Силы, законы Ньютона

|

Физика

Принципы классической механики формировались в течение длительного времени. Многие века ученые пытались выяснить законы движения материальных тел. И только Ньютон обобщил все накопленные к тому времени знания о движении физических тел. В 1687 г. им была опубликована работа «Математические начала натуральной философии».
В этой работе Ньютон систематизировал все знания о движении и силе, подготовленные до него Галилеем, Гюйгенсом и другими учёными, а также знания, известные ему самому. Ньютон сформулировал 3 основных закона движения тел:

— В отсутствие внешних силовых воздействий тело будет продолжать равномерно двигаться по прямой.
— Ускорение движущегося тела пропорционально сумме приложенных к нему сил и обратно пропорционально его массе.
— Всякому действию сопоставлено равное по силе и обратное по направлению противодействие.
Содержание
Роман Корсиков
Курирую урок, все предложения пишите в комментариях под уроком или личным сообщением
Хотите делать уроки с нами?
Вводное тестирование
Проверь готовность к уроку
Начать тест
Система отсчета?
Да
Нет
Нет
Далее
Проверить
Показать результаты
Ускорение?
Да
Нет
Нет
Далее
Проверить
Показать результаты
Вектор
Да
Нет
Нет
Далее
Проверить
Показать результаты
Хм...
Ты еще не готов к этому уроку
Заново
Молодец
Начинай изучать урок
Заново
Отлично
Полный вперёд!
Заново

Что такое сила и какие силы бывают?

Из жизненного опыта мы знаем, что тела могут действовать друг на друга: футболист бьет мяч, Земля притягивает Луну, магнит притягивает металлические предметы и т.д. Мерой всех таких взаимодействий является сила.
Сила
Сила – это физическая величина, которая показывает как (насколько сильно) и в каком направлении одно тело действует на другое. Сила является векторной величиной, обозначается, как правило, буквой F . Независимо от природы силы, все они подчиняются законам Ньютона.
Типы сил
Все силы можно разделить на два основных типа: силы, действующие при непосредственном соприкосновении (например, сила трения, упругая сила деформации, сила Архимеда), и силы, которые действуют на расстоянии (сила гравитационного притяжения, сила Кулона).
Измерение силы
Можно, выбрав определенную пружину, отметить, при каких растяжениях она действует с силой, равной двойной, тройной и т. д. эталонной силе. Проградуированную таким образом пружину называют динамометром
Пример измерения силы
Сложение сил
Если на тело действует одновременно несколько сил, то их действие на тело можно заменить действием одной силы — равнодействующей. Равнодействующая сила вычисляется по правилу векторного сложения.
Пример сложения сил
Проверь себя
Какой буквой обозначается сила?
Далее
Проверить
Показать результаты
Вася и Петя тянут телегу в разные стороны с одинаковыми силами, равными 100 Н.
Найти равнодействующую их сил, если углы между каждой из них равны по 60˚
\[F_{r}=\sqrt{F_{Петя}^{2}+F_{Вася}^{2}+2F_{Петя}F_{Вася}cos60^{o}}=173H\]
Далее
Проверить
Показать результаты
Надо еще позаниматься
Заново
Молодец, двигайся дальше
Заново

Первый закон Ньютона — как движется тело под действием сил?

Наблюдения и опыт показывают, что тела начинают движение только при действии на них других тел.
Инерция
Например, бросаемый мяч приходит в движение под действием мышц руки. Ловя мяч, мы замедляем и останавливаем его, также действуя на него рукой.

Если же на тело никакие другие тела не действуют, то оно будет либо оставаться в покое относительно Земли, либо двигаться относительно нее равномерно и прямолинейно.

Указанное правило называют законом инерции, а движение при отсутствии действия на тело других тел называют движением по инерции.

Инерция - свойство тел сохранять свою скорость при отсутствии действия на них других тел. Этот закон, который впоследствии великий математик и физик Исаак Ньютон назвал первым законом движения тел, был впервые сформулирован Галилеем в ходе тщательных опытов по изучению движения тел.
Примеры проявления инерции: пассажиры автобуса движутся по инерции вперед при резком торможении, велосипедист по инерции вылетает вперед, если резко тормозит перед препятствием, спутник на орбите Земли движется по инерции, не расходуя топливо.
Формулировка Ньютона
В современной физике строгая формулировка первого закона Ньютона звучит так: существуют такие системы отсчета, называемые инерциальными, относительно которых тело при отсутствии на него внешних воздействий (или при их взаимной компенсации) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. Таким образом, первый закон Ньютона постулирует существование инерциальных систем отсчета - систем, для которых выполняется закон инерции.
Проще говоря, суть первого закона можно сформулировать так: если мы на абсолютно ровной дороге толкнем тележку и представим, что можно пренебречь силами трения колес и сопротивления воздуха, то она будет катиться с одинаковой скоростью бесконечно долго.
Неинерциальные системы
А вот в неинерциальных системах скорость тела может меняться без силы.

Например: представьте, что вы стоите в центре автобуса, равномерно едущего по ровной дороге. Находясь внутри, вы даже не чувствуете, что автобус едет. В какой-то момент автобус резко тормозит и вас «бросает» вперед, хотя не действует никакая сила. То есть вы начинаете двигаться относительно автобуса без всякой причины. В таком случае автобус — это пример неинерциальной системы отсчета.

Неинерциальные системы отсчета — это системы, которые двигаются с ускорением. В таких системах вводятся так называемые силы инерции, чтобы при расчетах также можно было пользоваться законами Ньютона.

Нашу Землю можно условно отнести к инерциальным системам отсчета, поскольку вращение Земли есть ни что иное, как движение с центростремительным ускорением. Но так как Земля вращается достаточно медленно, то и центростремительное ускорение получается небольшим.

С высокой степенью точности инерциальной является гелиоцентрическая система отсчета (или система Коперника), начало которой помещено в центр Солнца, а оси направлены на далекие звезды. Вообще всякая система отсчета, движущаяся относительно какой-либо инерциальной системы поступательно, равномерно и прямолинейно, также является инерциальной. Например, поезд, идущий с постоянной скоростью по прямому участку пути.

Первый закон постулирует существование инерциальных систем отсчета, но не говорит, какую из множества таких систем предпочтительней выбирать. Однако многочисленные опыты показывают, что все инерциальные системы отсчета являются равноправными.

Когда мы говорим о скорости какого-либо тела, мы обязательно должны указать, относительно какой инерциальной системы отсчета она измерена, так как в разных инерциальных системах эта скорость будет различна, хотя бы на тело и не действовали никакие другие тела. Ускорение же тела будет одним и тем же относительно всех инерциальных систем отсчета.
Проверь себя
Подводная лодка покоится в толще воды – какие силы на нее действуют?

Далее
Проверить
Показать результаты
Система отсчета жестко связана с лифтом. В каких из приведенных ниже случаев ее можно считать инерциальной?
Далее
Проверить
Показать результаты
Надо еще позаниматься
Заново
Молодец, двигайся дальше
Заново
Космонавты на космической станции демонстрируют первый закон Ньютона
Научно образовательных программа, снятая в Австралии каналом ABC в 1969 году. Ведущий программы Джулиус Семнер Миллер

Второй закон - связь силы с массой и ускорением

Повседневные наблюдения показывают, что ускорение, сообщаемое данному телу, тем больше, чем больше действующая на него сила.
Количественную связь между силой, действующей на тело, и приобретаемым ускорением определяет второй закон Ньютона.
Например, мяч получит тем большее ускорение, чем сильнее его ударят.

Рассмотрим следующий опыт. Возьмем два мячика: легкий шарик для пинг-понга и тяжелый железный шарик. Подействуем на них одинаковой силой. Более тяжелый шарик наберет небольшую скорость, то есть его ускорение будет небольшим. Легкий же шарик получит большую скорость.

Модуль ускорения можно рассчитать по формуле, где S – путь, t – время прохождения пути.
a=2St2
Если прикладывать различные силы и записывать полученные ускорения, то можно заметить, что отношение приложенной силе к ускорению постоянно для данного шарика. Это отношение называется массой.

Масса является мерой инертности тела, то есть показывает, насколько сильно тело сопротивляется изменению скорости
. Чем больше масса тела – тем труднее разогнать или остановить тело.

Итак, мы готовы к тому, чтобы записать второй закон Ньютона. Он звучит так: ускорение, которое получает тело, прямо пропорционально равнодействующей всех сил, действующих на тело, и обратно пропорционально массе тела:
F=m×a
Для того, чтобы производить расчеты на основании второго закона Ньютона, необходимо выбрать единицы силы и массы. В СИ единицей массы служит килограмм (кг), который представляет собой массу платино-иридиевого тела, хранящегося в Международном бюро мер и весов в Севре (близ Парижа). Это тело называется международным прототипом килограмма. Масса прототипа близка к массе 1 литра чистой воды при 4°С. Единицей силы в СИ является ньютон (Н), который равен силе, под действием которой тело массы один килограмм получает ускорение один метр на секунду в квадрате.
Проверь себя
Что такое масса?
Далее
Проверить
Показать результаты
Сила 60 Н сообщает телу ускорение 1,2 м/сек2.
Какая сила сообщит данному телу ускорение 2 м/сек2?
\[F = m*a \Rightarrow m= \frac{F}{a} =50 кг. F = m*a=50*2=100 Н.\]
Далее
Проверить
Показать результаты
Надо еще позаниматься
Заново
Молодец, двигайся дальше
Заново
Космонавты и школьники демонстрируют второй закон Ньютона
Научно образовательных программа, снятая в Австралии каналом ABC в 1969 году. Ведущий программы Джулиус Семнер Миллер

Третий закон или закон действия и противодействия

Силы всегда возникают не в одиночку, а по две сразу: если одно тело действует с некоторой силой на другое («действие»), то и второе тело действует с некоторой силой на первое («противодействие»).
При соударении двух бильярдных шаров изменяют свою скорость оба шара. Земля притягивает Луну (сила всемирного тяготения) и заставляет ее двигаться по криволинейной траектории; в-свою очередь Луна также притягивает Землю. Ускорение Земли, вызываемое этой силой, нельзя обнаружить непосредственно, оно проявляется в виде приливов.
Что же можно сказать о силах, возникающих при взаимодействии двух тел? Грубые измерения сил взаимодействия можно произвести на следующих опытах.
Возьмем два динамометра, зацепим друг за друга их крючки и, взявшись за кольца, будем растягивать их, следя за показаниями обоих динамометров (второй динамометр можно прикрепить к стене). Мы увидим, что при любых растяжениях показания обоих динамометров будут совпадать; значит, сила, с которой первый динамометр действует на второй, равна силе, с которой второй динамометр действует на первый.
Опыт с динамометрами
Опыты показывают, что если одно тело действует на другое с некоторой силой, то второе тело действует на первое с силой, равной по модулю и противоположной по направлению. При этом обе силы лежат на одной прямой. Это — закон равенства действия и противодействия, открытый Ньютоном и названный им третьим законом движения.

В жизни мы не раз сталкивались с примерами, иллюстрирующими этот закон.
Например, в известной игре «перетягивание каната» обе команды действуют друг на друга (через канат) с одинаковыми силами, как это следует из закона действия и противодействия. При этом, выиграет (перетянет канат) не та сторона, которая сильнее тянет, а та, которая сильнее упирается в Землю.

Как объяснить, что лошадь везет сани, если сани тянут лошадь назад с такой же по модулю силой, с какой лошадь тянет сани вперед?
Лошадь сдвинет и повезет нагруженные сани, потому что со стороны дороги на ее копыта действуют большие силы трения, чем на скользкие полозья саней
Почему эти силы не уравновешиваются? Дело в том, что, во-первых, хотя эти силы равны и прямо противоположны, они, приложены к разным телам, а во-вторых, и на сани и на лошадь действуют еще и силы со стороны дороги. Сила со стороны лошади приложена к саням, испытывающим, кроме этой силы, лишь небольшую силу трения полозьев о снег, поэтому сани начинают двигаться вперед. К лошади же, помимо силы со стороны саней, направленной назад, приложены со стороны дороги, в которую она упирается ногами, силы, направленные вперед и бóльшие, чем сила со стороны саней. Поэтому лошадь тоже начинает двигаться вперед. Если поставить лошадь на лед, то сила со стороны скользкого льда будет недостаточна, и лошадь не сдвинет сани. То же будет и с очень тяжело нагруженным возом, когда лошадь, даже упираясь ногами, не сможет создать достаточную силу, чтобы сдвинуть воз с места. На идеально скользкой поверхности, от которой нельзя «оттолкнуться», ни сани с лошадью, ни поезд, ни автомобиль не могли бы сдвинуться с места.

Третий закон Ньютона позволяет рассчитать явление отдачи при выстреле.

Установим на тележку модель пушки, действующую при помощи пара или при помощи пружины. Пусть вначале тележка покоится.
При нагревании пробирки, пробка вылетает в одну сторону, а тележка – в другую
При выстреле «снаряд» (пробка) вылетает в одну сторону, а пушка откатывается в другую. Откат пушки и есть результат отдачи. Отдача есть не что иное, как противодействие со стороны снаряда, действующее, согласно третьему закону Ньютона, на пушку. Таким образом, ускорения, получаемые пушкой и снарядом, направлены противоположно, а по модулю обратно пропорциональны массам этих тел. В результате снаряд и пушка приобретут противоположно направленные скорости, находящиеся в том же отношении.
Падение тел также строго подчиняется закону противодействия.
Яблоко падает на Землю оттого, что его притягивает земной шар; но точно с такой же силой и яблоко притягивает к себе всю нашу планету. Строго говоря, яблоко и Земля падают друг на друга, но скорость этого падения различна для яблока и для Земли. Равные силы взаимного притяжения сообщают яблоку ускорение свободного падения, а земному шару — во столько же раз меньшее, во сколько раз масса Земли превышает массу яблока. Конечно, масса земного шара в неимоверное число раз больше массы яблока, и потому Земля получает перемещение настолько ничтожное, что практически его можно считать равным нулю.
Проверь себя
О ветровое стекло движущегося автомобиля ударился комар.
Сравните силы, действующие на комара и автомобиль.
Далее
Проверить
Показать результаты
Почему лодка не двигается с места, когда человек, находящийся в ней, давит на борт, и приходит в движение, если человек выйдет из лодки и будет толкать ее с такой же силой?
В первом случае на борт и дно лодки действуют равные по модулю и противоположные по направлению силы, поэтому лодка не движется.

Во втором — только одна сила, так как вторая приложена к берегу.
Далее
Проверить
Показать результаты
Надо еще позаниматься
Заново
Молодец, двигайся дальше
Заново
Космонавты и школьники демонстрируют третий закон Ньютона
Научно образовательных программа, снятая в Австралии каналом ABC в 1969 году. Ведущий программы Джулиус Семнер Миллер

Резюме

По совокупности три закона Ньютона дали физикам инструменты, необходимые для описания всех явлений, происходящих в нашей Вселенной. И, невзирая на все колоссальные подвижки в науке, произошедшие со времен Ньютона, чтобы спроектировать новый автомобиль или отправить космический корабль на Луну, мы воспользуемся все теми же законами Ньютона.

Кратко о законах Ньютона

1
Тела действуют друг на друга силами, сила обозначается буквой F и измеряется в Ньютонах;
2
3-й закон Ньютона: тела действуют друг на друга с равными по величине и противоположными по направлению силами;
3
2-й закон Ньютона: под действием силы тело получает ускорение; масса является мерой инертности тела — она показывает, насколько "неохотно" тело набирает скорость, насколько меньшее ускорение получает тело под действием силы;
4
1-й закон Ньютона говорит о том, где (в каких случаях) работают два других закона Ньютона; они работают в инерциальных системах (системах, которые двигаются без ускорения); в таких системах, если на тело не действуют никакие силы или действие всех сил скомпенсировано, то тело не меняет направления и скорости своего движения или же находится в покое.
Выходное тестирование
Проверь как изучил урок
Начать тест
Хм...
Ты еще не готов к этому уроку
Заново
Молодец
Начинай изучать урок
Заново

Урок разработали

Можно копировать, распространять, улучшать, при условии указания авторства, ссылки на урок и сохранения данной лицензии у производного материала
Под свободной лицензией
CC-BY-SA-4.0
АВТОР
РЕДАКТУРА
ОФОРМЛЕНИЕ
ИСПОЛЬЗОВАЛИ
  • Г.С. Ландсберг Элементарный учебник физики, том 1.
  • Серия «Основательная подготовка к ЕГЭ за 50 недель.» Е.Н.Евлахова, Н.В. Бондаренко. Физика.
  • Сайты lampa.io, zaochnik.ru, physics.ru, Wikipedia.ru, elementy.ru.
  • Я.И. Перельман Занимательная механика
    Александра Деркачева

    Помогите улучшить

    Мы рады любой помощи по улучшению урока. Пишите комментарии с предложениями, отмечайте понятные или непонятные элементы урока.
    Made on
    Tilda