KZ

Законы Ньютона для школьников

Исаак Ньютон
Исаак Ньютон и его законы: Freepick

Законы Ньютона описывают множество физических явлений, которые происходят во Вселенной. Со времен Ньютона наука колоссально продвинулась вперед, но и сейчас при проектировании новых автомобилей и запуске на Луну космических кораблей ученые ориентируются на эти законы. Их всего три, и каждому школьнику придется их изучить.

Первый закон Ньютона

В первом законе Ньютон обобщил информацию о том, как движется тело под действием сил. В жизни постоянно наблюдаем, как взаимодействуют тела, будь то удар по мячу или притягивание магнита к дверце холодильника. Мера каждого такого взаимодействия — сила, то есть величина, которая показывает, как и в каком направлении оно происходит.

Из наблюдений и опыта известно, что тела двигаются, когда на них действуют другие тела. Например, мяч бросаем, напрягая для толчка мышцы руки. Когда его ловим, то замедляем и останавливаем тоже рукой. Если другие тела не действуют, то тело или останется в покое, или будет совершать равномерное и прямолинейное движение.

Это правило известно как закон инерции, а движение, которое в этом случае возникает, называют движением по инерции. Например:

  • в случае резкого торможения пассажиры автобуса двигаются по инерции вперед;
  • велосипедист вылетит вперед по инерции при резком торможении;
  • спутники на земной орбите двигаются по инерции без расхода топлива.

Первым об инерции написал еще Галилей, а Исаак Ньютон сформулировал правило в форме закона. Он звучит так: существуют инерциальные системы отсчета, относительно которых тело при отсутствии на него внешнего воздействия (или при его компенсации) будет сохранять состояние покоя или равномерно прямолинейно двигаться.

Футболист бьет по мячу
Иллюстрация законов Ньютона: Freepick

Суть первого закона легко продемонстрировать на примере: если на абсолютно ровной дороге толкнуть тележку и пренебречь силой трения колес и сопротивлением воздуха, то она на одинаковой скорости будет катиться бесконечно долгий период времени.

Но существуют и неинерциальные системы, в которых скорости тел могут меняться без силы. Например, такая система — автобус, в котором пассажиры едут, не ощущая движения. Стоит ему резко затормозить, как всех бросит вперед, хотя сила при этом не действует, то есть движение относительно автобуса оказывается беспричинным. В этом случае говорят о неинерциальной системе отсчета.

Движение в таких системах происходит с ускорением. При расчетах учитываются силы инерции.

Таким образом, говоря о скорости тела, обязательно указывают, относительно какой инерциальной системы отсчета она измерялась, так как для разных систем она может быть разной. Ускорение тела во всех системах сохраняется.

Второй закон Ньютона

Основываясь на повседневных наблюдениях, можно сделать вывод, что ускорение, которое сообщается телу тем больше, чем большая сила на него действует. К примеру, мяч летит быстрее, если был сильнее удар. О количественной связи между силой, которая действует на тело, и приобретаемым ускорением говорит второй закон Ньютона.

Рассмотрим такой опыт:

  • Берут два мяча — легкий шар для пинг-понга и тяжелый шар из железа.
  • Действуют на них с одинаковой силой.
  • Тяжелый шар набирает маленькую скорость, то есть получает небольшое ускорение.
  • Легкий шар двигается с большей скоростью.

Ускорение рассчитывают по формуле: a = 2S/t², где S — путь, t — время его прохождения.

Если использовать различные силы и отмечать полученное ускорение, то окажется, что отношение силы к ускорению — постоянная величина для конкретного шара. Этот показатель называют массой.

Масса — мера инертности тела. Она указывает на то, как сильно тело оказывает сопротивление изменениям скорости. Чем больше масса, тем сложнее разгонять и останавливать тело.

Как же Ньютон сформулировал второй закон? Звучит он так: ускорение, которое получает тело, прямо пропорционально равнодействующей всех сил, действующих на него, и обратно пропорционально его массе (F = m×a).

При проведении расчетов на основании второго закона Ньютона важно выбирать единицы силы и массы. В СИ единица массы — килограмм (кг), а единица силы — ньютон (Н). Один ньютон равняется силе, под воздействием которой тело с массой 1 кг получает ускорение 1 м/с².

Третий закон Ньютона

Сила никогда не возникает самостоятельно, это явление предполагает наличие другой силы. Когда одно тело действует с определенной силой на другое («действие»), то и второе тело с определенной силой действует на первое («противодействие»):

  • Когда соударяются два бильярдных шара, то оба меняют скорость.
  • Земля притягивает Луну, заставляя ее двигаться по определенной траектории, но и Луна притягивает Землю. Ускорение нашей планеты под воздействием этой силы обнаруживается в приливах морей и океанов.
Земля и Луна
Земля и Луна: Freepick

Что еще известно о силах, которые возникают во время взаимодействия двух тел? Рассмотрим следующий опыт:

  • Берут два динамометра (приборы с пружиной для измерения сил), цепляют их друг за друга, растягивают и наблюдают за показаниями.
  • Оказывается, что при любом растяжении показания обоих динамометров совпадут, то есть друг на друга они воздействуют с одинаковой силой.

Опыт показывает, что при действии одного тела на другое с определенной силой, второе также действует на первое. Сила этого действия равна первой по модулю и противоположна по направлению. При этом обе силы находятся на одной прямой. Такова формулировка закона равенства действия и противодействия, открытого Ньютоном и известного как третий закон движения.

В жизни сталкиваемся с этим законом довольно часто. Так, в при перетягивании каната каждая из команд действует, согласно третьему закону Ньютона, на другую (через канат) с одинаковой силой. При этом выигрывают (перетягивают канат) не те, кто сильнее тянет, а те, кто лучше упирается в поверхность Земли.

Третий закон Ньютона:

  • Объясняет движение транспортных средств. Лошадь двигает и везет нагруженные сани, так как на ее копыта действует большая сила трения от дороги, чем на скользкие полозья саней. На идеально скользких поверхностях, от которых не получится оттолкнуться, ни сани с лошадью, ни поезда, ни автомобили не смогут сдвинуться с места.
  • Помогает рассчитать силу отдачи во время выстрела, так как в этом случае снаряд летит в одну сторону, а орудие отталкивается в другую. Отдача представляет собой противодействие снаряда, действующее на орудие. 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.
  • Описывает падение тел. Яблоко падает на поверхность Земли, так как оно притягивается земным шаром. Но при этом и само яблоко притягивает планету. Можно сказать, что яблоко с Землей падают друг на друга, но отличается скорость их падения из-за значительной разницы в массе.

Классическая механика и ее принципы формировались длительное время. На протяжении многих веков ученые выяснили законы, по которым двигаются материальные тела. Ньютон в работе «Математические начала натуральной философии» обобщил накопленные знания. Выдающийся физик сформулировал три закона, которые известны всему миру.

Оригинал статьи: https://www.nur.kz/fakty-i-layfhaki/1912208-zakony-nyutona-dlya-shkolnikov/