Newtonovi zakoni. Newtonov drugi zakon. Newtonovi zakoni - formulacija

Študija pojava narave na podlagi eksperimenta je mogoča le, če so opazovane vse faze: opazovanje, hipoteza, eksperiment, teorija. Opazovanje bo omogočilo ugotoviti in primerjati dejstva, hipoteza pa jim omogoča podrobno znanstveno razlago, ki zahteva eksperimentalno potrditev. Opazovanje gibanja teles je pripeljalo do zanimivega zaključka: sprememba hitrosti telesa je mogoča le pod delovanjem drugega telesa.

Na primer, če hitro zaprete po stopnicah, morate preprosto pritegniti tirnico (smer spreminjanja) ali izklopiti (s spreminjanjem hitrosti), da ne bi obrnili nasprotne stene.

Opazovanja podobnih pojavov so privedle do oblikovanja dela fizike, ki proučuje vzroke sprememb v hitrosti teles ali njihovo deformacijo.

Osnove dinamike

Če želite odgovoriti na zakramentalno vprašanje o tem, zakaj fizično telo premika na tak ali drugačen način ali je v mirovanju, se zahteva dinamika.

Razmislimo o stanju počitka. Izhajati iz koncepta relativnost gibanja, lahko sklepamo: ne obstaja in absolutno nobenih fiksnih teles. Vsak predmet, ki je nepremično glede na eno referenčno telo, se premika glede na drugega. Na primer, knjiga, ki leži na mizi, je nepremična glede na tabelo, a če pogledamo njen položaj glede na mimoidočo, potem naredimo naraven zaključek: knjiga se premika.

Zato se zakonitosti gibanja teles obravnavajo v inertnih referenčnih okvirih. Kaj je to?

Inercialni okvir je referenčni okvir, v katerem je telo v mirovanju ali pa izvaja enotno in rektilinearno gibanje Če na njega ne vpliva na druge predmete ali predmete.

V zgornjem primeru je referenčni okvir, povezan s tabelo, mogoče imenovati inercialno. Oseba, ki se giblje enakomerno in rectilinearly, lahko služi kot referenčni okvir ISO. Če je njegovo pospeševanje pospešeno, potem z njim ni mogoče povezati inertnega CO.

Pravzaprav je takšen sistem lahko povezan s telesi, ki so trdno pritrjena na površini Zemlje. Vendar planet sam ne more služiti kot referenčni okvir za ISO, saj se enakomerno vrti okrog lastne osi. Telesa na površini imajo centripetalen pospešek.

Kaj je vztrajnost?

Pojav vztrajnosti je neposredno povezan z ISO. Se spomniš, kaj se zgodi, če se premikajoči avto nenadoma ustavi? Potniki so ogroženi, ko nadaljujejo svoje gibanje. Ustavite ga lahko pred sprednjimi ali varnostnimi pasovi. Pojasnite ta proces z inercijo potnika. Je to tako?

Inercija je pojav, ki predpostavlja ohranitev konstantne hitrosti telesa v odsotnosti vpliva drugih teles na njo. Potnik je pod vplivom pasov ali fotelj. Tu se ne pojavlja pojav inercije.

Razlaga leži v lastnosti telesa in, po njegovem mnenju, ni mogoče hitro spremeniti hitrosti predmeta hkrati. To je vztrajnost. Na primer, inertnost živega srebra v termometru vam omogoča, da spustite kolono, če stresamo termometer.

Merjenje vztrajnosti se imenuje telesna teža. Pri interakciji se hitrost za telesa z manjšo maso hitreje spreminja. Trčenje avtomobila s betonsko steno za slednje poteka praktično brez sledi. Avtomobil je najpogosteje izpostavljen nepopravljivim spremembam: hitrost se spreminja, obstaja precejšnja deformacija. Izkazalo se je, da inertnost betonske stene bistveno presega vztrajnost avtomobila.

Ali je mogoče spoznati pojav inercije v naravi? Pogoj, pod katerim je telo brez medsebojne povezanosti z drugimi telesi, je globoki prostor, v katerem se vesoljska plovila gibljejo z izklopljenimi motorji. Toda tudi v tem primeru je prisoten gravitacijski trenutek.

Osnovne vrednosti

Študija dinamike na eksperimentalnem nivoju predpostavlja izvedbo eksperimentov z meritvami fizičnih veličin. Najbolj zanimivi so:

• pospešek kot merilo hitrosti sprememb hitrosti teles, označuje s črko a, merimo v m / s²;
• masa kot merilo vztrajnosti - označeno s črko m, izmerjeno v kg;
• sila kot merilo medsebojnega delovanja teles, navadno označuje črka F, izmerjena v H (newtons).

Odnos teh količin je določen v treh zakonih, ki jih izpelje največji angleški fizik. Newtonovi zakoni so zasnovani tako, da pojasnijo kompleksnost interakcije različnih teles. In tudi procesov, ki jih nadzirajo. To so koncepti "pospeševanja", "sile", "mase" Newtonovih zakonov, ki so povezani z matematičnimi razmerji. Poskusimo ugotoviti, kaj to pomeni.

Dejanje samo ene sile je izjemen pojav. Na primer, umetni satelit, ki se giblje v orbiti okoli Zemlje, deluje pod vplivom privlačnosti.

Enako

Dejanje več sil lahko nadomesti z eno silo.

Geometrijska vsota sil, ki delujejo na telo, se imenuje rezultanta.

To je samo geometrijska vsota, saj je sila vektorska količina, ki je odvisna ne samo od točke uporabe, ampak tudi od smeri delovanja.

Na primer, če morate premakniti precej veliko okrov, lahko povabite prijatelje. Skupaj dosežemo želeni rezultat. Lahko pa povabite samo eno, zelo močno osebo. Njegov trud je enak delovanju vseh prijateljev. Sila, ki jo uporablja junak, lahko imenujemo rezultat.

Newtonovi zakoni gibanja so formulirani na podlagi pojma "rezultanta".

Zakon o vztrajnosti

Začnite preučevati Newtonove zakone iz najpogostejšega pojava. Prvi zakon se ponavadi imenuje zakon o vztrajnosti, saj ugotavlja vzroke enakega pravokotnega gibanja ali stanja preostanka teles.

Telo se premika enakomerno in rektilarno ali pa počiva, če na njej ne deluje nobena sila ali pa se to izravnava.

Lahko trdimo, da je rezultat v tem primeru nič. V tem stanju je na primer avto, ki se giblje s konstantno hitrostjo na ravnem delu ceste. Delovanje sile privlačnosti se kompenzira z reakcijsko silo nosilca in potisk motorja je modulno enak sili odpornosti proti gibanju.

Lestenec na stropu počiva, ker sila teže kompenzira napetost njegovih pritrdil.

Kompenzirane so lahko samo tiste sile, ki so pritrjene na eno telo.

Newtonov drugi zakon

Še naprej. Vzroki, ki povzročajo spremembo hitrosti teles, meni drugi zakon Newton. O čem on govori?

Enaka sila, ki deluje na telo, je opredeljena kot produkt telesne mase s pospeškom, pridobljenim pod vplivom sil.

2 Newtonov zakon (formula: F = ma) na žalost ne vzpostavi vzročne zveze med osnovni koncepti kinematike in dinamiko. Ne more natančno povedati, kaj je vzrok za pojav pospeševanja teles.

Formulirali smo drugače: pospešek, ki ga prejme telo, je neposredno sorazmeren z rezultantno silo in obratno sorazmeren z maso telesa.

Tako se lahko ugotovi, da se sprememba hitrosti zgodi le v povezavi s silo, ki se nanjo nanaša, in mase telesa.

2 Newtonov zakon, katerega formula je lahko tudi: a = F / m, se šteje kot temeljna v vektorski obliki, saj omogoča vzpostavitev povezave med odseki fizike. Tukaj je a pospešek vektorja telesa, F je rezultat sil, m je masa telesa.

Pospešeno gibanje vozila je mogoče, če vlečna sila motorjev presega upornost gibanja. S povečevanjem vlečne sile se pospeši. Tovornjaki so opremljeni z močnimi motorji, ker je njihova masa veliko večja od mase osebnega avtomobila.

Avtomobili, ustvarjeni za hitre dirke, so olajšani tako, da določijo minimalne potrebne podatke, moč motorja pa se poveča za morebitne omejitve. Ena od najpomembnejših značilnosti športnih avtomobilov je čas pospeševanja do 100 km / h. Manjši je ta časovni interval, boljše so značilnosti hitrosti avtomobila.

Zakon interakcije

Newtonovi zakoni, ki temeljijo na silah narave, trdijo, da vsaka interakcija spremlja videz par sil. Če krogla visi na nit, potem testira svoj učinek. Preja se raztegne tudi pod vplivom žoge.

Izpolnjuje zakone Newtonove formulacije tretjega zakona. Na kratko, zveni takole: ukrep je enak nasprotovanju. Kaj to pomeni?

Sile, s katerimi telesa delujejo drug proti drugemu, so enake po velikosti, nasproti v smeri in usmerjene vzdolž črte, ki povezuje centre teles. Zanimivo je, da jim ni mogoče nadomestiti, ker delujejo na različnih telesih.

Uporaba zakonov

Znana naloga "Konj in voziček" lahko predstavlja slepo ulico. Konj, privezan na vagon, ga premakne s svojega mesta. V skladu z Newtonovim tretjim zakonom ta dva predmeta delata drug z drugim z enakimi silami, toda v praksi lahko konj premakne voziček, ki ne ustreza pravilnosti.

Rešitev je mogoče najti, če upoštevamo, da ta sistem teles ni zaprt. Cesta vpliva na oba telesa. Sila trenja počitka, ki deluje na kopita konja, v vrednosti presega vrednost torne sile valjarnih koles kolesa. Konec koncev se trenutek gibanja začne s poskusom premikanja vagona. Če se situacija spremeni, se konj v nobenih okoliščinah ne premika. Njegove kopice se bodo zdrsnile ob cesti in ne bo gibanja.

Kot otrok, drsenje drug drugega na sled, se lahko vsi soočajo z takim primerom. Če dva ali trije otroci sedijo na sankanju, potem napor enega ni dovolj, da bi jih premaknili.

Padec teles na površju zemlje, ki jo razloži Aristotel ("Vsako telo pozna svoje mesto"), se lahko oporeka na podlagi zgoraj navedenega. Objekt se premika na tla pod vplivom enake sile kot Zemlja. Po primerjavi njihovih parametrov (masa Zemlje veliko večje telesne teže), v skladu z Newtonovim drugim zakonom trdimo, da je pospešek predmeta enako kot pospešek Zemlje. Točno opazujemo spremembo hitrosti telesa, Zemlja se ne premika iz orbite.

Omejitve uporabe

Sodobna fizika Newtonovi zakoni ne zanikajo, temveč le določajo meje njihove uporabnosti. Do začetka dvajsetega stoletja fiziki niso dvomili, da ti zakoni razlagajo vse fenomene narave.

1, 2, 3 Newtonov zakon v celoti razkriva vzroke obnašanja makroskopskih teles. Gibanje predmetov z neznatnimi hitrosti je v celoti opisano s temi postulati.

Poskus, da bi na podlagi njih razložili gibanje teles s hitrostmi blizu hitrost svetlobe, je obsojen na neuspeh. Popolna sprememba lastnosti prostora in časa pri teh hitrostih ne dovoljuje uporabe Newtonove dinamike. Poleg tega zakoni spremenijo svoj videz v neintercialnem JI. Za njihovo uporabo je uveden koncept sile vztrajnosti.

Pojasnite gibanje astronomskih teles, pravila njihove lokacije in interakcije so lahko Newtonovi zakoni. V ta namen je uveden zakon univerzalne gravitacije. Nemogoče je videti rezultat privlačnosti majhnih teles, ker je moč malo.

Vzajemna privlačnost

Znana legenda, po kateri gospod Newton, ki je sedel na vrtu in je upad jabolk, obiskal briljantno idejo: razložiti gibanje objektov blizu površine in gibanje Zemlje vesoljska telesa na podlagi vzajemne privlačnosti. To ni tako daleč od resnice. Opazovanja in natančni izračuni niso vključevali samo padca jabolk, ampak tudi gibanje lune. Pravilnost tega gibanja privede do sklepa, da se privlačna sila poveča z maso interaktivnih teles in se z vedno večjo razdaljo med njimi zmanjšuje.

Sklicujoč se na Newtonovem drugem in tretjem zakonu se zakon univerzalne gravitacije oblikuje takole: vsi organi v vesolju privlačita s silo, usmerjeno vzdolž črte, ki povezuje centre organov, ki je sorazmeren z maso teles in obratno sorazmerna s kvadratom razdalje med središči organov.

Matematična notacija: F = GMm / r², kjer je F privlačna sila, M, m so mase interakcijskih teles, r je razdalja med njimi. Koeficient proporcionalnosti (G = 6,62 x 10^-11 Nm²/ kg²) je bila imenovana gravitacijska konstanta.

Fizični pomen: ta konstanta je enaka sile privlačnosti med dvema organov mase 1 kg na razdalji 1 m Jasno je, da je sila tako nepomembno za organe majhno maso, ki se lahko zapostavljene .. Za planete, zvezde, galaksije, sila privlačnosti je tako velika, da popolnoma določa njihovo gibanje.

To je pravo privlačnosti Newtona, ki trdi, da je za začetek projektil potreben gorivo, ki lahko ustvari tako reaktiven potisk, da premaga vpliv Zemlje. Hitrost, potrebna za to, je prva vesoljska hitrost, enaka 8 km / s.

Sodobna tehnologija izdelave raket omogoča, da postaje brez posadke postanejo umetni sateliti Sonca na druge planete, da bi jih raziskali. Hitrost, ki jo razvije taka naprava, je druga prostorska hitrost, enako 11 km / s.

Algoritem za uporabo zakonov

Reševanje problemov dinamike sledi določenemu zaporedju dejanj:

• Izvedite analizo problema, določite podatke, vrsto gibanja.
• Izvedite sliko, ki prikazuje vse sile, ki delujejo na telesu, in smer pospeška (če je na voljo). Izberite koordinatni sistem.
• Zapišite prvi ali drugi zakon, odvisno od prisotnosti pospeška telesa, v vektorski obliki. Upoštevajte vse sile (rezultantna sila, Newtonovi zakoni: najprej, če se hitrost telesa ne spremeni, druga, če je pospešek).
• Enačba se v projekcijah na izbrane koordinatne osi prepisuje.
• Če dobljeni sistem enačb ni dovolj, potem zapišite drugo: definicija sil, kinematične enačbe itd.
• Rešimo sistem enačb glede na neznano količino.
• Izvedite meritveni test, da določite pravilnost dobljene formule.
• Izračunajte.

Ponavadi ti ukrepi zadoščajo za rešitev katerega koli standardnega problema.