ТРЕТИЙ ЗАКОН НЬЮТОНА: ПРИЛОЖЕНИЯ, ЭКСПЕРИМЕНТЫ И УПРАЖНЕНИЯ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2026

Третий закон Ньютона , называемый также действие и реакция закона гласит , что , когда объект прикладывает усилие на другой, последний также оказывает на первой силой , равной по величине и направлению и в направлении , противоположном.

Исаак Ньютон изложил свои три закона в 1686 году в своей книге «Математические принципы естественной философии».

Необходимую тягу космическая ракета получает за счет выбрасываемых газов. Источник: Pixabay.

Объяснение и формулы

Математическая формулировка третьего закона Ньютона очень проста:

F ₁₂ = - F ₂₁

Одна из сил называется действием, а другая - противодействием. Однако необходимо подчеркнуть важность этой детали: оба действуют на разные предметы. Они также делают это одновременно, хотя эта терминология неверно предполагает, что действие происходит до, а реакция - после.

Поскольку силы являются векторами, они выделены жирным шрифтом. Это уравнение показывает, что у нас есть два объекта: объект 1 и объект 2. Сила F ₁₂ - это сила, прилагаемая объектом 1 к объекту 2. Сила F ₂₁ действует объектом 2 на объект 1. И знак (-) означает, что они противоположны.

Тщательно соблюдая третий закон Ньютона, можно увидеть важное различие с первыми двумя: в то время как они ссылаются на один объект, третий закон относится к двум различным объектам.

И если хорошенько подумать, для взаимодействия нужны пары объектов.

Вот почему силы действия и противодействия не компенсируют друг друга и не уравновешиваются, хотя они имеют одинаковую величину и направление, но противоположное направление: они приложены к разным телам.

Приложения

Взаимодействие шара с землей

Вот очень повседневное применение взаимодействия, связанного с третьим законом Ньютона: вертикально падающий шар и Земля. Мяч падает на землю, потому что Земля проявляет силу притяжения, известную как гравитация. Эта сила заставляет мяч падать с постоянным ускорением 9,8 м / с ² .

Однако вряд ли кто-то задумывается о том, что шар также оказывает на Землю силу притяжения. Конечно, Земля остается неизменной, потому что ее масса намного больше, чем у шара, и поэтому она испытывает незначительное ускорение.

Еще один примечательный момент в третьем законе Ньютона заключается в том, что контакт между двумя взаимодействующими объектами не нужен. Из только что приведенного примера видно: шар еще не соприкоснулся с Землей, но, тем не менее, имеет свое притяжение. И мяч на Земле тоже.

Такая сила, как гравитация, которая действует нечетко независимо от того, есть ли контакт между объектами или нет, называется «силой действия на расстоянии». С другой стороны, силы, такие как трение и нормаль, требуют, чтобы взаимодействующие объекты находились в контакте, поэтому они называются «контактными силами».

Формулы взяты из примера

Возвращаясь к паре объектов шар - Земля, выбирая индексы P для шара и T для земли и применяя второй закон Ньютона к каждому участнику этой системы, получаем:

_{В результате} F = m. к

Третий закон гласит, что:

m _P a _P = - m _T a _T

a _P = 9,8 м / с ^2, направленное вертикально вниз. Поскольку это движение происходит в вертикальном направлении, можно обойтись без векторных обозначений (жирным шрифтом); и выбрав направление вверх как положительное, а направление вниз как отрицательное, мы имеем:

а _P = 9,8 м / с ²

м _T ≈ 6 x 10 ²⁴ кг

Независимо от массы шара ускорение Земли равно нулю. Вот почему наблюдается, что мяч падает на Землю, а не наоборот.

Работа ракеты

Ракеты - хороший пример применения третьего закона Ньютона. Ракета, показанная на изображении в начале, поднимается благодаря движению горячих газов на высокой скорости.

Многие считают, что это происходит из-за того, что эти газы каким-то образом «опираются» на атмосферу или землю, чтобы поддерживать и приводить в движение ракету. Так не работает.

Подобно тому, как ракета воздействует на газы и выталкивает их назад, газы оказывают на ракету силу, имеющую тот же модуль, но в противоположном направлении. Эта сила и дает ракете ускорение вверх.

Если у вас нет такой ракеты под рукой, есть другие способы проверить, работает ли Третий закон Ньютона для обеспечения движения. Могут быть построены водные ракеты, в которых необходимая тяга обеспечивается водой, выталкиваемой с помощью газа под давлением.

Стоит отметить, что запуск водяной ракеты требует времени и мер предосторожности.

Использование коньков

Более доступный и быстрый способ проверить действие Третьего закона Ньютона - это надеть коньки и прижаться к стене.

В большинстве случаев способность прикладывать силу связана с объектами, которые находятся в движении, но правда в том, что неподвижные объекты также могут проявлять силы. Фигуриста отталкивает назад благодаря силе, которая действует на него неподвижной стенкой.

Соприкасающиеся поверхности создают (нормальные) контактные силы друг с другом. Когда книга лежит на горизонтальном столе, она оказывает на нее вертикальную силу, называемую нормальным. Книга оказывает на стол вертикальную силу того же числового значения и противоположного направления.

Эксперимент для детей: фигуристы

Дети и взрослые могут легко испытать третий закон Ньютона и убедиться, что силы действия и противодействия не компенсируются и способны обеспечивать движения.

Два фигуриста на льду или на очень гладкой поверхности могут толкать друг друга и совершать движения в противоположном направлении, независимо от того, имеют они одинаковую массу или нет, благодаря закону действия и противодействия.

Рассмотрим двух фигуристов с совершенно разными массами. Они находятся посреди катка с незначительным трением и изначально находятся в состоянии покоя. В определенный момент они толкают друг друга, прикладывая постоянную силу ладонями рук. Как они оба будут двигаться?

Два фигуриста гоняют друг друга посреди катка. Источник: Бенджамин Кроуэлл (пользователь Википедии bcrowell)

Важно отметить, что, поскольку это поверхность без трения, единственными неуравновешенными силами являются силы, которые фигуристы прикладывают друг к другу. Хотя вес и нормальный ход действуют на оба, эти силы уравновешивают, иначе фигуристы будут ускоряться в вертикальном направлении.

Формулы, применяемые в этом примере

Третий закон Ньютона гласит:

F ₁₂ = - F ₂₁

То есть сила, прилагаемая фигуристом 1 к 2, по величине равна силе, прилагаемой 2 к 1, в том же направлении и в противоположном направлении. Обратите внимание, что эти силы применяются к разным объектам таким же образом, как силы применялись к шару и Земле в предыдущем концептуальном примере.

м ₁ до ₁ = -м ₂ до ₂

Поскольку силы противоположны, вызываемые ими ускорения также будут противоположными, но их величины будут разными, поскольку каждый фигурист имеет разную массу. Посмотрим на ускорение, полученное первым фигуристом:

Итак, движение, которое происходит дальше, - это разделение обоих фигуристов в противоположных направлениях. В принципе, фигуристы отдыхали посреди трассы. Каждый прикладывает силу друг к другу, которая обеспечивает ускорение до тех пор, пока руки находятся в контакте и длится толчок.

После этого фигуристы удаляются друг от друга равномерным прямолинейным движением, так как неуравновешенные силы перестают действовать. Скорость каждого фигуриста будет разной, если и их масса.

Упражнение решено

Для решения задач, в которых должны применяться законы Ньютона, необходимо тщательно рисовать силы, действующие на объект. Этот рисунок называется «диаграммой свободного тела» или «диаграммой изолированного тела». Силы, прилагаемые телом к ​​другим объектам, не должны отображаться на этой диаграмме.

Если в проблеме задействовано более одного объекта, необходимо нарисовать диаграмму свободного тела для каждого из объектов, помня, что пары действие-реакция действуют на разные тела.

а) Ускорение, которое каждый фигурист приобретает благодаря толчку.

б) Скорость каждого из них, когда они разделяются

Решение

а) Возьмите положительное горизонтальное направление слева направо. Применяя второй закон Ньютона к значениям, указанным в утверждении, мы имеем:

F ₂₁ = м ₁ к ₁

Отсюда:

Для второго фигуриста:

б) Кинематические уравнения равноускоренного прямолинейного движения используются для вычисления скорости, которую они несут, так же, как они разделяются:

Начальная скорость равна 0, поскольку они покоились в середине трека:

v _f = при

v _f1 = a ₁ t = -4 м / с ² . 0,40 с = -1,6 м / с

v _f2 = a ₂ t = +2,5 м / с ² . 0,40 с = +1 м / с

Полученные результаты

Как и ожидалось, человек 1, который легче, приобретает большее ускорение и, следовательно, большую скорость. Теперь обратите внимание на следующее о произведении массы и скорости каждого фигуриста:

м ₁ v ₁ = 50 кг. (-1,6 м / с) = - 80 кг · м / с

м ₂ v ₂ = 80 кг. 1 м / с = +80 кг.м / с

Сумма обоих произведений равна 0. Произведение массы и скорости называется импульсом P. Это вектор с тем же направлением и ощущением скорости. Когда фигуристы были в покое и их руки соприкасались, можно было предположить, что они образовали один и тот же объект, импульс которого был:

P _o = (m ₁ + m ₂ ) v _o = 0

После того, как толчок завершен, количество движений коньковой системы остается равным нулю. Следовательно, количество движений сохраняется.

Примеры третьего закона Ньютона в повседневной жизни

Ходить

Ходьба - одно из самых повседневных действий, которые можно выполнять. При внимательном наблюдении ходьба требует отталкивания ступни о землю, чтобы она возвращала равную и противоположную силу на ступню ходунка.

Когда мы идем, мы постоянно применяем третий закон Ньютона. Источник: Pixabay.

Именно эта сила позволяет людям ходить. В полете птицы воздействуют на воздух, и воздух толкает крылья, так что птица движется вперед.

Движение автомобиля

В автомобиле колеса действуют на асфальт. Благодаря реакции дорожного покрытия он воздействует на шины, толкая автомобиль вперед.

Спорт

В спорте силы действия и противодействия многочисленны и принимают очень активное участие.

Например, давайте посмотрим, как спортсмен опирается ногой на стартовый блок. Блок обеспечивает нормальную силу в ответ на толчок, который оказывает на него спортсмен. В результате этого нормального веса и веса бегуна возникает горизонтальная сила, которая позволяет атлету продвигаться вперед.

Атлет использует стартовый блок, чтобы добавить импульс вперед на старте. Источник: Pixabay.

Пожарные шланги

Другой пример, в котором присутствует третий закон Ньютона, - пожарные с пожарными рукавами. На конце этих больших шлангов есть ручка на сопле, которую пожарный должен удерживать при выходе струи воды, чтобы избежать отдачи, которая возникает, когда вода устремляется наружу.

По той же причине удобно привязать лодки к причалу, прежде чем покинуть их, потому что, когда их толкают, чтобы добраться до дока, к лодке прилагается сила, которая отодвигает ее от нее.

Ссылки

1. Джанколи, Д. 2006. Физика: принципы с приложениями. Издание шестое. Прентис Холл. 80 - 82.
2. Рекс, А. 2011. Основы физики. Пирсон. 73 - 75.
3. Типлер, П. 2010. Физика. Том 1. Издание 5-е. От редакции Reverté. 94 - 95.
4. Стерн, Д. 2002. От астрономов до космических кораблей. Взято с: pwg.gsfc.nasa.gov.