Три закона Ньютона

Определение

Три закона Ньютона — это совокупность трёх основных законов механики, устанавливающих связь между силами, действующими на тело, и изменением его скорости, а также описывающих взаимодействие тел.

Первый закон Ньютона: закон инерции

Первый закон Ньютона, или закон инерции, утверждает, что тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока на него не подействует внешняя сила, способная изменить это состояние. Это означает, что если на объект не действуют никакие силы или действие всех сил скомпенсировано, он не будет менять свою скорость: стоящий объект останется стоять, а движущийся будет двигаться с постоянной скоростью по прямой. Причиной изменения скорости всегда является какая-либо сила.

Второй закон Ньютона: связь силы и ускорения

Второй закон Ньютона устанавливает количественную связь между силой, массой тела и ускорением, которое это тело приобретает. Он гласит, что ускорение тела прямо пропорционально равнодействующей силе, действующей на тело, и обратно пропорционально его массе. То есть, чем больше сила, тем сильнее тело ускоряется, и чем больше масса тела, тем сложнее его разогнать или остановить при одной и той же силе. Этот закон является основой для расчёта движения под действием известных сил.

Третий закон Ньютона: закон действия и противодействия

Третий закон Ньютона описывает взаимодействие между телами. Он гласит, что действия всегда равны и противоположны: если тело А действует на тело В с некоторой силой, то тело В одновременно действует на тело А с силой, равной по модулю и противоположной по направлению. Это означает, что силы всегда возникают парами. Например, когда вы толкаете стену, стена толкает вас обратно с такой же силой. Эти силы всегда приложены к разным телам и имеют одну природу.

Инерциальные системы отсчёта

Для корректного применения законов Ньютона важно понимать понятие инерциальной системы отсчёта. Это такая система отсчёта, относительно которой свободное тело (то есть тело, на которое не действуют силы или их действие скомпенсировано) движется равномерно и прямолинейно или находится в покое. Первый закон Ньютона справедлив только в инерциальных системах отсчёта. Любая система, движущаяся относительно инерциальной системы с постоянной скоростью, также является инерциальной.

Как найти и применять

1. Определите все силы, действующие на тело.
2. Выберите инерциальную систему отсчёта и спроецируйте силы на оси координат.
3. Запишите второй закон Ньютона (F = ma) в векторной форме или по осям.
4. Учтите третий закон Ньютона для взаимодействующих тел (F12 = -F21).
5. Используйте первый закон Ньютона для тел, движущихся с постоянной скоростью или покоящихся (равнодействующая сил равна нулю).
6. Решите полученную систему уравнений для нахождения неизвестных величин (ускорения, сил, массы).

Разбор задач

Задача 1

Автомобиль массой 1000 кг начинает движение с места и за 5 секунд достигает скорости 10 м/с. Какая сила тяги действует на автомобиль, если сила сопротивления движению составляет 200 Н?

1. Определим ускорение автомобиля. Начальная скорость v0 = 0 м/с, конечная скорость v = 10 м/с, время t = 5 с. Ускорение a = (v - v0) / t = (10 - 0) / 5 = 2 м/с². 2. На автомобиль действуют сила тяги F_тяги в направлении движения и сила сопротивления F_сопр против движения. 3. По второму закону Ньютона: F_равнодействующая = m * a. 4. Равнодействующая сила равна F_тяги - F_сопр. 5. Составляем уравнение: F_тяги - F_сопр = m * a. 6. Подставляем значения: F_тяги - 200 Н = 1000 кг * 2 м/с². 7. F_тяги - 200 Н = 2000 Н. 8. F_тяги = 2000 Н + 200 Н = 2200 Н.

Ответ: Сила тяги, действующая на автомобиль, равна 2200 Н.

Где это встречается

• Движение транспорта — При разгоне автомобиля или поезда, двигатели создают силу тяги, которая, согласно второму закону Ньютона, придает транспортному средству ускорение. При торможении действуют силы трения, вызывающие замедление.
• Запуск ракет — Ракеты используют третий закон Ньютона: выбрасывая горячие газы с большой скоростью вниз, они получают равную по модулю и противоположную по направлению силу (тягу), которая толкает ракету вверх.
• Спортивные игры — Футболист, ударяя по мячу, сообщает ему ускорение (второй закон). При отталкивании от земли для прыжка, человек действует на землю, а земля с такой же силой действует на человека (третий закон).
• Строительство и архитектура — Расчёт нагрузок на конструкции зданий, мостов и других сооружений основывается на законах Ньютона, чтобы убедиться в их прочности и устойчивости под действием силы тяжести и других внешних сил.
• Астрономия и космонавтика — Законы Ньютона используются для расчёта траекторий космических аппаратов, движения планет и спутников, объяснения явления приливов и отливов (гравитационное взаимодействие по второму и третьему законам).

Типичные ошибки

Не путать

• Закон всемирного тяготения — Закон всемирного тяготения описывает одну конкретную силу — гравитационное притяжение между телами. Законы Ньютона — это общие законы движения, которые применимы к любым силам, включая гравитацию.
• Закон сохранения импульса — Закон сохранения импульса является следствием законов Ньютона (особенно второго и третьего) для замкнутых систем. Он утверждает, что суммарный импульс такой системы остаётся постоянным. Законы Ньютона — это более базовые принципы.
• Закон сохранения энергии — Закон сохранения энергии описывает, как энергия превращается из одного вида в другой, но не исчезает и не появляется. Законы Ньютона описывают причины и характер изменения движения тел под действием сил, которые могут быть связаны с изменением энергии.

Откуда взялось понятие

Три закона движения были сформулированы Исааком Ньютоном в его труде «Математические начала натуральной философии», опубликованном в 1687 году.

Как запомнить

На тело действует сила — оно ускоряется, тело без сил сохраняет скорость, а сила всегда равна противодействию.