Как формируется 3 закон ньютона. Законы механики ньютона

На этом уроке мы изучим третий закон Ньютона, в котором описываются силы взаимодействия двух тел. Также вспомним основные сведения о первом и втором законе Ньютона. Помимо этого, мы вспомним основной экспериментальный закон динамики, рассмотрим принцип относительности Галилея. В конце урока узнаем, как применять третий закон Ньютона при разборе качественных задач.

Известно, что при взаимодействии оба тела воздействуют друг на друга. Не бывает такого, чтобы одно тело толкнуло другое, а второе в ответ никак не отреагировало бы.

Проведем эксперимент. Возьмем два динамометра (рис. 1). Один из них наденем колечком на что-то неподвижное, например на гвоздь в стене, а второй соединим с первым крючками. Потянем за колечко второго динамометра. Оба прибора покажут одинаковые по модулю силы натяжения.

Рис. 1. Опыт с динамометрами

Другой пример. Представьте, что вы и ваш друг катаетесь на скейте, причем друг катается на одном скейте с братом (рис. 2).

Рис. 2. Приобретение ускорения при взаимодействии

Ваша масса - , масса друга с братом - . Если вы отталкиваетесь друг от друга, то приобретаете ускорения, которые направлены по одной прямой в противоположные стороны . Отношение масс участников этого процесса обратно пропорционально отношению модулю ускорений.

Следовательно:

Согласно второму закону Ньютона:

Сила, с которой на вас действует друг с братом

Сила, с которой вы действуете на друга с братом

Так как ускорения противонаправленные, то:

Данное равенство выражает третий закон Ньютона : тела действуют друг на друга с силами, которые имеют одинаковые модули и противоположные направления (рис. 3).

Рис. 3. Третий закон Ньютона

Основной экспериментальный закон динамики

При выводе третьего закона Ньютона мы видели, что при взаимодействии двух тел отношение двух ускорений, которые приобретает первое и второе тело, является величиной постоянной. Причем отношение этих ускорений не зависит от характера взаимодействия (рис. 4), следовательно, оно определяется самими телами, какой-то его характеристикой.

Рис. 4. Отношение ускорений не зависит от характера взаимодействия

Такая характеристика называется инертностью . Мерой инертности является масса. Поэтому отношение ускорений, приобретаемых телами в результате взаимодействия друг с другом, равно обратному отношению масс этих тел. Этот факт иллюстрирует эксперимент, в котором две тележки с разными массами () отталкиваются друг от друга с помощью упругой пластинки (рис. 5). В результате такого взаимодействия большее ускорение приобретет тележка с меньшей массой.

Рис. 5. Взаимодействие двух тел с разными массами

Рис. 6. Основной экспериментальный закон динамики

Закон, который описывает соотношение масс тел и ускорений, приобретенных в результате взаимодействия, называется основным экспериментальным законом динамики (рис. 6).

Более простая формулировка третьего закона Ньютона звучит так: сила действия равна силе противодействия.

Сила действия и сила противодействия - это всегда силы одной природы. Например, в предыдущем опыте сила действия первого динамометра на второй и сила действия второго динамометра на первый - это силы упругости; силы действия одного заряженного тела на другое и наоборот - это силы электрической природы.

Каждая из сил взаимодействия приложена к разным телам. Следовательно, силы взаимодействия между телами не могут компенсировать друг друга, хотя формально:

Рис. 7. Парадокс равнодействующей силы

Продемонстрируем опыт, который подтверждает третий закон Ньютона. До начала опыта весы находятся в равновесии: силы, действующие слева, равны всем силам, действующим справа (рис. 8).

Рис. 8. Силы, действующие слева, равны всем силам, действующим справа

Поместим грузик в сосуд с водой, не касаясь его стенок и дна. На грузик со стороны воды действует выталкивающая сила, направленная вертикально вверх. Но, по третьему закону Ньютона, силы обязательно возникают парами. Значит, со стороны грузика на воду начнет действовать равная по модулю силе Архимеда, но противоположно направленная сила, которая «толкнет» сосуд вниз. А значит, равновесие нарушится в сторону сосуда с грузиком (рис. 9).

Рис. 9. Равновесие нарушится в сторону сосуда с грузиком

Таким образом, первый закон Ньютона утверждает: если на тело не действует посторонние тела, то оно находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения относительно инерциальных систем отсчета. Из него следует, что причиной изменения скорости тела является сила. Второй закон Ньютона объясняет, как движется тело под действием силы. Он устанавливает количественное отношение между ускорением и силой.

В первом и во втором законах Ньютона рассматривается только одно тело. В третьем законе рассматривается взаимодействие двух тел с силами, одинаковыми по модулю и противоположными по направлению. Эти силы называют силами взаимодействия. Они направлены вдоль одной прямой и приложены к разным телам.

Некоторые особенности взаимодействия тел. Принцип относительности Галилея

Выводы, которые возникают при рассмотрении законов Ньютона:

1. Все силы в природе всегда возникают парами (рис. 10). Если появилась одна сила, то обязательно появится противоположно направленная ей вторая сила, действующая со стороны первого тела на второе. Обе эти силы одной природы.

Рис. 10. Все силы в природе всегда возникают парами

2. Каждая из сил взаимодействия приложена к разным телам, следовательно, силы взаимодействия между телами не могут компенсировать друг друга.

3. Ускорения тел в разных инерциальных системах отсчета одинаковы. Меняются перемещения, скорости, но ускорения - нет. Масса тел тоже не зависит от выбора системы отсчета, а значит, и сила не будет зависеть от этого. То есть в инерциальных системах отсчета все законы механического движения одинаковы - это и есть принцип относительности Галилея .

Разбор качественной задачи

1. Может ли человек поднять сам себя по веревке, перекинутой через блок, если второй конец веревки привязан к поясу человека, а блок неподвижен?

Рис. 11. Иллюстрация к задаче

С первого взгляда, кажется, что сила, с которой человек действует на веревку, равна силе, с которой веревка действует на человека (рис. 11). Но сила приложена через веревку к блоку, а сила - к человеку, следовательно, человек сможет поднять себя по этой веревке. Такая система не замкнутая. Система «человек - веревка» включает в себя блок.

2. Может ли человек толкать лодку, если он сам находится в этой лодке и упирается руками в один из бортов?

Рис. 12. Иллюстрация к задаче

В этой задаче система «человек - лодка» замкнутая (рис. 12), то есть сила, с которой человек давит на борт лодки, равна силе, с которой борт лодки действует на человека, но направлена в противоположную сторону. Никакого движения не будет.

3. Может ли человек вытащить самого себя из болота за волосы?

Рис. 13. Иллюстрация к задаче

Система также замкнутая. Сила, с которой рука действует на волосы, равна силе, с которой волосы действуют на руку, но направлена в противоположную сторону (рис. 14). Человек вытащить самого себя из болота за волосы не может.

Список литературы

1. Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский. Физика 10. - М.: Просвещение, 2008.
2. А.П. Рымкевич. Физика. Задачник 10-11. - М.: Дрофа, 2006.
3. О.Я. Савченко. Задачи по физике. - М.: Наука, 1988.
4. А.В. Перышкин, В.В. Крауклис. Курс физики. Т. 1. - М.: Гос. уч.-пед. изд. мин. просвещения РСФСР, 1957.

1. Интернет-портал «raal100.narod.ru» ()
2. Интернет-портал «physics.ru» ()
3. Интернет-портал «bambookes.ru» ()
4. Интернет-портал «bourabai.kz» ()

Домашнее задание

1. Вопросы в конце параграфа 26 (стр. 70) - Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский. Физика 10 (см. список рекомендованной литературы)
2. Третий закон Ньютона самим Ньютоном был сформулирован так: «Действию всегда есть равное и противоположное противодействие». Есть ли физическое различие между действием и противодействием? Что собой представляют «действие» и «противодействие» Ньютона?
3. Верно ли утверждение: скорость тела определяется действующей на него силой?
4. О ветровое стекло движущегося автомобиля ударился комар. Сравните силы, действующие на комара и автомобиль во время удара.

В своем первом законе Ньютон описал состояние тела, не подверженного действию других тел. В этом случае тело либо сохраняет свое состояние покоя, либо движется равномерно и прямолинейно (относительно инерциальной системы отсчета).

Во втором законе Ньютона речь идет о прямо противоположной ситуации. Теперь на данное тело действуют внешние тела, причем их количество может быть произвольным. Под действием окружающих тел рассматриваемое тело начинает двигаться с ускорением, причем произведение массы данного тела на его ускорение оказывается равным действующей силе.

Сформулировав эти два закона, Ньютон обратился к анализу ситуации, когда во взаимодействии участвуют только два тела. Допустим, имеются два тела А и В, которые притягивают друг друга с некоторыми силами F и F". Может ли одна из этих сил быть больше другой? Размышление над этой проблемой привело Ньютона к выводу, что такого быть не может: силы взаимодействия двух тел всегда равны друг другу. Каким образом Ньютон пришел к этому заключению? Вот как он рассуждал:

«Относительно притяжения дело может быть изложено вкратце следующим образом: между двумя взаимопритягивающимися телами надо вообразить помещенным какое-либо препятствие, мешающее их сближению. Если бы одно из тел А притягивалось телом В сильнее, нежели тело В притягивается телом А, то препятствие испытывало бы со стороны тела А большее давление, нежели со стороны тела В, и, следовательно, не осталось бы равновесия. Преобладающее давление вызвало бы движение системы, состоящей из этих двух тел и препятствия в сторону тела В, ив свободном пространстве эта система, двигаясь ускоренно, ушла бы в бесконечность. Такое заключение нелепо и противоречит первому закону... Отсюда следует, что оба тела давят на препятствие с равными силами, а значит, и притягиваются взаимно с таковыми же».

Опыты подтверждают вывод Ньютона. Если, например, взять две тележки и на одной из них закрепить магнит, а на другой - кусок железа, а затем соединить их с динамометрами, то мы увидим, что показания этих приборов совпадут (рис. 13). Это означает, что сила, с которой магнит притягивает к себе железо, равна по величине силе, с которой железо притягивает к себе магнит. Эти силы имеют равные числовые значения, но противоположные направления: сила притяжения к магниту направлена влево, а сила притяжения к железу - вправо.

Силы, с которыми взаимодействуют любые два тела, всегда равны по величине и противоположны по направлению.

Это утверждение является третьим законом Ньютона . Третий закон Ньютона обосновывает введение самого термина «взаимодействие»: если одно тело действует на другое, то второе также действует на первое. Другими словами, не может быть такого, чтобы одно тело на другое действовало, а второе на первое - нет. Как писал сам Ньютон, «действию всегда есть равное и противоположное противодействие»; в частности, «если кто нажимает пальцем на камень, то и палец его также нажимается камнем. Если лошадь тащит камень, привязанный к канату, то и обратно (если можно так выразиться) она с равным усилием оттягивается к камню».

Из третьего закона Ньютона следует, что вес тела, т. е. сила, с которой тело давит на свою опору (или растягивает подвес), совпадает по величине с силой, действующей со стороны опоры на данное тело_ Сила, с которой опора давит на находящееся на ней тело, называется силой реакции опоры . Обозначив силу реакции опоры через N, мы можем записать:

Соответствующая ситуация изображена на рисунке 14.

Полученная формула является более общей, чем P=mg, так как она остается справедливой и в том случае, когда тело вместе с опорой совершает ускоренное движение.

Закономерность, выражаемую формулой (9.1), можно проверить на опыте. Возьмем два демонстрационных динамометра с круглым циферблатом и поставим их друг на друга (рис. 15). Мы увидим, что верхний прибор покажет точно такую же силу, что и нижний.

Следует помнить, что силы взаимодействия, о которых говорится в третьем законе Ньютона, не могут быть приложены к одному и тому же телу: это есть силы, с которыми тела действуют друг на друга (рис. 16).

Когда Ньютона спросили, каким путем он пришел к своим открытиям, Ньютон ответил: «Всегда думал о них. Предмет исследования постоянно передо мной, и я жду, пока первые пробивающиеся лучи рассвета постепенно не осветят его сильным и ярким светом».

О том, какой титанический труд стоял на самом деле за этим «ожиданием рассвета», рассказал впоследствии его секретарь Гэмфри: «Он (Ньютон) постоянно был занят работой... Он не позволял себе никакого отдыха и передышки, не ездил верхом, не гулял, не играл в кегли, не занимался спортом; он считал потерянным всякий час, не посвященный занятиям. Редко уходил он из своей комнаты, за исключением только тех случаев, когда ему надо было читать лекции как люкасовскому профессору. Лекции мало кто посещал и еще меньше того понимал. Часто приходилось читать перед пустыми стенами... Занятиями он увлекался настолько, что часто забывал обедать. Нередко, заходя в его комнату, я находил обед нетронутым на столе, и только после моего напоминания он стоя что-нибудь съедал... Раньше двух-трех часов он редко ложился спать, а в некоторых случаях засыпал только в пять, шесть часов утра. Спал он всегда четыре или пять часов, особенно осенью и весной. Судя по его озабоченности и постоянной работе, думаю, что он стремился перейти черту человеческой силы и искусства».

Отдавая дань трудам своих великих предшественников, Ньютон говорил, что если он и «видел дальше, чем другие, то лишь потому, что стоял на плечах гигантов». А незадолго до смерти он написал: «Не знаю, каким представляет себе меня мир, но самому себе я кажусь просто ребенком, который играет на морском берегу и забавляется, отыскивая лучше обкатанные камешки или более красивые, чем обычно, ракушки, в то время как великий океан истины лежит передо мной совершенно неразгаданный».

На статуе, воздвигнутой Ньютону в Кембридже, помещена надпись: «Разумом он превосходил род человеческий». Слава Ньютона была настолько велика, что известный математик Лопиталь еще при жизни Ньютона удивлялся тому, что этот великий человек мог есть, пить и спать, как прочие люди. А в Вестминстерском аббатстве, где похоронен Ньютон, на памятнике ему можно прочитать такие слова: «Пусть смертные радуются, что существовало такое украшение рода человеческого».

Влияние взглядов Ньютона на дальнейшее развитие физики огромно. «Ньютон, - писал академик С. И. Вавилов, - заставил физику мыслить по-своему, «классически», как мы выражаемся теперь. На языке Ньютона мы думали и говорили, и только теперь делаются попытки изобрести новый язык. Вот почему можно утверждать, что на всей физике лежал индивидуальный отпечаток его мысли; без Ньютона наука развивалась бы иначе».

1. Сформулируйте третий закон Ньютона. 2. Предположим, что муха, летящая навстречу автомобилю, ударилась о его лобовое стекло. Автомобиль или муха действовали с большей силой в момент столкновения? 3. Известно, что Земля притягивает к себе все находящиеся вблизи нее тела. Притягивают ли эти тела Землю? 4. Что сильнее притягивает: яблоко Землю или Земля яблоко? 5. С какой силой численно совпадает вес тела согласно третьему закону Ньютона?

Первый закон Ньютона : существуют системы отсчета, в которых любое изолированное не подвергающееся действию внешних сил тело сохраняет свое состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. Такие системы отсчета называются инерциальными.
Первый закон Ньютона часто называют законом инерции, поскольку движение, не поддерживаемое никаким воздействием, - это движение по инерции. При формулировке закона инерции И. Ньютон опирался на труды Г. Галилея, который первым понял ошибочность утверждения, что тело, на которое ничто не действует, может только покоиться. Галилей показал, что такое тело может либо покоиться, либо двигаться с постоянной скоростью.
Второй закон Ньютона: под действием силы F тело массой т приобретает такое ускорение а, что произведение массы на ускорение будет равно действующей силе, т. е.

Второй закон Ньютона показывает, что причиной изменения скорости тела является действие на него окружающих тел.

Формула второго закона ньютона:

где Ар - изменение импульса тела за время At, вызванное действием силы F. Формула (1) справедлива лишь в том случае, когда масса тела т не изменяется, в то время как (2) верна всегда. Видно, что при т = const формула (2) обращается в формулу (1):

Учитывая принцип суперпозиции сил (равнодействующая нескольких сил равна их векторной сумме), второй закон Ньютона можно записать в виде:
ma = F1 + ... + Fn.

Третий закон Ньютона : при взаимодействии двух тел силы, с которыми они действуют друг на друга, равны по модулю и противоположны, по направлению, т. е.
F12 = - F21
Силы, о которых идет речь в третьем законе Ньютона, приложены к разным телам, но всегда имеют одну природу.
Примерами таких пар сил могут служить: силы гравитационного взаимодействия двух тел; вес тела и сила реакции опоры; кулоновские силы и др.
Являясь основой классической механики, законы Ньютона описывают взаимодействия макроскопических тел, участвующих в нерелятивистских движениях (их скорости много меньше скорости света). При этом тела рассматриваются как материальные точки, а движение описывается относительно инерциальных систем отсчета.

Указывает, при каком совершенно обязательном условии сила может возникнуть и подействовать на какое-либо тело; если это коренное условие отсутствует, то никакого действия не получится.

Законы движения

В своей книге Ньютон доказал, что законы движения едины и одинаковы как для Земли, так и для небесных тел. Луна обращается вокруг , планеты обегают Солнце, хвостатые странницы - кометы путешествуют в пространстве. И все небесные светила подчиняются тем же самым законам механики, которые действительны и для яблока, падающего с ветки, и для пыли, подхваченной вихрем на дороге, и для камня, брошенного человеческой рукой. В основе всякого механического движения, где бы оно ни совершалось, лежат простые и естественные законы .

• устанавливает, что происходит с предметом, когда действующие на него силы уравновешены.
• показывает, что случится с телом, когда на него подействует неуравновешенная сила.
• Третий закон движения основывается на повседневной практике, на опыте людей; он так же естествен и прост, как и первые два закона, но уяснить его не так-то легко.

Готемский градоначальник

В Англии очень распространены шуточные рассказы о жителях Готема - сказочного города, из которого, по английским преданиям, расплодились по всему свету дураки. Рассказывают, что в Готеме градоначальника долго не было, потому что готемцы не знали, как среди глупых выбрать самого умного. Однажды они увидели, что перед большой лужей на городской площади стоит человек и изо всех сил тянет сам себя за волосы кверху.

Что ты делаешь?

Спросили удивленные готемцы этого человека.

А разве вы не видите?

Отвечал им человек. -

Я поднимаю сам себя за волосы, для того чтобы перенести свои ноги через эту лужу.

Воскликнули готемцы. -

Этот человек самый умный среди нас!

И они тотчас же выбрали его градоначальником. Но разве может человек приподнять сам себя за волосы? Это просто немыслимо, нелепо, невозможно. Ни один предмет не в состоянии двигаться один сам по себе, всегда требуется участие другого тела. И то, что мы называем силой, есть результат взаимодействия между двумя различными предметами. Один предмет действует на второй, но и сам испытывает на себе действие второго . И в этом смысл и суть третьего закона движения. В учебниках этот закон в краткой форме записан так:

Всякое действие вызывает равное и противоположно направленное противодействие.

Опыты Ньютона

Когда Ньютон обдумывал свои первые два закона, (подробнее: , ) он не ставил опытов - для доказательства этих законов было достаточно повседневных наблюдений и опытов других ученых, живших до него. Третий закон нуждался в доказательствах. Чтобы действие третьего закона движения стало нагляднее и убедительнее, Ньютон предложил несколько опытов.

Из сухой дощечки ученый вырезал две совершенно одинаковые лодочки. Потом он налил в таз воды и пустил туда свои лодочки. В одну лодочку Ньютон положил маленький намагниченный стальной брусок, а в другую точно такой же брусок, но сделанный из простого железа. Обе лодочки Ньютон развел в стороны. Лодочку с железным брусочком он отпустил, а нагруженную магнитом придержал рукой на месте. Повинуясь притяжению магнита, железный брусок потянул свою лодочку, поплыл и вскоре пристал к магниту. Ничего удивительного в этом никто, конечно, не увидел. Уже тогда всем было известно свойство магнита притягивать к себе железные предметы.

Ньютон продолжал свой опыт. Он снова развел лодочки в стороны, но на этот раз удержал на месте лодочку, груженную железным бруском, а лодочку с магнитом отпустил в свободное плавание. Теперь лодочка с намагниченным «пассажиром», чуть покачиваясь, поплыла к железному бруску. Если бы Ньютон не знал, какой из брусочков намагничен, он в этом опыте не смог бы отличить их друг от друга: железо притягивалось к магниту точно так же, как магнит притягивался к железу.

После этого Ньютон в третий раз развел лодочки к краям таза и отпустил их. Обе лодочки поплыли навстречу друг другу. Они столкнулись на середине таза и остановились. Опыт убедил ученого, что магнит притягивает железо с такой же силой, с какой железо притягивает к себе магнит. И мы наблюдаем не действие магнита на железо или железа на магнит, а их взаимодействие .

Именно поэтому обе лодочки сейчас плавают в тазике так спокойно. Если между ними не было бы взаимодействия, рассуждал Ньютон, то опыт привел бы к иным результатам. Представим себе, что только магнит способен притягивать к себе железо. В этом случае лодочка с железным бруском поплывет к магниту, а лодочка с магнитом останется неподвижной. А затем должно произойти нечто невероятное - лодочка с железным бруском, подплывшая к магниту, стукнется о его лодочку и погонит ее в сторону со все возрастающей скоростью. Железо, притягиваемое магнитом, толкало бы его и двигало непрерывно вперед.

Но в действительности так не получается. Лодочки стоят посреди таза, тесно прижавшись друг к другу, нажимая своими краями друг на друга. Действие магнита встречает равное и противоположно направленное противодействие железа, то есть мы наблюдаем не действие одного предмета на другой, а их взаимодействие. И Ньютон сформулировал свой третий закон :

Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе - взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противоположные стороны.

Третий закон Ньютона очень часто называют законом действия и противодействия, но правильнее называть его законом взаимодействия , потому что сущность закона состоит именно во взаимодействии тел.