"Физика (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под ред. Орлова В.А.
Третий закон Ньютона описывает взаимодействие двух тел: если одно тело действует на другое, второе одновременно действует на первое с такой же по модулю, но противоположно направленной силой. Закон помогает объяснить ходьбу, отдачу оружия, прыжок с лодки и движение ракеты. Главное — помнить, что силы взаимодействия приложены к разным телам, поэтому не уничтожают друг друга.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Третий закон Ньютона — характеристика взаимодействия двух тел: силы действуют одновременно, равны по модулю и противоположны по направлению. Это позволяет находить силу, с которой одно тело действует на другое, если известна сила обратного воздействия. Закон записывают так: F₁₂ = −F₂₁.
Силы действия и противодействия — взаимные силы двух взаимодействующих тел, приложенные к разным телам. Например, Земля притягивает человека, а человек притягивает Землю. Такое определение нужно, чтобы не перепутать пару сил с другими силами, действующими на тело.
Реактивное движение — движение тела, возникающее при отделении от него части вещества с некоторой скоростью. Отделившаяся часть получает импульс в одну сторону, а оставшееся тело — импульс в другую. Так движутся ракеты и некоторые другие устройства.
Отдача — движение тела в сторону, противоположную движению выброшенного из него тела или вещества. При выстреле пуля летит вперёд, а ружьё смещается назад. Это частный пример проявления взаимодействия тел.
Силы действия и противодействия возникают одновременно, потому что взаимодействие нельзя разделить на два независимых события. Когда одно тело изменяет движение другого, между ними появляется взаимное воздействие. Одна и та же физическая причина, например контакт или притяжение, создаёт обе силы, поэтому они имеют одну природу и равны по модулю.
Эти силы не уничтожают друг друга, поскольку приложены к разным телам. Силы можно складывать для определения равнодействующей только на одном выбранном теле. Например, сила человека на землю действует на Землю, а сила Земли на человека — на человека, поэтому при анализе движения человека учитывают только вторую силу и другие силы, действующие на него.
При ходьбе человек ставит ногу на землю и толкает её назад. Земля отвечает силой трения, направленной вперёд, и именно эта сила действует на человека. Если поверхность скользкая, трение мало, поэтому нога почти не может передать земле толчок, а человек не получает достаточного ускорения.
При выстреле пороховые газы толкают пулю вперёд, а пуля действует на ружьё назад. Ружьё получает противоположно направленную силу и начинает двигаться в сторону, обратную движению пули. В ракете происходит похожее взаимодействие: двигатель выбрасывает газы назад, а газы действуют на ракету вперёд, разгоняя её даже в пустом космосе.
Равенство сил не означает равенство ускорений. По второму закону Ньютона ускорение определяется формулой a = F/m, поэтому оно зависит не только от силы, но и от массы тела. При одинаковом взаимодействии лёгкое тело изменяет скорость быстрее, чем тяжёлое, хотя силы на оба тела равны.
| Ситуация | Действие первого тела | Противодействие второго тела | Наблюдаемый результат |
|---|---|---|---|
| Ходьба | Нога толкает землю назад | Земля толкает человека вперёд | Человек движется вперёд |
| Выстрел | Пуля действует на оружие в направлении выстрела | Оружие действует на пулю в противоположном направлении | Возникает отдача |
| Движение ракеты | Ракета выбрасывает газы назад | Газы действуют на ракету вперёд | Ракета ускоряется вперёд |
| Прыжок с лодки | Человек толкает лодку назад | Лодка действует на человека вперёд | Человек и лодка расходятся в разные стороны |
Сначала определите два взаимодействующих тела, затем назовите силу каждого тела на другое. После этого проверьте направления сил и выясните, на каком теле наблюдается результат.
Условие: объяснить, почему человек не может начать идти по гладкому льду, отталкиваясь ногой назад. Главная причина связана не с отсутствием третьего закона, а с недостаточным взаимодействием ноги с опорой.
Ответ: человек не может нормально идти, потому что гладкий лёд почти не создаёт необходимой силы трения вперёд.
Условие: два бруска массами 2 кг и 6 кг действуют друг на друга силами по 12 Н. Найти ускорение каждого бруска.
Ответ: ускорение бруска массой 2 кг равно 6 м/с², а бруска массой 6 кг — 2 м/с². Равные силы дали разные ускорения из-за разных масс.
Условие: пуля массой 10 г вылетает из ружья массой 4 кг со скоростью 400 м/с. Найти скорость отдачи, если внешним сопротивлением пренебречь.
Ответ: скорость отдачи ружья равна 1 м/с и направлена назад. Равенство сил взаимодействия приводит здесь к противоположным импульсам пули и ружья.
Считать, что силы действия и противодействия складываются в ноль, — ошибка из-за игнорирования точки приложения. Они действуют на разные тела, поэтому нужно отдельно составлять силы для каждого тела. Проверка: подпишите, к какому телу относится каждая сила.
Называть силой противодействия любую силу сопротивления тоже неверно. Парой являются только взаимные силы одного взаимодействия: например, человек действует на землю, а земля действует на человека. Проверка: спросите, действует ли вторая сила именно со стороны первого тела.
Более массивное тело не действует с большей силой. Силы взаимодействия равны, а различие движения объясняется формулой a = F/m: большая масса даёт меньшее ускорение. Проверка: сначала установите пару сил, а затем отдельно вычислите ускорение каждого тела.
Нельзя забывать об опоре или внешней среде. При ходьбе нужна сила трения земли, при плавании — взаимодействие с водой, при движении ракеты — действие выброшенных газов. Проверка: назовите второе тело, с которым взаимодействует рассматриваемое тело.
Для понимания закона нужны понятия силы, взаимодействия, массы, ускорения и второй закон Ньютона. Отдача и реактивное движение связаны с импульсом и законом сохранения импульса. Позже эти идеи помогут объяснять движение транспорта, работу реактивных двигателей и столкновения тел в системах.
Почему силы действия и противодействия не уничтожают друг друга?
Они направлены противоположно и равны по модулю, но приложены к разным телам. Силы можно складывать только тогда, когда они действуют на одно и то же тело.
Какая сила заставляет человека двигаться вперёд при ходьбе?
Человек толкает землю ногой назад. В ответ сила трения со стороны земли направлена вперёд и разгоняет человека.
Почему при выстреле ружьё движется назад?
Пуля получает от ружья силу вперёд, а ружьё одновременно получает от пули равную противоположно направленную силу. Поэтому ружьё движется назад; это явление называют отдачей.
Как ракета может лететь в космосе без опоры на воздух?
Ракета выбрасывает струю газов назад. Газы действуют на ракету вперёд, поэтому для движения ей не нужна опора на воздух.
Почему у лёгкого тела при взаимодействии ускорение больше, чем у тяжёлого?
Силы взаимодействия двух тел равны, но ускорение определяется формулой a = F/m. При одинаковой силе меньшая масса даёт большее ускорение.
2. Примеры применения третьего закона Ньютона
