"Физика", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е., Чаругин В.М.
Третий закон Ньютона описывает, как два тела действуют друг на друга: силы взаимодействия равны по модулю, противоположны по направлению и приложены к разным телам. Он помогает разбирать толчки, отталкивание и притяжение, а также объясняет, почему тела разной массы получают разные ускорения. Главное — определить оба тела и не путать равные силы с силами, уравновешивающими друг друга.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Третий закон Ньютона утверждает: при взаимодействии два тела действуют друг на друга силами, равными по модулю и противоположными по направлению. Эти силы приложены к разным телам. Закон нужен, чтобы описывать взаимодействия целиком, а не считать, будто одно тело действует в одиночку.
Силы взаимодействия возникают, когда тела действуют друг на друга одновременно. Если тело 1 действует на тело 2, эту силу обозначают F₁₂, а ответную силу, с которой тело 2 действует на тело 1, — F₂₁. Индексы помогают сразу увидеть, кто на кого действует, и не приложить обе силы к одному телу.
Пара сил взаимодействия — это силы действия и противодействия, относящиеся к одному взаимодействию. Они появляются одновременно и имеют одинаковую физическую природу: например, обе являются силами упругости или обе — силами тяготения. Понятие пары помогает сравнить силы правильно и проследить, какие именно тела взаимодействуют.
Взаимодействие всегда взаимно: если человек толкает стену, стена тоже действует на человека. При ходьбе нога толкает землю назад, а земля толкает человека вперёд; благодаря этой силе человек может двигаться. Действие на расстоянии также взаимно: Земля притягивает Луну, а Луна притягивает Землю.
Равенство сил подтверждается наблюдениями и опытами с динамометрами. Если соединить приборы и тянуть их в разные стороны, показания будут одинаковыми: каждый прибор измеряет силу взаимодействия одинаковой величины. Противоположные направления следуют из того, что тела действуют друг на друга в разные стороны вдоль линии взаимодействия, а не потому, что одно из них «слабее».
Силы действия и противодействия не уравновешивают друг друга, потому что приложены к разным телам. Например, при толчке стены сила стены действует на человека, а сила человека — на стену. Чтобы силы уравновешивали друг друга, обе должны действовать на одно и то же тело; при составлении схемы сил нужно рассматривать каждое тело отдельно.
Равные силы могут по-разному изменять движение тел, потому что ускорение зависит от массы. По второму закону Ньютона a = F / m: при одной и той же силе меньшая масса получает большее ускорение. Поэтому при столкновении тяжёлый предмет может заметно изменить движение лёгкого, а его собственное движение изменится слабее, хотя силы взаимодействия равны.
При толчке человек отбрасывает тележку, а тележка действует на человека в обратном направлении. Когда два конькобежца отталкиваются, каждый получает силу от другого и начинает двигаться в противоположную сторону. При притяжении магнитов или небесных тел силы тоже направлены навстречу друг другу, равны по модулю и приложены к разным телам.
| Признак | Сила, с которой тело 1 действует на тело 2 | Сила, с которой тело 2 действует на тело 1 |
|---|---|---|
| Обозначение | F₁₂ | F₂₁ |
| На какое тело действует | На тело 2 | На тело 1 |
| Модуль | Равен модулю F₂₁ | Равен модулю F₁₂ |
| Направление | Противоположно F₂₁ | Противоположно F₁₂ |
| Физическая природа | Та же, что у F₂₁ | Та же, что у F₁₂ |
| Связь между силами | F₁₂ = −F₂₁ | F₂₁ = −F₁₂ |
Чтобы пользоваться таблицей, сначала назови оба тела, затем проверь, на какое из них действует каждая сила. Равенство модулей не означает, что силы приложены в одной точке: каждая относится к своему телу. Знак минус в записи означает противоположные направления векторов.
Условие. Два ученика одновременно тянут концы динамометра в противоположные стороны. Нужно сравнить силы, с которыми они действуют друг на друга. Указаний о разных величинах сил или об ускорении прибора нет, поэтому рассматриваем пару сил взаимодействия.
Ответ: силы равны по модулю и направлены противоположно. Если динамометр показывает 20 Н, модуль каждой силы взаимодействия равен 20 Н.
Условие. Человек отталкивается от стены. Требуется указать силы, действующие на человека и на стену, и сравнить их. Для ответа важно не смешать силу, приложенную к человеку, с силой, приложенной к стене.
Ответ: стена действует на человека силой, направленной от стены, а человек действует на стену равной по модулю силой в противоположном направлении. Силы приложены к разным телам.
Условие. Тележки массами 2 кг и 5 кг взаимодействуют. Сила, действующая на первую тележку, равна 10 Н. Найдём силу на второй тележке и ускорения обеих тележек, считая силы горизонтальными, а другие силы и трение не учитывая.
Ответ: сила на второй тележке равна 10 Н и направлена противоположно; ускорения по модулю равны 5 м/с² и 2 м/с² соответственно.
Ошибка: считать, что силы действия и противодействия уравновешивают друг друга. Такое предположение возникает из-за равенства модулей сил, но оно верно для сил, действующих на одно тело. Проверь себя: подпиши тело у каждой силы — если тела разные, эти силы не сокращаются при подсчёте сил для одного тела.
Ошибка: полагать, что тело большей массы действует с большей силой. Часто массу связывают с «силой» тела, хотя закон сравнивает силы именно во время одного взаимодействия. Проверь себя: запиши пару сил и сравни их модули — они равны, а различными могут быть ускорения.
Ошибка: приписывать обе силы одному телу. Так бывает, если обозначение силы читают без указания, кто на кого действует. Проверь себя: произнеси каждую запись словами и назови тело, к которому приложена сила.
Ошибка: считать, что одна сила возникает раньше другой или вызывает её. Такое представление появляется, когда взаимодействие описывают как одностороннее действие. Проверь себя: вообрази оба тела в один момент — пока они взаимодействуют, обе силы существуют одновременно.
Для применения закона нужно знать, что такое сила, масса и ускорение, а также уметь изображать силу вектором. Связь силы с ускорением задаёт второй закон Ньютона: именно вместе с ним третий закон позволяет находить движение каждого тела отдельно. Эти законы используют в задачах о столкновениях и движении взаимодействующих тел.
Третий закон помогает объяснить отдачу и реактивное движение: выбрасываемое тело действует на устройство, а устройство получает противоположно направленную силу. Он также применяется к отталкиванию и притяжению, например при движении конькобежцев или взаимодействии магнитов. В каждом случае нужно определить пару тел и силы, приложенные к каждому из них.
Почему силы действия и противодействия не уравновешивают друг друга?
Силы уравновешивают друг друга, когда приложены к одному телу и направлены противоположно. Силы действия и противодействия приложены к разным телам, поэтому в сумме сил для каждого отдельного тела они не сокращаются.
Может ли одно тело действовать на другое сильнее, чем второе на первое?
Нет, при одном взаимодействии силы всегда равны по модулю и противоположны по направлению. Различаться могут ускорения тел, но не силы, с которыми они действуют друг на друга.
Почему при равных силах тела получают разные ускорения?
Ускорение зависит не только от силы, но и от массы: a = F / m. Поэтому при одинаковой силе тело меньшей массы получает большее ускорение.
Возникают ли силы взаимодействия одновременно?
Да, обе силы появляются одновременно, пока тела взаимодействуют. Нельзя считать одну из них первой причиной, а другую — возникшим позже ответом.
Как определить, к какому телу приложена каждая сила?
Сначала назовите тела, которые взаимодействуют, а затем прочитайте силу как фразу «тело 1 действует на тело 2». Такая сила приложена к телу 2; ответная сила приложена к телу 1.
§ 14. Третий закон Ньютона
