Законы Ньютона для «чайников»: объяснение 1, 2, 3 закона, пример с формулами
Мы уже говорили об основах классической механики. Настала пора поговорить о них подробнее и затронуть в обсуждении чуть больше, чем просто основу. В этой статье мы подробно разберем основные законы классической механики. Как вы уже догадались, речь пойдет о законах Ньютона.
Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.
Основные законы классической механики Исаак Ньютон (1642-1727) собрал и опубликовал в 1687 году. Три знаменитых закона были включены в труд, который назывался «Математические начала натуральной философии».
Был долго этот мир глубокой тьмой окутан
Да будет свет, и тут явился Ньютон.
(Эпиграмма 18-го века)
(Эпиграмма 20-го века)
Что стало, когда пришел Эйнштейн, читайте в отдельном материале про релятивистскую динамику. А мы пока приведем формулировки и примеры решения задач на каждый закон Ньютона.
Первый закон Ньютона
Первый закон Ньютона гласит:
Существуют такие системы отсчета, называемые инерциальными, в которых тела движутся равномерно и прямолинейно, если на них не действуют никакие силы или действие других сил скомпенсировано.
Проще говоря, суть первого закона Ньютона можно сформулировать так: если мы на абсолютно ровной дороге толкнем тележку и представим, что можно пренебречь силами трения колес и сопротивления воздуха, то она будет катиться с одинаковой скоростью бесконечно долго.
Инерция – это способность тела сохранять скорость как по направлению, так и по величине, при отсутствии воздействий на тело. Первый закон Ньютона еще называют законом инерции.
До Ньютона закон инерции был сформулирован в менее четкой форме Галилео Галилеем. Инерцию ученый называл «неистребимо запечатленным движением». Закон инерции Галилея гласит: при отсутствии внешних сил тело либо покоится, либо движется равномерно. Огромная заслуга Ньютона в том, что он сумел объединить принцип относительности Галилея, собственные труды и работы других ученых в своих «Математических началах натуральной философии».
Понятно, что таких систем, где тележку толкнули, а она покатилась без действия внешних сил, на самом деле не бывает. На тела всегда действуют силы, причем скомпенсировать действие этих сил полностью практически невозможно.
Например, все на Земле находится в постоянном поле силы тяжести. Когда мы передвигаемся (не важно, ходим пешком, ездим на машине или велосипеде), нам нужно преодолевать множество сил: силу трения качения и силу трения скольжения, силу тяжести, силу Кориолиса.
Второй закон Ньютона
Помните пример про тележку? В этот момент мы приложили к ней силу! Интуитивно понятно, что тележка покатится и вскоре остановится. Это значит, ее скорость изменится.
В реальном мире скорость тела чаще всего изменяется, а не остается постоянной. Другими словами, тело движется с ускорением. Если скорость нарастает или убывает равномерно, то говорят, что движение равноускоренное.
Если рояль падает с крыши дома вниз, то он движется равноускоренно под действием постоянного ускорения свободного падения g. Причем любой дугой предмет, выброшенный из окна на нашей планете, будет двигаться с тем же ускорением свободного падения.
Второй закон Ньютона устанавливает связь между массой, ускорением и силой, действующей на тело. Приведем формулировку второго закона Ньютона:
Ускорение тела (материальной точки) в инерциальной системе отсчета прямо пропорционально приложенной к нему силе и обратно пропорционально массе.
Если на тело действует сразу несколько сил, то в данную формулу подставляется равнодействующая всех сил, то есть их векторная сумма.
Существует более универсальная формулировка данного закона, так называемый дифференциальный вид.
В любой бесконечно малый промежуток времени dt сила, действующая на тело, равна производной импульса тела по времени.
Третий закон Ньютона
В чем состоит третий закон Ньютона? Этот закон описывает взаимодействие тел.
3 закон Ньютона говорит нам о том, что на любое действие найдется противодействие. Причем, в прямом смысле:
Два тела воздействуют друг на друга с силами, противоположными по направлению, но равными по модулю.
Формула, выражающая третий закон Ньютона:
Пример задачи на законы Ньютона
Вот типичная задачка на применение законов Ньютона. В ее решении используются первый и второй законы Ньютона.
Десантник раскрыл парашют и опускается вниз с постоянной скоростью. Какова сила сопротивления воздуха? Масса десантника – 100 килограмм.
Решение:
Движение парашютиста – равномерное и прямолинейное, поэтому, по первому закону Ньютона, действие сил на него скомпенсировано.
На десантника действуют сила тяжести и сила сопротивления воздуха. Силы направлены в противоположные стороны.
По второму закону Ньютона, сила тяжести равна ускорению свободного падения, умноженному на массу десантника.
Ответ: Сила сопротивления воздуха равна силе тяжести по модулю и противоположна направлена.
Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы
А вот еще одна физическая задачка на понимание действия третьего закона Ньютона.
Комар ударяется о лобовое стекло автомобиля. Сравните силы, действующие на автомобиль и комара.
Решение:
По третьему закону Ньютона, силы, с которыми тела действуют друг на друга, равны по модулю и противоположны по направлению. Сила, с которой комар действует на автомобиль, равна силе, с которой автомобиль действует на комара.
Другое дело, что действие этих сил на тела сильно отличаются вследствие различия масс и ускорений.
Исаак Ньютон: мифы и факты из жизни
На момент публикации своего основного труда Ньютону было 45 лет. За свою долгую жизнь ученый внес огромный вклад в науку, заложив фундамент современной физики и определив ее развитие на годы вперед.
Он занимался не только механикой, но и оптикой, химией и другими науками, неплохо рисовал и писал стихи. Неудивительно, что личность Ньютона окружена множеством легенд.
Ниже приведены некоторые факты и мифы из жизни И. Ньютона. Сразу уточним, что миф – это не достоверная информация. Однако мы допускаем, что мифы и легенды не появляются сами по себе и что-то из перечисленного вполне может оказаться правдой.
В самом конце предлагаем посмотреть видеоурок на тему «Законы Ньютона».
Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.
Можно ли утверждать что первый закон ньютона является следствием второго
2. Взаимодействие тел. Сила. Законы динамики Ньютона
Простые наблюдения и опыты, например с тележками (рис. 3), приводят к следующим качественным заключениям: а) тело, на которое другие тела не действуют, сохраняет свою скорость неизменной; б) ускорение тела возникает под действием других тел, но зависит и от самого тела; в) действия тел друг на друга всегда носят характер взаимодействия. Эти выводы подтверждаются при наблюдении явлений в природе, технике, космическом пространстве только в инерциальных системах отсчета.
Взаимодействия отличаются друг от друга и количественно, и качественно. Например, ясно, что чем больше деформируется пружина, тем больше взаимодействие ее витков. Или чем ближе два одноименных заряда, тем сильнее они будут притягиваться. В простейших случаях взаимодействия количественной характеристикой является сила. Сила — причина ускорения тел (в инерциальной системе отсчета). Сила — это векторная физическая величина, являющаяся мерой ускорения, приобретаемого телами при взаимодействии. Сила характеризуется: а) модулем; б) точкой приложения; в) направлением.
Единица силы — ньютон (Н). 1 ньютон — это сила, которая телу массой 1 кг сообщает ускорение 1 м/с 2 в направлении действия этой силы, если другие тела на него не действуют. Равнодействующей нескольких сил называют силу, действие которой эквивалентно действию тех сил, которые она заменяет. Равнодействующая является векторной суммой всех сил, приложенных к телу:
Качественно по своим свойствам взаимодействия также различны. Например, электрическое и магнитное взаимодействия связаны с наличием зарядов у частиц либо с движением заряженных частиц. Наиболее просто рассчитать силы в электродинамике: сила Ампера — 
, сила Лоренца — 
, кулоновская сила — 
и гравитационные си-лы: закон всемирного тяготения — 
. Такие механические силы, как сила упругости и сила трения, возникают в результате электромагнитного взаимодействия частиц вещества. Для их расчета необходимо использовать формулы: 
(закон Гука), 
— сила трения.
На основании обобщения огромного числа опытных фактов и наблюдений были сформулированы законы динамики. Такое обобщение было выполнено Исааком Ньютоном.
Второй закон Ньютона отражает фундаменталь¬ное свойство материального мира, в соответствии с которым относительно инерциальных систем отсчета ускорение тел возникает только под действием сил. Этот закон формулируется следующим образом.
Ускорение, с которым движется тело, прямо пропорционально равнодействующей всех сил, дей-ствующих на тело, обратно пропорционально его массе и направлено так же, как и равнодействую¬щая сила:
Часто основной закон динамики записывают в виде 
, что дает универсальный способ определения любых сил на основе кинематических методов измерения ускорения.
Третий закон Ньютона является обобщением громадного количества опытных фактов, показывающих, что силы — результат взаимодействия тел. Он формулируется следующим образом: тела действуют друг на друга с силами, равными по модулю и противоположными по направлению.
1. Многие абитуриенты не понимают, какая связь существует между законами Ньютона. Приходилось слышать такие ответы, в которых говорилось, что будто бы первый закон Ньютона является следствием второго закона Ньютона. Это не верно.
2. Школьники, формально усвоившие третий закон Ньютона, не могли правильно объяснить ряд вопросов. К примеру:
Человек передвигает по полу шкаф, толкая его вперед, в результате чего человек и шкаф движутся с некоторым ускорением. Но, согласно третьему закону Ньютона, с какой силой человек действует на шкаф, с такой же силой, но направленной противоположно, шкаф действует на человека. Почему же они движутся вперед?
Здесь имеются три взаимодействия: человек — шкаф, человек — пол и шкаф — пол. Сила, сдвигающая шкаф с места, возникает вследствие того, что человек упирается ногами в пол. Если бы сила трения покоя между ступнями человека и полом оказалась меньше силы трения покоя между шкафом и полом, то человек не смог бы сдвинуть шкаф с места. Так что в данном случае сила трения, препятствуя проскальзыванию ступней, делает возможным движения человека со шкафом.
3.При решении задач по динамике учащиеся часто не могут правильно указать силы, действующие на тело. Часто, кроме реальных сил, придумывают всякие другие: сила движения, ускоряющая сила, сила толчка, броска, инерции и т.п. Так, например, говорят, что на тело, которое равноускоренно движется в горизонтальном направлении, кроме приложенной силы, действуют сила тяжести, сила реакции опоры, сила трения, сила тяги и «ускоряющая» сила. На самом деле реально существуют только первые четыре.
3. При нахождении модуля силы трения считают, что всегда 
, где 
— коэффициент трения; 
— масса тела; 
— ускорение свободного движения. Но это неправильно. Выражение справедливо только в частном случае, когда тело движется по горизонтальной поверхности (или покоится на ней, если рассматривается сила трения покоя). и при этом на тело в вертикальном направлении никакие силы, кроме силы тяжести 
и силы нормальной реакции опоры 
, не действуют.
Необходимо твердо помнить, что модуль силы трения пропорционален силе нормальной реакции опоры: 
, и именно это выражении надо использовать при нахождении силы трения. не всегда направлена против направления действия силы тяжести.
4. Правильно формулируя тот или иной закон, учащиеся не всегда могут указать условия, при которых он справедлив. В своих ответах многие не подчеркивают, например, что закон Гука справедлив только ждя упругих деформациях, что законы Ньютона выполняются только в инерциальных системах отсчета при движении тел со скоростями, малыми по сравнению со скоростью света, и т.п.
5.Некоторые экзаменуемые ошибочно считают, что центр тяжести тела не может находиться за пределами этого тела. На самом деле может. Достаточно рассмотреть, например, квалрат, сделанный из проволоки, кольцо, полый шар и др.
§ 21. Второй закон Ньютона (окончание)
Уверенность в справедливости второго закона Ньютона вытекает не столько из отдельных опытов, на основании которых удаётся подойти к формулировке этого закона, сколько из того, что все вытекающие из него следствия, проверяемые как специальными опытами, так и всей человеческой практикой, оказываются правильными.
Справедливо и обратное: если разделить тело на части, то сумма масс этих частей будет равна массе тела до разделения.
Измерение массы в данном случае основано на том, что на тела действует сила притяжения к Земле. Следовательно, измеряемая таким способом масса является гравитационной массой.
Измерить массу тела также можно на основе явления инерции. Ускорение тела, согласно второму закону Ньютона, прямо пропорционально силе, действующей на тело, и обратно пропорционально его массе. Если на два тела действуют одинаковые силы, то отношение масс равно обратному отношению ускорений:
Если у нас есть тело, массу которого мы знаем, то, измерив ускорения этого тела и тела с неизвестной массой, движущихся под действием одинаковых сил, определим неизвестную массу по формуле (2.3). Определяемая таким способом масса является инертной массой.
Можно убедиться, что массы тела, измеренные указанными двумя способами равны, т. е. гравитационная масса тела равна его инертной массе.
Ключевые слова для поиска информации по теме параграфа.
II закон Ньютона. Гравитационная и инертная массы
Вопросы к параграфу
1. Можно ли утверждать, что первый закон Ньютона является следствием второго?
2. При каких условиях материальная точка движется равномерно и прямолинейно?
3. Какие условия необходимы для того, чтобы тело двигалось с постоянным ускорением?
4. Легкоподвижную тележку массой 3 кг толкают силой б Н. Чему равно ускорение тележки в инерциальной системе отсчёта?
5. В инерциальной системе отсчёта сила F сообщает телу массой m ускорение а. Как изменится ускорение тела, если массу тела и действующую на него силу увеличить в 2 раза?
