"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 3 частях)", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.; под ред. Орлова В.А. (ч. 1); Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И., под ред. Орлова В.А. (ч. 2); Генденштейн Л.Э., Кошкина А.В., Левиев Г.И. (ч. 3)
Третий закон Ньютона описывает взаимодействие двух тел: если одно тело действует на другое, второе одновременно действует на первое. Эти силы равны по модулю, противоположны по направлению и имеют одинаковую физическую природу, но приложены к разным телам. Закон помогает разбирать столкновения, движение тележек, отталкивание людей и взаимодействие тела с опорой. Равенство сил не означает одинаковых ускорений.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Третий закон Ньютона: при взаимодействии двух тел силы, с которыми они действуют друг на друга, равны по модулю и противоположны по направлению. В векторной форме это записывают так: F12 = −F21. Закон нужен, чтобы описывать взаимодействие как взаимный процесс, а не как одностороннее действие.
Силы взаимодействия — это силы, возникающие при взаимном действии тел. Они появляются одновременно и имеют одну физическую природу, например гравитационную или упругую. Такое определение помогает правильно искать пару сил и указывать тела, на которые они действуют.
Сила действия и сила противодействия — условные названия двух сил взаимодействия. Нельзя считать одну из них главной: каждая сила приложена к своему телу. Эти названия нужны только для удобного сравнения направлений и модулей сил.
Инерциальная система отсчёта — система, в которой справедливы законы Ньютона. В такой системе можно связывать силу и ускорение по второму закону и применять третий закон к взаимодействующим телам. Отсчёт движения выбирают так, чтобы тела без внешнего воздействия двигались равномерно и прямолинейно.
Взаимодействие нельзя свести к действию только одного тела, потому что физическое воздействие всегда взаимно. Если тело A толкает тело B, деформирует его или притягивает, тело B в тот же момент действует на тело A. Поэтому при описании ситуации нужно рассматривать оба тела и записывать силы для каждого из них.
Равенство модулей и противоположность направлений следуют из самого закона взаимодействия: тела не могут обмениваться воздействием только в одну сторону. Если сила тела A на тело B равна FAB, то сила тела B на тело A равна FBA, причём FAB = −FBA. Минус показывает противоположные направления векторов, а равенство модулей — одинаковую величину сил.
Силы действия и противодействия не уравновешивают друг друга, потому что приложены к разным телам. Например, при толчке одна сила действует на первого ученика, а вторая — на второго, поэтому в уравнении движения каждого ученика присутствует только «своя» сила. Для равновесия одного тела нужны две или несколько сил, приложенных именно к этому телу.
Силы в одной паре имеют одинаковую природу, поскольку возникают из одного взаимодействия. При притяжении Земли и тела Земля притягивает тело гравитационной силой, а тело притягивает Землю такой же по модулю гравитационной силой. При контакте тел обе силы могут быть упругими или контактными, а не одна гравитационной, а другая упругой.
Равные силы не гарантируют одинаковых изменений движения, потому что ускорение зависит ещё и от массы. Из второго закона Ньютона следует a = F/m: при одной и той же силе тело меньшей массы получает большее ускорение. Поэтому Земля и падающее тело испытывают равные гравитационные силы, но ускорение Земли практически незаметно из-за её огромной массы.
Таблица помогает проверять, действительно ли две силы образуют пару по третьему закону Ньютона. Сначала найдите два взаимодействующих тела, затем определите, на какое тело приложена каждая сила. Если силы действуют на одно и то же тело, это не пара действия и противодействия.
| Признак | Сила действия | Сила противодействия |
|---|---|---|
| На какое тело действует | На одно из взаимодействующих тел | На другое взаимодействующее тело |
| Направление | Противоположно направлению силы противодействия | Противоположно направлению силы действия |
| Модуль | Равен модулю силы противодействия | Равен модулю силы действия |
| Физическая природа | Такая же, как у второй силы | Такая же, как у первой силы |
| Время возникновения | Возникает одновременно со второй силой | Возникает одновременно с первой силой |
Условие. Два ученика отталкиваются друг от друга на роликовых коньках. Нужно сравнить силы и объяснить различие ускорений. Сопротивлением движению пренебрегаем.
Ответ: силы равны по модулю и противоположны по направлению, а ускорение ученика меньшей массы больше.
Условие. Книга лежит на горизонтальном столе. Нужно назвать пары сил для книги и стола, для книги и Земли, а также отличить их от сил, уравновешивающих книгу. Рассматриваем книгу в покое.
Ответ: пары составляют силы книги и стола, а также силы книги и Земли; сила тяжести и реакция опоры — уравновешивающие силы для книги.
Условие. Тележка массой 2 кг действует на тележку массой 6 кг силой 12 Н. Найдём силу второй тележки на первую и ускорения обеих тележек. Внешними силами и сопротивлением пренебрегаем.
Ответ: сила второй тележки на первую равна 12 Н в противоположном направлении; ускорения равны 6 м/с² и 2 м/с² соответственно.
Считать силы действия и противодействия уравновешивающими. Так ошибаются, забывая проверить точки приложения сил: они находятся на разных телах. Нарисуйте отдельные схемы для каждого тела и сравнивайте только силы на одной схеме.
Называть силой действия и противодействия силу тяжести и реакцию опоры. Обе эти силы в обычной схеме действуют на книгу, поэтому могут уравновешивать друг друга. Для проверки подпишите тело, на которое направлена каждая сила.
Полагать, что равные силы дают одинаковые ускорения. Ошибка возникает, если не учитывать массу тела. Проверьте результат формулой a = F/m: при разных массах ускорения различаются.
Считать, что одна сила возникает раньше или важнее другой. Взаимодействие взаимно, поэтому силы появляются одновременно и равноправны. Если одна сила уже указана, ищите вторую на другом теле, с тем же модулем и противоположным направлением.
Для применения третьего закона нужны понятия силы, массы и ускорения, а также второй закон Ньютона. Второй закон связывает силу с ускорением конкретного тела, а третий показывает, откуда берётся сила взаимодействия и почему у неё есть пара.
Третий закон используют при разборе столкновений, движения тележек и ракет, отталкивания людей и взаимодействия тела с опорой. Он также помогает различать силы одной пары и силы, которые просто уравновешивают друг друга на одном теле.
Почему силы действия и противодействия не уравновешивают друг друга?
Они приложены к разным телам, поэтому при составлении уравнения движения одного тела учитывается только сила, действующая на него. Уравновешивать друг друга могут лишь силы, приложенные к одному телу.
Как определить, какие силы образуют пару по третьему закону Ньютона?
Нужно найти два взаимодействующих тела и проверить, что одна сила действует на первое тело, а вторая — на второе. Силы должны возникать одновременно, иметь одну природу, одинаковый модуль и противоположные направления.
Могут ли силы действия и противодействия иметь разную природу?
Нет, в одной паре они всегда имеют одинаковую физическую природу. Например, притяжение Земли и тела описывается двумя гравитационными силами.
Почему тела под действием равных сил движутся с разными ускорениями?
По второму закону Ньютона ускорение определяется не только силой, но и массой: a = F/m. При одинаковой силе тело меньшей массы получает большее ускорение.
Действует ли третий закон Ньютона при столкновении тел?
Да, во время столкновения тела действуют друг на друга с равными по модулю и противоположными силами. Разные ускорения возникают из-за различия масс столкнувшихся тел.
3. Третий закон Ньютона
