Newtonovy zákony. Druhý zákon Newtonu. Newtonovy zákony - formulace

Studium jevů přírody na základě experimentu je možné pouze tehdy, když jsou pozorovány všechny fáze: pozorování, hypotéza, experiment, teorie. Pozorování umožní identifikovat a porovnat fakta, hypotéza umožňuje jim poskytnout podrobné vědecké vysvětlení, které vyžaduje experimentální potvrzení. Pozorování pohybu těl vedlo k zajímavému závěru: změna rychlosti těla je možná pouze za působení jiného těla.

Například, pokud rychle vyběhnete po schodech, musíte jednoduše uchopit kolejnici (směr změny) nebo vypnout (změnou rychlosti), aby nedošlo k opačné stěně.

Pozorování podobných jevů vedla k vytvoření části fyziky, která studuje příčiny změn rychlosti těla nebo jejich deformace.

Základy dynamiky

Abychom odpověděli na svátostnou otázku o tom, proč se fyzické tělo pohybuje tak či onak nebo je v klidu, je požadována dynamika.

Zvažme stav odpočinku. Postupujte od konceptu relativita pohybu, můžeme konstatovat, že neexistují žádné a zcela žádné pevné body. Jakýkoli objekt, který je vůči jednomu referenčnímu tělesu nehybný, se pohybuje vzhledem k druhému. Například kniha ležící na stole je nehybná vzhledem ke stolu, ale pokud se člověk podívá na svou pozici vzhledem k procházejícímu člověku, pak vyvozujeme přirozený závěr: kniha se pohybuje.

Proto jsou zákony pohybu těles zvažovány v inerciálních referenčních rámcích. Co to je?

Inerciální rámec je referenční rámec, v němž je tělo v klidu nebo vykonává jednotnou a přímočarý pohyb Pokud na něj nejsou žádné jiné objekty nebo objekty.

Ve výše uvedeném příkladu může být referenční rámec spojený s tabulkou nazýván inerciální. Osoba pohybující se rovnoměrně a přímočaře může sloužit jako referenční rámec ISO. Pokud je jeho pohyb zrychlen, není možné s ním spojit inerciální CO.

Ve skutečnosti může být takový systém korelován s těly pevně upevněnými na povrchu Země. Samotná planeta však nemůže sloužit jako referenční rámec ISO, protože se otáčí rovnoměrně kolem své vlastní osy. Tělesa na povrchu mají centripetální zrychlení.

Co je setrvačnost?

Fenomén setrvačnosti je přímo spojen s ISO. Nezapomeňte, co se stane, když se hnací auto náhle zastaví? Cestující jsou ohroženi, protože pokračují ve svém pohybu. Zastavte jej a můžete jej sedět vpředu nebo bezpečnostní pásy. Vysvětlete tento proces setrvačností cestujícího. Je to tak?

Setrvačnost je fenomén, který předpokládá zachování konstantní rychlosti těla v nepřítomnosti vlivu jiných těles na něj. Cestující je pod vlivem pásů nebo křesel. Fenomén setrvačnosti zde není pozorován.

Vysvětlení spočívá v vlastnictví těla a podle něj není možné rychle měnit rychlost objektu. To je setrvačnost. Například inertnost rtuti v teploměru vám umožní snížit sloupec, pokud otřesíme teploměrem.

Míra setrvačnosti se nazývá tělesná hmotnost. Při interakci se rychlost mění rychleji u těles s menší hmotností. Srážka vozu s betonovou stěnou probíhá prakticky bez stopy. Vůz nejčastěji prochází nezvratnými změnami: rychlost se mění, dochází k výrazné deformaci. Ukazuje se, že inertnost betonové stěny výrazně přesahuje setrvačnost vozidla.

Je možné setkat se s fenoménem setrvačnosti v přírodě? Podmínka, za niž je tělo bez vztahů s jinými tělesy, je hluboký prostor, ve kterém se kosmická loď pohybuje s vypnutými motory. Ale i v tomto případě je přítomen gravitační moment.

Základní hodnoty

Studium dynamiky na experimentální úrovni předpokládá provedení experimentů s měřením fyzikálních veličin. Nejzajímavější jsou:

• zrychlení jako měřítko rychlosti změny rychlosti těles, označeno písmenem a, měřeno vm / s²;
• hmotnost jako míra setrvačnosti - označené písmenem m, měřeno v kg;
• síla jako míra vzájemného působení těl, je obvykle označována písmenem F, měřeno v H (newtony).

Vztah těchto veličin je stanoven ve třech právních předpisech odvozených největším anglickým fyzikem. Newtonovy zákony jsou navrženy tak, aby vysvětlovaly složitost interakce různých těles. A také procesy, které je řídí. Jsou to pojmy "zrychlení", "síla", "masová" Newtonova práva, která jsou spojena matematickými vztahy. Pokusíme se zjistit, co to znamená.

Jediné působení síly je výjimečný jev. Například umělý satelit, který se pohybuje na oběžné dráze kolem Země, je pod vlivem pouze síly přitažlivosti.

Rovná

Působení několika sil může být nahrazeno jedinou silou.

Geometrický součet sil působících na tělo se nazývá výsledný.

Jedná se pouze o geometrický součet, protože síla je vektorové množství, které závisí nejen na místě použití, ale také na směru působení.

Například, pokud potřebujete přesunout poměrně velký skříň, můžete pozvat přátele. Společně se dosáhne požadovaného výsledku. Ale můžete pozvat jen jednoho, velmi silného člověka. Jeho snaha se rovná působení všech přátel. Síla, kterou hrdina uplatňuje, může být nazvána výsledná.

Newtonovy zákony pohybu jsou formulovány na základě koncepce "resultant".

Zákon nečinnosti

Začněte studovat zákony Newtonu z nejběžnějšího jevu. První zákon se obvykle nazývá zákonem setrvačnosti, neboť stanoví příčiny jednotného přímočarého pohybu nebo stavu zbytku těl.

Tělo se pohybuje rovnoměrně a přímočaře nebo spočívá, pokud na ni působí žádná síla, nebo je tato činnost kompenzována.

Lze argumentovat, že výsledný v tomto případě je nulový. V tomto stavu se jedná například o vozidlo pohybující se konstantní rychlostí na rovném úseku silnice. Působení síly přitahování je kompenzováno reakční silou nosiče a tlak motoru je modulo roven síle odporu vůči pohybu.

Lustr na stropě spočívá, protože tíha gravitace je kompenzována napětím jejích upevnění.

Kompenzovány mohou být pouze ty síly, které jsou připojeny k jednomu tělu.

Druhý zákon Newtonu

Jdeme dál. Příčiny, které způsobují změnu rychlosti těl, považují druhý zákon Newtona. O čem to mluví?

Rovná síla působící na tělo je definována jako produkt tělesné hmoty zrychlením získaným působením sil.

2 Newtonův zákon (vzorec: F = ma) bohužel nevytváří kauzální vztah mezi základní pojmy kinematiky a dynamiku. Nemůže tvrdit s přesností, co je příčinou vzhledu zrychlení těl.

Formujeme jinak: zrychlení přijaté tělem je přímo úměrné výsledné síle a nepřímo úměrné hmotnosti těla.

Lze tedy zjistit, že změna rychlosti nastává pouze ve vztahu k síle působící na ni a hmotnosti těla.

2 Newtonův zákon, jehož vzorec může být také: a = F / m, je považován za zásadní ve vektorové formě, protože umožňuje vytvořit spojení mezi jednotlivými částmi fyziky. Zde a je zrychlovací vektor těla, F je výsledkem sil, m je hmotnost těla.

Zrychlený pohyb vozidla je možný, pokud trakční síla motorů překročí odolnost vůči pohybu. S tažnou silou se zvyšuje i zrychlení. Nákladní vozidla jsou dodávány s motory s vysokým výkonem, protože jejich hmotnost je mnohem větší než hmotnost osobního automobilu.

Automobily vytvořené pro vysokorychlostní závody jsou napomáhány tak, aby stanovily minimum potřebných detailů a výkon motoru se zvyšuje na možné limity. Jednou z nejdůležitějších vlastností sportovních vozů je doba zrychlení na 100 km / h. Čím menší je tento časový interval, tím vyšší jsou rychlostní charakteristiky automobilu.

Zákon interakce

Newtonovy zákony, založené na přírodních silách, tvrdí, že každá interakce je doprovázena vzhledu dvojice sil. Pokud míč visí na nitě, pak testuje jeho účinek. Příze se také roztahuje pod působením míče.

Dokončuje zákony Newtonovy formulace třetího zákona. Stručně řečeno, zní takto: akce se rovná protiběru. Co to znamená?

Síly, s nimiž těla působí na sobě, mají stejnou velikost, opačnou směru a směřují podél linie, která spojuje středy těl. Je zajímavé, že jim nemůže být poskytnuto odškodnění, protože působí na různých subjektech.

Aplikace zákonů

Slavný úkol "Kůň a vozík" může být mrtvý. Kůň, přiložený k vozu, ho přesune z místa. Podle třetího zákona Newtonových se tyto dva objekty jednají navzájem stejnými silami, ale v praxi může kůň přesunout vozík, který se nevejde do základů pravidelnosti.

Řešení lze nalézt, pokud vezmeme v úvahu, že tento systém těles není uzavřen. Cesta má vliv na obě těla. Síla tření odpočinku působící na kopyta koně přesahuje hodnotu třecí síly válečkových kol vozíku. Koneckonců, okamžik pohybu začíná pokusem o pohyb vagónu. Pokud se situace změní, kůň jej za žádných okolností nepohne. Jeho kopyta budou sklouzávat po silnici a nebude tam žádný pohyb.

Jako dítě, které se navzájem skáče na sáňce, každý může čelit takovým příkladům. Pokud na sáňce sedí dvě nebo tři děti, pak úsilí jednoho není dost přesunout je.

Pád těl na povrchu země, vysvětlen Aristotle ("Každý člověk zná své místo") může být vyvrácen na základě výše uvedených. Objekt se pohybuje pod zemí působením stejné síly jako Země. Po porovnání jejich parametrů (hmotnost Země mnohem více tělesné hmotnosti), podle Newtonova druhého zákona, tvrdíme, že zrychlení objektu je stejně jako urychlení Země. Sledujeme přesně změnu rychlosti těla, Země se nezmění z oběžné dráhy.

Limity použitelnosti

Moderní fyzika Newtonových zákonů nepopírá, ale pouze stanoví limity jejich použitelnosti. Až do počátku dvacátého století fyzikové nepochybovali o tom, že tyto zákony vysvětlují všechny přírodní jevy.

1, 2, 3 Newtonův zákon plně odhaluje příčiny chování makroskopických těles. Pohyb objektů s nevýznamnou rychlostí je zcela popsán těmito postuláty.

Pokus vysvětlit na jejich základě pohyb těles s rychlostí blízkou rychlost světla, je odsouzen k selhání. Úplná změna vlastností prostoru a času při těchto rychlostech neumožňuje použití Newtonovy dynamiky. Zákony navíc mění svůj vzhled v neinertním JI. Pro jejich aplikaci je představen koncept síly setrvačnosti.

Vysvětlete pohyb astronomických těles, pravidla jejich umístění a interakce mohou být Newtonovy zákony. Pro tento účel je zaveden zákon univerzální gravitace. Není možné vidět výsledek přitahování malých těl, protože síla je málo.

Vzájemná přitažlivost

Známá legenda, podle níž pan Newton, který seděl v zahradě a tam je pokles jablek, navštívil geniální nápad: vysvětlit pohyb objektů blízko zemského povrchu a pohybu prostorových těles na základě vzájemné přitažlivosti. To není tak daleko od pravdy. Pozorování a přesné výpočty zahrnovaly nejen pád jablek, ale i pohyb Měsíce. Pravidelnosti tohoto pohybu vedou k závěru, že síla přitažlivosti se zvyšuje s hmotností interaktivních těl a snižuje s rostoucí vzdáleností mezi nimi.

Na základě druhého a třetího zákona Newtona je zákon univerzální gravitace formulován následovně: všechny orgány ve vesmíru vzájemně přitahují silou směřující podél linie spojující středy těles, v poměru k hmotnosti těla a nepřímo úměrná druhé mocnině vzdálenosti mezi středy těles.

Matematická notace: F = GMm / r², kde F je přitažlivá síla, M, m jsou masy interaktivních těles, r je vzdálenost mezi nimi. Koeficient proporcionality (G = 6,62 x 10^-11 Nm²/ kg²) byl nazván gravitační konstantou.

Fyzikální význam: tato konstanta je rovna síle přitažlivosti mezi dvěma orgány hmotností 1 kg na vzdálenost 1 m Je zřejmé, že síla je tak zanedbatelná pro orgány malé hmotnosti, které mohou být zanedbané .. Planety, hvězdy, galaxie, přitažlivá síla je tak velká, že zcela určuje jejich pohyb.

Je to zákon přitažlivosti Newtona, který tvrdí, že spuštění raket vyžaduje palivo, které může vytvořit takový reaktivní tah, aby překonal vliv Země. Potřebná rychlost je první prostorová rychlost, která se rovná 8 km / s.

Moderní technologie výroby raket umožňuje spouštět bezpilotní stanice jako umělé satelity Slunce na jiné planety, aby je vyšetřovaly. Rychlost vyvinutá tímto zařízením je druhá prostorová rychlost, rovnající se 11 km / s.

Algoritmus pro aplikaci zákonů

Řešení problémů dynamiky se řídí určitou řadou akcí:

• Proveďte analýzu problému, identifikujte data, typ pohybu.
• Proveďte číslo označující všechny síly působící na tělo a směr zrychlení (je-li k dispozici). Vyberte systém souřadnic.
• Zapište první nebo druhý zákon, v závislosti na přítomnosti zrychlení těla, ve vektorové podobě. Vezměte v úvahu všechny síly (výsledná síla, Newtonovy zákony: za prvé, pokud se rychlost těla nezmění, druhá, pokud nastane zrychlení).
• Rovnice je přepsána v projekcích na vybrané souřadnice souřadnic.
• Pokud výsledný systém rovnic nestačí, zapište další: definici sil, kinematiku, atd.
• Vyřešte systém rovnic s ohledem na neznámé množství.
• Proveďte rozměrový test k určení správnosti výsledného vzorce.
• Vypočítat.

Obvykle jsou tyto akce dostatečné pro řešení jakéhokoli standardního problému.