"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 тел: если одно тело действует на другое, второе одновременно действует на первое. Эти силы равны по модулю, противоположны по направлению и приложены к разным телам. Закон помогает объяснить ходьбу, отдачу при выстреле, отталкивание лодки, удары и движение тел при столкновениях. Главное — правильно определить пару сил и не складывать силы, действующие на разные тела.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Взаимодействие тел — взаимное действие тел друг на друга, при котором каждое тело действует на другое с силой. Например, стол действует на книгу, а книга действует на стол. Это понятие нужно, чтобы рассматривать силы не по отдельности, а как результат связи двух тел.
Третий закон Ньютона утверждает: силы взаимодействия двух тел равны по модулю, противоположны по направлению и приложены к разным телам. Закон показывает, почему действие одного тела никогда не бывает односторонним. Он применяется при анализе движения и столкновений.
Сила действия и сила противодействия — две силы, возникающие при одном взаимодействии и образующие пару сил. Одна сила действует на первое тело, другая — на второе. Такое название помогает не перепутать силы этой пары с другими силами, действующими на тела.
Пара сил взаимодействия — силы, связанные одной причиной взаимодействия двух тел. Например, притяжение книги Землёй и притяжение Земли книгой составляют одну пару. Для поиска пары нужно спросить, какие два тела взаимодействуют и какая сила действует на каждое из них.
Взаимодействие всегда взаимно, потому что тела не могут обмениваться действием только в одну сторону. Если рука толкает стену, стена одновременно толкает руку. Причина этих сил одна — контакт руки со стеной, поэтому силы появляются одновременно.
Векторная форма третьего закона записывается так: F₁₂ = −F₂₁. Первый индекс показывает тело, на которое действует сила, а второй — тело, создающее эту силу: F₁₂ действует на второе тело со стороны первого. Знак «−» означает равные модули и противоположные направления векторов.
Силы пары равны по модулю, потому что взаимодействие между телами одно и то же, а противоположны по направлению, поскольку каждое тело действует в сторону, обратную действию другого. При этом силы приложены к разным телам: одна — к первому, другая — ко второму. Поэтому нельзя изображать их двумя стрелками на одном теле.
Силы действия и противодействия не компенсируют друг друга при движении одного тела. Для сложения сил сначала выбирают тело и складывают только силы, приложенные к нему. Например, при падении книги сила тяжести действует на книгу, а сила, с которой книга притягивает Землю, действует на Землю.
При ходьбе человек толкает землю назад, а земля действует на его стопу вперёд. При отталкивании человек и лодка получают противоположно направленные скорости; при выстреле оружие движется назад, а пуля — вперёд. При ударе тела действуют друг на друга равными силами, а во взаимодействии Земли с телом сила тяжести тела и сила притяжения Земли телом образуют пару.
| Свойство | Сила действия | Сила противодействия |
|---|---|---|
| На какое тело действует | На второе тело | На первое тело |
| Модуль | Равен модулю силы противодействия | Равен модулю силы действия |
| Направление | Противоположно направлению силы противодействия | Противоположно направлению силы действия |
| Природа | Имеет ту же физическую природу, что и сила противодействия | Имеет ту же физическую природу, что и сила действия |
| Точка приложения | На одном из взаимодействующих тел | На другом взаимодействующем теле |
Таблицу удобно использовать после того, как названы два взаимодействующих тела. Сначала определите, на какое тело действует выбранная сила, затем найдите силу на другом теле с тем же модулем и противоположным направлением. Совпадение физической природы подтверждает, что силы действительно образуют пару.
Условие. Книга лежит на столе. Нужно назвать пары сил взаимодействия. Рассматриваем силы тяжести и контакт книги со столом.
Ответ: пары таковы: сила тяжести книги и сила притяжения Земли книгой; сила реакции стола и сила давления книги на стол.
Условие. Человек массой 60 кг отталкивается от лодки массой 240 кг с силой 120 Н. Сопротивлением воды пренебрегаем, нужно найти ускорения тел.
Ответ: ускорение человека равно 2 м/с², лодки — 0,5 м/с²; тела движутся в разные стороны.
Условие. Бруски массами 2 кг и 3 кг лежат на гладкой поверхности и движутся вместе под действием силы 10 Н. Нужно найти ускорение системы и силу взаимодействия между брусками.
Ответ: ускорение брусков равно 2 м/с², сила взаимодействия — 6 Н.
Силы действия и противодействия складывают и считают, что они уничтожаются. Так делают, потому что силы равны и направлены в разные стороны, но забывают о разных телах приложения. Проверьте себя: если силы записаны в уравнении движения одного тела, это не должна быть пара Ньютона.
Считают, что большей является сила более массивного или движущегося тела. Ошибка возникает из-за смешения силы с ускорением: при одинаковой силе меньшая масса получает большее ускорение. Проверьте вывод по формуле F₁₂ = −F₂₁.
Любую противоположно направленную силу называют противодействием. Противоположное направление само по себе недостаточно, поскольку силы могут иметь разные причины. Нужно установить одну пару тел и одну физическую природу взаимодействия.
Обе силы пары приписывают одному телу. Это происходит, когда рассматривают только направление стрелок, а не их точки приложения. Проверьте схему: одна сила должна быть на первом теле, другая — на втором.
Для изучения закона нужны понятия силы, взаимодействия тел и векторной величины. Второй закон Ньютона связывает силу с ускорением формулой a = F/m. Поэтому после нахождения сил пары можно вычислить ускорение каждого тела.
Третий закон объясняет ходьбу, отдачу оружия, реактивное движение и плавание. Во всех этих случаях тела получают противоположно направленные действия. При столкновениях закон помогает понять, почему силы равны, хотя изменения скоростей могут быть разными.
Дальше закон используют в задачах на системы тел и реакции опор. Он помогает правильно разделять силы, действующие на каждое тело. Особенно полезен этот подход при анализе связанных тел и контакта нескольких тел.
Почему силы действия и противодействия не сокращают друг друга?
Они не сокращают друг друга, потому что приложены к разным телам. Складывать можно только силы, действующие на одно и то же тело.
Может ли одна из сил пары быть больше другой?
Нет, модули сил действия и противодействия всегда равны. Различаться могут ускорения тел, если их массы неодинаковы.
Как найти силу противодействия, если известна сила действия?
Её модуль равен модулю известной силы, а направление противоположно. Например, если сила действия равна 40 Н вправо, сила противодействия равна 40 Н влево.
Почему при столкновении легкового автомобиля с грузовиком силы одинаковы, но последствия различаются?
Автомобили действуют друг на друга силами одинакового модуля. Но ускорение зависит от массы: у более лёгкого автомобиля оно обычно больше, поэтому его скорость изменяется сильнее.
Какие силы образуют пару при ходьбе человека?
Стопа толкает землю назад, а земля действует на стопу силой трения вперёд. Эти силы равны по модулю, противоположны и приложены соответственно к земле и человеку.
§ 8. Третий закон Ньютона
