Legile lui Newton. Legea a doua a lui Newton. Legile lui Newton - formularea

Studiul fenomenelor naturii pe baza experimentului este posibil numai dacă se observă toate etapele: observarea, ipoteza, experimentul, teoria. Observarea va permite identificarea și compararea faptelor, iar ipoteza face posibilă prezentarea unei explicații științifice detaliate care necesită confirmarea experimentală. Observarea mișcării corpurilor a dus la o concluzie interesantă: schimbarea vitezei corpului este posibilă numai sub acțiunea unui alt corp.

De exemplu, dacă alerga repede pe scări, trebuie doar să se întoarcă pentru a apuca balustrada (schimbare de direcție) sau întrerupe (magnitudinea schimbării vitezei), astfel încât să nu pentru a rula în peretele opus.

Observațiile asupra unor fenomene similare au condus la crearea unei secțiuni de fizică care studiază cauzele schimbărilor în viteza corpurilor sau deformarea lor.

Fundamentele dinamicii

Pentru a răspunde la întrebarea sacramentală despre motivul pentru care corpul fizic se mișcă într-un fel sau altul sau este în repaus, este nevoie de dinamică.

Să ne gândim la starea de odihnă. Continuând de la concept relativitatea mișcării, putem concluziona: nu există și niciun corp fixat. Orice obiect, fiind imobil față de un corp de referință, se mișcă relativ la celălalt. De exemplu, o carte situată pe o masă este nemișcată în raport cu o masă, dar dacă ne uităm la poziția sa față de o persoană care trece, atunci facem o concluzie firească: cartea se mișcă.

Prin urmare, legile mișcării corpurilor sunt considerate în cadre inerțiale de referință. Ce este?

Un cadru inerțial este un cadru de referință în care corpul este în repaus sau execută o uniformă și mișcare rectilinie Dacă nu există efecte asupra lui de alte obiecte sau obiecte.

În exemplul de mai sus, cadrul de referință asociat tabelului poate fi numit inerțial. O persoană care se deplasează uniform și rectiliniu poate servi drept cadru de referință al ISO. Dacă mișcarea este accelerată, atunci este imposibil să asociați un CO inerțial cu acesta.

De fapt, un astfel de sistem poate fi corelat cu corpuri fixate rigid pe suprafața Pământului. Cu toate acestea, planeta însăși nu poate servi ca cadru de referință pentru ISO, deoarece se rotește uniform în jurul axei proprii. Corpurile de pe suprafață au o accelerație centripetală.

Ce este inerția?

Fenomenul de inerție este direct legat de ISO. Amintiți-vă ce se întâmplă dacă o mașină în mișcare se oprește brusc? Pasagerii sunt pe cale de dispariție pe măsură ce își continuă mișcarea. Opriți-l poate fi așezat în față sau centurile de siguranță. Explicați acest proces prin inerția pasagerului. Este așa?

Inerția este un fenomen care presupune păstrarea unei viteze constante a corpului în absența impactului altor corpuri asupra acestuia. Pasagerul este sub influența curelelor sau fotoliilor. Fenomenul de inerție nu este observat aici.

Explicația se află în proprietatea corpului și, potrivit lui, este imposibil să se schimbe rapid viteza unui obiect. Aceasta este inerția. De exemplu, inerția mercurului într-un termometru vă permite să coborâți coloana dacă agităm termometrul.

O măsură de inerție se numește greutate corporală. Atunci când interacționează, viteza se schimbă mai rapid pentru corpurile cu o masă mai mică. Coliziunea unei mașini cu un zid de beton pentru aceasta din urmă are loc practic fără urme. Mașina se confruntă cel mai adesea cu schimbări ireversibile: viteza se schimbă, există o deformare semnificativă. Se pare că inerția peretelui din beton depășește în mod semnificativ inerția mașinii.

Este posibil să se întâlnească fenomenul de inerție în natură? Condiția în care corpul este fără interdependență cu alte corpuri este spațiul adânc în care nava spațială se mișcă cu motoarele oprite. Dar chiar și în acest caz este prezent momentul gravitațional.

Valori de bază

Studiul dinamicii la nivel experimental presupune efectuarea de experimente cu măsurători ale cantităților fizice. Cele mai interesante sunt:

• accelerația ca măsură a vitezei de schimbare a vitezei corpurilor, o desemnează cu litera a, măsură în m / s²;
• masa ca măsură de inerție - notată cu litera m, măsurată în kg;
• forța ca măsură a acțiunii reciproce a corpurilor, este de obicei indicată prin litera F, măsurată în H (newtons).

Relația acestor cantități este stabilită în trei legi, derivate de la cel mai mare fizician englez. Legile lui Newton sunt concepute pentru a explica complexitatea interacțiunii diferitelor corpuri. Și, de asemenea, procesele care le controlează. Este vorba despre noțiunile de "accelerare", "forță", "masă" ale lui Newton care sunt legate de relațiile matematice. Să încercăm să ne dăm seama ce înseamnă.

Acțiunea unei singure forțe este un fenomen excepțional. De exemplu, un satelit artificial care se deplasează pe orbită în jurul Pământului se află sub acțiunea numai a forței de atracție.

rezultantă

Acțiunea mai multor forțe poate fi înlocuită de o singură forță.

Suma geometrică a forțelor care acționează asupra corpului se numește rezultatul.

Aceasta este doar suma geometrică, deoarece forța este o cantitate vectorică care depinde nu numai de punctul de aplicare, ci și de direcția de acțiune.

De exemplu, dacă aveți nevoie să mutați un dulap destul de mare, puteți invita prieteni. Împreună, rezultatul dorit este atins. Dar poți invita doar o persoană foarte puternică. Efortul lui este egal cu acțiunea tuturor prietenilor. Forța aplicată de erou poate fi numită rezultatul.

Legile mișcării lui Newton sunt formulate pe baza conceptului de "rezultat".

Legea inerției

Începeți să studiați legile lui Newton din cel mai frecvent fenomen. Prima lege este de obicei numită legea inerției, deoarece stabilește cauzele unei mișcări rectilinii uniforme sau a stării de odihnă a corpurilor.

Corpul se mișcă uniform și rectiliniu sau se odihnește, dacă nici o forță nu acționează asupra acestuia, sau această acțiune este compensată.

Se poate argumenta că rezultatul în acest caz este zero. În această stare există, de exemplu, o mașină care se deplasează cu viteză constantă pe o porțiune dreaptă a drumului. Acțiunea forței de atracție este compensată de forța de reacție a suportului, iar forța motorului este modulo egală cu forța de rezistență la mișcare.

Candelabra de pe tavan se odihnește, deoarece forța gravitațională este compensată de tensiunea de fixare a acesteia.

Compensate pot fi doar acele forțe care sunt atașate unui singur corp.

Legea a doua a lui Newton

Mergem mai departe. Cauzele care provoacă o schimbare a vitezei corpurilor, consideră a doua lege a lui Newton. Despre ce vorbește?

Forța egală care acționează asupra corpului este definită ca fiind produsul masei corporale de accelerația dobândită sub acțiunea forțelor.

Legea lui Newton (formula: F = ma), din păcate, nu stabilește o relație de cauzalitate între conceptele de bază ale cinematicii și dinamică. El nu poate spune cu precizie care este cauza apariției accelerației corpurilor.

Formulazăm diferit: accelerația primită de organism este direct proporțională cu forța rezultantă și invers proporțională cu masa corpului.

Astfel, se poate constata că schimbarea vitezei apare numai în raport cu forța aplicată asupra ei și cu masa corpului.

Legea lui Newton, a cărei formulă poate fi și ea: a = F / m, este considerată a fi fundamentală în forma vectorială, deoarece face posibilă stabilirea unei legături între secțiunile fizicii. Aici, a este vectorul de accelerare a corpului, F este rezultatul forțelor, m este masa corpului.

Accelerarea vehiculului este posibilă dacă forța de tracțiune a motoarelor depășește rezistența la mișcare. Pe măsură ce forța de tracțiune crește, la fel și accelerația. Camioanele sunt livrate cu motoare de mare putere, deoarece masa lor este mult mai mare decât masa autoturismului.

Autoturismele create pentru cursele de mare viteză sunt facilitate astfel încât să fixeze minimul de detalii necesare, iar puterea motorului crește până la limitele posibile. Una dintre cele mai importante caracteristici ale mașinilor sport este timpul de accelerare de până la 100 km / h. Cu cât acest interval de timp este mai mic, cu atât sunt mai bune caracteristicile de viteză ale mașinii.

Legea interacțiunii

Legile lui Newton, bazate pe forțele naturii, susțin că orice interacțiune este însoțită de apariția unei perechi de forțe. Dacă mingea se blochează pe fir, atunci testează efectul. Firele sunt de asemenea întinse sub acțiunea mingii.

Completează legile formulării Newton din a treia lege. Pe scurt, sună astfel: acțiunea este egală cu contracararea. Ce înseamnă asta?

Forțele cu care corpurile acționează una asupra celeilalte sunt egale în magnitudine, opuse în direcție și orientate de-a lungul liniei care leagă centrele corpurilor. Este interesant faptul că nu pot fi compensați, deoarece acționează pe diferite organisme.

Aplicarea legilor

Saracia faimoasa a "calului si cartului" poate prezenta un impas. Calul, adus la vagon, îl îndepărtează de la locul său. Conform celei de-a treia legi a lui Newton, aceste două obiecte acționează reciproc cu forțe egale, dar în practică calul poate mișca căruciorul, care nu se încadrează în baza regularității.

Soluția poate fi găsită dacă luăm în considerare faptul că acest sistem de corpuri nu este închis. Drumul are efect asupra ambelor corpuri. Forța de frecare a odihnei, acționând asupra copitelor calului, depășește în valoare forța de frecare a roților de rulare a căruciorului. La urma urmei, momentul mișcării începe cu o încercare de a mișca vagonul. Dacă situația se schimbă, calul nu o va muta în nici un caz. Bobinele lui vor aluneca de-a lungul drumului și nu va mai exista mișcare.

Ca un copil, patinaj reciproc pe o sanie, toata lumea se putea confrunta cu un astfel de exemplu. Dacă doi sau trei copii stau pe sanie, atunci efortul unuia nu este suficient pentru a le muta.

Căderea corpurilor de pe suprafața pământului, explicată de Aristotel ("Fiecare organism își cunoaște locul"), poate fi respinsă pe baza celor de mai sus. Obiectul se mișcă la sol sub acțiunea aceleiași forțe ca și Pământul. După compararea parametrilor acestora (masa Pamantului mult mai multă greutate corporală), conform celei de-a doua legi a lui Newton, afirmăm că accelerația unui obiect este la fel de mare ca accelerarea Pământului. Observăm exact schimbarea vitezei corpului, Pământul nu se deplasează de pe orbită.

Limite de aplicabilitate

Fizica modernă Legile lui Newton nu neagă, ci doar stabilește limitele aplicabilității lor. Până la începutul secolului al XX-lea fizicienii nu se îndoiau că aceste legi explică toate fenomenele naturii.

1, 2, 3 Legea lui Newton dezvăluie pe deplin cauzele comportamentului corpurilor macroscopice. Mișcarea obiectelor cu viteze nesemnificative este descrisă complet de aceste postulate.

O încercare de a explica pe baza lor mișcarea corpurilor cu viteze apropiate viteza luminii, este sortită eșecului. O schimbare completă a proprietăților spațiului și timpului la aceste viteze nu permite utilizarea dinamicii lui Newton. În plus, legile își schimbă apariția în JI neinerțial. Pentru aplicarea lor, se introduce conceptul de forță de inerție.

Explicați mișcarea corpurilor astronomice, regulile locației și interacțiunii lor pot fi legile lui Newton. Legea gravitației universale este introdusă în acest scop. Este imposibil să vedem rezultatul atragerii de corpuri mici, deoarece puterea este scăzută.

Interesul reciproc

Legenda Cunoscut potrivit căreia dl Newton, care a fost așezat în grădină și există un declin de mere, a vizitat o idee genială: pentru a explica mișcarea obiectelor din apropierea suprafeței și mișcarea Pământului corpuri de spațiu pe baza atracției reciproce. Acest lucru nu este atât de departe de adevăr. Observarea și calcule precise în cauză nu numai căderea de mere, dar, de asemenea, muta luna. Legile acestei mișcări conduce la concluzia că forța crește atracția cu organele de masă și care interacționează scade odată cu creșterea distanței dintre ele.

Bazându-se pe legile a doua și a treia a lui Newton, legea gravitației universale este formulată după cum urmează: toate corpurile din univers sunt atrase unul de altul cu o forță îndreptată de-a lungul liniei care leagă centrele corpurilor, proporțională cu masele corpurilor și invers proporțională cu pătratul distanței dintre centrele corpurilor.

Notatia matematica: F = GMm / r², unde F este forța atractivă, M, m sunt masele de corpuri interacționate, r este distanța dintre ele. Coeficientul de proporționalitate (G = 6,62 x 10^-11 nm²/ kg²) a fost numită constanta gravitațională.

Sensul fizic: această constantă este egală cu forța de atracție dintre două corpuri de 1 kg de masă la o distanță de 1 m. Este clar că pentru corpurile de mase mici forța este atât de nesemnificativă încât poate fi neglijată. Pentru planete, stele, galaxii, forța de atracție este atât de enormă încât determină complet mișcarea lor.

Legea atragerii lui Newton susține că lansarea de rachete necesită combustibil care poate crea o forță reactivă pentru a depăși influența Pământului. Viteza necesară pentru aceasta este prima viteză spațială, egală cu 8 km / s.

Tehnologia modernă a rachetelor de producție permite lansarea unor stații fără pilot ca sateliți artificiali ai Soarelui către alte planete pentru a le investiga. Viteza dezvoltată de un astfel de dispozitiv este a doua viteza spațiului, egală cu 11 km / s.

Algoritmul aplicării legilor

Rezolvarea problemelor dinamicii se supune unei anumite secvențe de acțiuni:

• Efectuați o analiză a problemei, identificați datele, tipul de mișcare.
• Efectuați o cifră care să indice toate forțele care acționează asupra corpului și direcția accelerației (dacă este disponibilă). Selectați sistemul de coordonate.
• Notați prima sau a doua lege, în funcție de prezența accelerației corpului, sub formă vectorică. Luați în considerare toate forțele (forța rezultantă, legile lui Newton: în primul rând, dacă viteza corpului nu se schimbă, a doua, dacă există accelerare).
• Ecuația este rescrisă în proiecții la axele de coordonate selectate.
• Dacă sistemul de ecuații care rezultă nu este suficient, atunci scrieți alta: definiția forțelor, ecuațiile cinematice etc.
• Rezolvați sistemul de ecuații cu privire la cantitatea necunoscută.
• Efectuați un test dimensional pentru a determina corectitudinea formulei rezultate.
• Calculați.

De obicei, aceste acțiuni sunt suficiente pentru a rezolva orice problemă standard.