, второй закон Ньютона можно сформулировать так: равнодействующая всех сил, действующих на тело, равна произведению массы тела на приобретаемое в результате действия этих сил ускорение.

    Виды взаимодействия в физике

    В природе существуют четыре вида взаимодействия.

    1. Гравитационное (сила тяготения) – это взаимодействие между телами, которые обладают массой. Существенным оно является в масштабах космических тел. Например, мы ощущаем свое притяжение к Земле, так как она обладает огромной массой, но не ощущаем притяжение к столу, к стулу и другим телам со сравнительно небольшой массой.

    2. Электромагнитное. В состав любого атома входят заряженные частицы, следовательно, такое взаимодействие – фундаментальное и мы с ним встречаемся всегда и везде. Именно электромагнитное взаимодействие ответственно за такие механические силы, как сила трения (рис. 5) и сила упругости.

    Рис. 5. Природа силы трения

    При увеличении межмолекулярного расстояния силы межмолекулярного притяжения и отталкивания уменьшаются – только силы притяжения уменьшаются медленнее, чем силы отталкивания – поэтому возникают суммарные силы упругости , которые направлены в сторону межмолекулярных сил притяжения (рис. 6).

    Рис. 6. Природа силы упругости

    По сравнению с гравитационным электромагнитное взаимодействие значительно сильнее, но, в отличие от первого, справедливо для тел, обладающих электрическим зарядом.

    3. Сильное. Данное взаимодействие было открыто около 100 лет назад.

    Именно тогда ученые задумались, каким образом протоны, которые заряжены положительно и входят в состав ядра, удерживаются там (рис. 7), ведь одноименно заряженные тела должны отталкиваться.

    Сильное взаимодействие удерживает протоны в ядре. Это взаимодействие короткодействующее, то есть действует на расстоянии порядка размера ядра.

    Рис. 7. Сильное взаимодействие удерживает протоны в ядре

    4. Слабое. Такое взаимодействие ответственно за некоторые виды взаимодействия среди элементарных частиц, за некоторые виды β-распада и за другие процессы, происходящие внутри атома, атомного ядра (рис. 8).

    Рис. 8. Альфа-, бета- и гамма-распады

    Многие физики полагают, что в природе существует одно общее взаимодействие, а вышеперечисленные взаимодействия – это лишь его проявления, и пытаются получить так называемую единую теорию поля, в которой все эти четыре вида будут сводиться к одному. На данный момент удалось объединить электромагнитное, сильное и слабое взаимодействие.

    Второй закон Ньютона в НСО. Центробежная сила

    Законы Ньютона выполняются в инерциальных системах отсчета, но можно добиться того, что эти законы будут выполняться и в неинерциальных системах отсчета (НСО).

    Ученые договорились считать, что в НСО, помимо привычных нам сил, ответственных за появление у тела ускорения, существуют силы инерции – особый вид сил. Они связаны с ускорением, с которым неинерциальная система движется по отношению к инерциальной.

    В НСО второй закон Ньютона приобретает следующий вид:

    ,

    где  – ускорение в неинерциальной системе отсчета;  – сила инерции

    ,

    где  – абсолютное ускорение инерциальной системы отсчета

    В НСО третий закон Ньютона в отношении сил инерции не выполняется.

    Примером силы инерции является центробежная сила. Во время резкого поворота автомобиля человека вдавливает в кресло. С точки зрения этого человека на него действует центробежная сила, а с точки зрения наблюдателя на земле человек продолжает двигаться по инерции, в то время как кресло автомобиля стремится повернуть (рис. 9).

    Рис. 9. Центробежная сила

    Как искать равнодействующую силу

    Равнодействующая (результирующая) – это сила, результат действия которой эквивалентен суммарному действию всех сил, приложенных к телу (рис. 10).

    Рис. 10. Нахождение равнодействующей

    В задачах можно считать, что все силы приложены к одной точке.

    Силы не обязательно должны взаимно увеличивать друг друга. Представьте, что вы зимой катаетесь на санках (рис. 11). В первой ситуации силы, которые придают ваши друзья, складываются. Во второй один из друзей не хочет отдавать санки и тянет их в другую сторону. В этом случае модули сил вычитаются.

    Рис. 11. Иллюстрация к примеру

    Рассмотрим пример, когда силы направлены не вдоль одной прямой, а в разные стороны. На рис.

    11 изображено тело, которое находится на наклонной плоскости и удерживается на ней за счет действия силы трения . Кроме этой силы, на тело действует сила тяжести () и сила реакции опоры ().

    Если тело находится в положении равновесия, то векторная сумма всех сил равна нулю, то есть равна нулю равнодействующая.

    Следовательно, ускорение, которое приобретает тело, также равно нулю.

    Рис. 11. Силы, действующие на тело

    Список литературы

    1. Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский. Физика 10. – М.: Просвещение, 2008.
    2. А.П. Рымкевич. Физика. Задачник 10–11. – М.: Дрофа, 2006.
    3. О.Я. Савченко. Задачи по физике. – М.: Наука, 1988.
    4. А.В. Перышкин, В.В. Крауклис. Курс физики. Т. 1. – М.: Гос. уч.-пед. изд. мин. просвещения РСФСР, 1957.

    Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

    1. Интернет-портал Studopedia.org (Источник).
    2. Интернет-портал Abitura.com (Источник).
    3. Интернет-портал School-collection.edu.ru (Источник).
    4. Интернет-портал Class-fizika.narod.ru (Источник).
    5. Интернет-портал Fizika-lekcii.ucoz.ua (Источник).

    Домашнее задание

    1. Вопросы (1, 3) в конце параграфа 24 (стр. 66); вопросы (3–5) в конце параграфа 25 (стр. 68) – Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский. Физика 10 (см. список рекомендованной литературы)
    2. Трактор тянет плуг по горизонтали силой 5 кН. Сопротивление движению – 3 кН. Определите равнодействующую этих сил.
    3. Вагонетка массой 500 кг движется под действием силы 125 Н. Определите ее ускорение.
    4. Трактор, сила тяги которого на крюке – 15 кН, сообщает прицепу ускорение . Какое ускорение сообщит тому же прицепу трактор, развивающий тяговое усилие 60 кН?

    Источник: https://interneturok.ru/lesson/physics/10-klass/bzakony-mehaniki-nyutonab/vzaimodeystvie-tel-vtoroy-zakon-nyutona?seconds=0

    Booksm
    Добавить комментарий