Законите на Нютон. Вторият закон на Нютон. Законите на Нютон - формулировката

Проучването на явленията на природата въз основа на експеримента е възможно само ако се наблюдават всички етапи: наблюдение, хипотеза, експеримент, теория. Наблюдението ще позволи да се идентифицират и сравнят фактите, хипотезата дава възможност да им се даде подробно научно обяснение, което изисква експериментално потвърждение. Наблюдението на движението на телата доведе до едно интересно заключение: промяната в скоростта на тялото е възможна само под действието на друго тяло.

Например, ако бързо изкачвате стълбите, просто трябва да хванете релсата (промяна на посоката) или да изключите (чрез смяна на скоростта), за да избегнете обърнатата срещу насрещната стена.

Наблюденията на подобни явления доведоха до създаването на част от физиката, която изучава причините за промените в скоростта на телата или тяхната деформация.

Основи на динамиката

За да отговори на въпроса за святата история, защо физическото тяло се движи по един или друг начин или е в покой, се изисква динамика.

Нека да разгледаме състоянието на почивка. Изхождайки от концепцията относителността на движението, можем да заключим: няма и няма никакви фиксирани тела. Всеки обект, който е неподвижен по отношение на едно референтно тяло, се движи спрямо другия. Например, една книга, която лежи на масата, е неподвижна по отношение на масата, но ако погледнем позицията й по отношение на преминаващ човек, ние правим естествено заключение: книгата се движи.

Следователно законите на движението на телата се разглеждат в инерционни рамки. Какво е това?

Една инерционна рамка е еталонна рамка, в която тялото е в покой или изпълнява униформа и праволинейно движение Ако няма никакви ефекти върху него на други предмети или предмети.

В горния пример референтната рамка, свързана с таблицата, може да се нарече инерционна. Човек, който се движи равномерно и праволинейно, може да служи като референтна рамка на ISO. Ако движението му се ускори, тогава е невъзможно да се свърже с него инерционен CO.

Всъщност такава система може да бъде корелирана с тела, фиксирани здраво на повърхността на Земята. Самата планета обаче не може да служи като еталонна рамка за ISO, тъй като тя се върти равномерно около собствената си ос. Телата на повърхността имат центробежно ускорение.

Какво е инерцията?

Феноменът на инерцията е пряко свързан с ISO. Спомнете си какво се случва, ако движещата се кола спира рязко? Пътниците са застрашени, тъй като продължават движението си. Спрете да се монтирате отпред или от предпазните колани. Обяснете този процес чрез инерцията на пътника. Това ли е така?

Инерцията е феномен, който предполага запазване на постоянна скорост на тялото при отсъствието на въздействието на други тела върху него. Пътникът е под влиянието на колани или фотьойли. Феноменът на инерцията не се наблюдава тук.

Обяснението е в собствеността на тялото и, според него, не е възможно да се промени скоростта на даден обект наведнъж. Това е инерция. Например, инертността на живака в термометъра ви позволява да спуснете колоната, ако разклатим термометъра.

Мярка за инерция се нарича телесно тегло. При взаимодействие скоростта се променя по-бързо при тела с по-малка маса. Сблъсъкът на кола с бетонна стена за последната става практически без следа. Колата най-често претърпява необратими промени: скоростта се променя, има значителна деформация. Оказва се, че инертността на бетонната стена значително надвишава инерцията на автомобила.

Възможно ли е да се срещне с явлението инерция в природата? Състоянието, при което тялото е без взаимосвързаност с други тела, е дълбокото пространство, в което космическият кораб се движи с изключените двигатели. Но дори в този случай е налице гравитационният момент.

Основни стойности

Проучването на динамиката на експериментално ниво предполага провеждането на експерименти с измервания на физични величини. Най-интересните са:

• ускорението като мярка за скоростта на промяна на скоростта на телата, обозначавано с буквата а, мярка в m / s²;
• маса като инерционна мярка - обозначена с буквата m, измерена в kg;
• сила като мярка за взаимното действие на телата, обикновено се обозначава с буквата F, измерена в Н (нови).

Връзката на тези количества е изложена в три закона, извлечени от най-великия английски физик. Законите на Нютон са предназначени да обяснят сложността на взаимодействието на различните тела. И също така процесите, които ги контролират. Това са понятията за "ускоряване", "сила", "масови" закони на Нютон, които са свързани с математическите взаимоотношения. Нека се опитаме да разберем какво означава това.

Действието на само една сила е изключителен феномен. Например изкуствен сателит, движещ се в орбита около Земята, е под действието само на силата на привличане.

Полученият

Действието на няколко сили може да бъде заменено от една сила.

Геометричната сума на силите, действащи върху тялото, се нарича резултата.

Това е само геометричната сума, тъй като силата е векторно количество, което зависи не само от точката на приложение, но и от посоката на действие.

Например, ако трябва да преместите доста голям кабинет, можете да поканите приятели. Заедно се постига желаният резултат. Но можете да поканите само един, много силен човек. Неговите усилия са равни на действието на всички приятели. Силата, приложена от героя, може да се нарече резултата.

Законите на движението на Нютон са формулирани въз основа на концепцията за "резултат".

Закон на инерцията

Започнете да изучавате законите на Нютон от най-често срещания феномен. Първият закон обикновено се нарича инерционен закон, тъй като той установява причините за еднородното праволинейно движение или състоянието на останалите тела.

Тялото се движи равномерно и праволинейно или почива, ако не действа сила върху него, или това действие се компенсира.

Може да се твърди, че резултатът в този случай е нула. В това състояние има например автомобил, който се движи с постоянна скорост в права част от пътя. Действието на силата на привличане се компенсира от реактивната сила на опората, а тягата на двигателя е модулно равна на силата на съпротивление при движение.

Полилеят на тавана стои, тъй като силата на гравитацията се компенсира от напрежението на нейните закопчалки.

Компенсираните могат да бъдат само тези сили, които са прикрепени към едно тяло.

Вторият закон на Нютон

Продължаваме. Причините, които причиняват промяна в скоростта на телата, разглеждат втория закон на Нютон. За какво говори?

Равната сила, действаща върху тялото, се определя като продукт на телесната маса от ускорението, получено при действието на силите.

2 Законът на Нютон (формула: F = ma), за съжаление, не установява причинно-следствена връзка между основни понятия за кинематиката и динамика. Той не може да заяви с прецизност каква е причината за появата на ускоряване на телата.

Ние формулираме различно: ускорението, получено от тялото, е пряко пропорционално на резултантната сила и обратно пропорционално на масата на тялото.

По този начин може да се установи, че промяната на скоростта възниква само във връзка със силата, приложена към нея, и масата на тялото.

2 Законът на Нютон, чиято формула може да бъде и: a = F / m, се счита за фундаментална във векторна форма, тъй като позволява да се установи връзка между секциите на физиката. Тук а е вектора на ускорение на тялото, F е резултата на силите, m е масата на тялото.

Ускореното движение на автомобила е възможно, ако теглителната сила на двигателите надвиши устойчивостта на движение. Тъй като теглителната сила се увеличава, ускорява се и това. Камионите се доставят с двигатели с голяма мощност, защото тяхната маса е много по-голяма от масата на пътническия автомобил.

Автомобилите, създадени за високоскоростни състезания, се улесняват по такъв начин, че да определят минимално необходимите детайли и мощността на двигателя да се увеличава до възможните ограничения. Една от най-важните характеристики на спортните автомобили е времето за ускорение до 100 км / ч. Колкото по-малък е този интервал от време, толкова по-добри са характеристиките на скоростта на автомобила.

Закон за взаимодействието

Законите на Нютон, основаващи се на силите на природата, твърдят, че всяко взаимодействие е придружено от появата на двойка сили. Ако топката виси върху конеца, то тества ефекта си. Преждата е опъната и под действието на топката.

Завършва законите на формулировката на Нютон на третия закон. Накратко, звучи така: действието е равно на противодействие. Какво означава това?

Силите, с които телата действат един върху друг, са еднакви по магнитуд, противоположни на посоката и насочени по линията, свързваща центровете на телата. Интересно е, че те не могат да бъдат компенсирани, защото действат на различни тела.

Прилагане на законите

Известната задача на "Кон и кола" може да се окаже задънена улица. Конят, прикрепен към вагона, го отвежда от мястото си. В съответствие с третия закон на Нютон, тези два обекта действат един с друг с еднакви сили, но на практика конят може да движи колата, която не се вписва в основата на редовността.

Решението може да се намери, ако вземем предвид, че тази система от тела не е затворена. Пътят има свой ефект и върху двете тела. Силата на триене на почивка, действаща върху копитата на коня, надвишава стойността на триещата сила на търкалящите се колела на количката. В края на краищата, моментът на движение започва с опит да се премести вагона. Ако положението се промени, конят няма да го премести при никакви обстоятелства. Конете му ще се плъзнат по пътя и няма да има движение.

Като дете, кънки един на друг на шейна, всеки може да се изправи срещу такъв пример. Ако две или три деца седят на шейна, тогава усилието на един не е достатъчно, за да ги преместите.

Падането на телата на повърхността на земята, обяснено от Аристотел ("Всяко тяло знае своето място"), може да бъде опровергано въз основа на гореизложеното. Обектът се движи на земята под действието на същата сила като Земята към него. След като сравниха техните параметри (масата на Земята много по-голямо телесно тегло), в съответствие с втория закон на Нютон, твърдим, че ускорението на даден обект е толкова, колкото и ускорението на Земята. Ние наблюдаваме точно промяната в скоростта на тялото, Земята не се измества от орбитата.

Граници на приложимост

Съвременната физика законите на Нютон не отричат, а само установява границите на приложимостта им. До началото на ХХ век физиците не се съмняваха, че тези закони обясняват всички феномени на природата.

1, 2, 3 Законът на Нютон напълно разкрива причините за поведението на макроскопичните тела. Движението на предмети с незначителни скорости е напълно описано от тези постулати.

Опит да обяснят на тяхна основа движението на тела със скорости, близки до тях скоростта на светлината, е обречена на провал. Пълната промяна в свойствата на пространството и времето при тези скорости не позволява използването на динамиката на Нютон. В допълнение, законите променят външния си вид в не-инерционен JI. За тяхното приложение се въвежда концепцията за силата на инерцията.

Обяснете движението на астрономическите тела, правилата за тяхното местоположение и взаимодействие могат да бъдат законите на Нютон. За тази цел е въведен законът за универсалното гравитация. Невъзможно е да се види резултата от привличането на малки тела, защото силата е слаба.

Взаимно привличане

Известна е легенда, според която г-н Нютон, който седеше в градината и наблюдаваше падането на ябълки, посетил брилянтна идея: да обясни движението на обекти близо до повърхността на Земята и движение пространствени тела въз основа на взаимно привличане. Това не е толкова далеч от истината. Наблюденията и точните изчисления включват не само падането на ябълките, но и движението на луната. Правилността на това движение доведе до заключението, че силата на привличане се увеличава с масата на взаимодействащите тела и намалява с нарастващото разстояние между тях.

Разчитайки на втория и третия закон на Нютон, законът за универсалното гравитация е формулиран по следния начин: всички тела във Вселената се привличат един към друг със сила, насочена по линията, свързваща центровете на телата, пропорционална на масите на телата и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между центровете на телата.

Математическа нотация: F = GMm / r², където F е атрактивната сила, M, m са масите на взаимодействащи тела, r е разстоянието между тях. Коефициентът на пропорционалност (G = 6,62 x 10^-11 нм²/ kg²) се нарича гравитационна константа.

Физическо значение: тази константа е равна на силата на привличане между две тела с маса от 1 кг на разстояние 1 м. Ясно е, че за тела с малки маси силата е толкова незначителна, че може да бъде пренебрегната. За планети, звезди, галактики силата на привличане е толкова огромна, че напълно определя тяхното движение.

Това е законът на привличането на Нютон, който твърди, че пускането на ракети изисква гориво, което може да създаде такъв реактивен тласък, за да преодолее влиянието на Земята. Скоростта, необходима за това, е първата скорост на пространството, равна на 8 km / s.

Съвременната технология за производство на ракети позволява стартирането на безпилотни станции като изкуствени спътници на Слънцето до други планети, за да бъдат разследвани. Скоростта, развита от такова устройство, е втората скорост на пространството, равно на 11 km / s.

Алгоритъм за прилагане на законите

Решаването на проблемите на динамиката се подчинява на определена последователност от действия:

• Провеждайте анализ на проблема, идентифицирайте данните, вида на движението.
• Изпълнете фигура, показваща всички сили, действащи върху тялото, и посоката на ускорение (ако е налице). Изберете координатната система.
• Запишете първия или втория закон, в зависимост от наличието на ускорение на тялото, във векторна форма. Вземете под внимание всички сили (произтичащата сила, законите на Нютон: първо, ако скоростта на тялото не се промени, втората, ако има ускорение).
• Уравнението се пренаписва в проекциите спрямо избраните координатни оси.
• Ако получената система от уравнения не е достатъчна, запишете друга: дефиницията на силите, кинематичните уравнения и т.н.
• Решете системата от уравнения по отношение на неизвестното количество.
• Извършете измерване на размерите, за да определите правилността на получената формула.
• Изчислете.

Обикновено тези действия са достатъчни за решаването на всеки стандартен проблем.