Что на самом деле означают законы Ньютона?

Кто из нас в школе не изучал законы Ньютона? И, конечно, многие не понимали их с первого раза. И по сей день эта тема остается для школьников проблемной. Поэтому давайте вместе попробуем разобраться с формулировкой и значением трех законов Ньютона.

Вплоть до XVII века мировая наука жила в условиях почти религиозной веры в постулаты, заданные великим философом Аристотелем. Покушение на них воспринималось как ересь и безжалостно наказывалось. Доходило даже до инквизиции. В этих условиях деятельность Галилея, Декарта, Ньютона была не только научным, но и человеческим подвигом. Их открытия сегодня могут быть даже переформулированы, не теряя своего смысла и значения.

Наверняка большинство школьников вспомнят легенду о яблоке, которое упало на голову ученого. 

На самом деле, яблоко на голову Ньютона не падало, но все это происходило в осеннем яблоневом саду, где яблоки действительно падали.

А вот как были сформулированы три знаменитых закона Ньютона, ставшие фундаментом классической механики, знают далеко не все. Впервые формулировки этих законов появились в книге Ньютона «Математические начала натуральной философии» (1687 год). Название этого труда достаточно известно именно потому, что в них впервые Ньютон дал определения всех трех законов.

Но перед тем, как формулировки этих законов были напечатаны, много чего произошло. Начиная с Древней Греции, многие мыслители пытались облечь в слова фундаментальные законы движения. Потребовалось несколько веков, чтобы сложились предпосылки для этого. Ближе всего к этому подошел Галилей. Но и ему помешали господствующие в научном сообществе иллюзии. Все были безоговорочно уверены, что небесные тела движутся строго по круговым орбитам, потому что это творение Бога, и это творение должно быть совершенно и безупречно. Пошатнуть эти иллюзии удалось Кеплеру. Но и он в своих размышлениях пошел не туда.

Гениальность Ньютона заключается в том, что, изучая труды своих великих предшественников, он смог разглядеть неочевидные вещи, которые даже нам кажутся парадоксальными. Именно Ньютон выдвинул революционную идею, что если на тело не действуют никакие силы, то тело может двигаться прямолинейно и равномерно. В условиях Земли это невозможно, так как действует сила земного тяготения. А вот вне Земли — это обычное дело.

Долгие годы размышлений, черновых набросков, сомнений, которые он выражал в письмах своим коллегам, завершились блестящими формулировками всех трех законов. И эти законы по праву носят имя Ньютона. О каждом из этих законов можно написать отдельную статью — настолько велико и многогранно их значение.

Приведем несколько других интересных и менее известных, но более правдоподобных фактов из его жизни:

• Будущий физик, математик, астроном, механик, философ родился в английской деревне Вулсторп в 1643 году.
• Воспитывался бабушкой и дедушкой по маминой линии, отец умер еще до его рождения, а мать — создала новую семью.
• Удивительно, но теоретику нравились поэзия и живопись. В детстве мальчик не отличался особой общительностью, но любил мечтать.
• Уже в юном возрасте он интересовался природными явлениями и математикой, создавал водяные часы и ветряную мельницу.
• Учился в колледже Кембриджского университета. Спустя годы имел должность профессора кафедры математики в этом учебном заведении.
• Помимо естественных наук, изучал основы алхимии и теологии.
• Был директором монетного двора, президентом Лондонского королевского общества и даже рыцарем!
• Его именем названа медаль, присуждаемая британским Институтом физики за заслуги в этой области.

Вот таким разносторонним человеком был Исаак Ньютон.

Вспомним основные его открытия:

1. Три закона движения
2. Закон всемирного тяготения
3. Изучение света, оптики
4. Первая модель отражающего телескопа
5. Эмпирический закон охлаждения.

Он — предшественник новой эры в физике и математике. Благодаря открытиям Ньютона наука стала развиваться, а ученые, подобно ему, стремились исследовать мир.

Первый закон Ньютона

А мы с вами остановимся на таком разделе физики, как механика, и разберем три закона движения.

Начнем с самого первого. Его еще называют «законом инерции». Его формулировки несколько отличаются:

1. «Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит его изменить это состояние».
2. «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».

Правило сказано разными словами, но суть у него одна — способы движения тела не меняются либо пока действующие силы скомпенсированы, либо пока на него вообще не действуют никакие силы.

Запишем:

Инерция — способность тела сохранять свою скорость и направление движения, когда на него не воздействует что-либо из внешней среды.

Наверняка вы слышали такую фразу — «движется по инерции». Это значит, что направление и модуль скорости вектора остаются без изменений при таком движении.

Инерциальные системы отсчета — системы, по отношению к которым выполняется первый закон Ньютона.

Главные идеи I закона:

1. все тела имеют свойство инертности;
2. факт наличия инерциальных систем отсчета.

Скорость — величина относительная. Соответственно, она зависит от выбора системы отсчета. И первый, и второй законы важно употреблять с подчеркиванием этой мысли.

Нередко возникает ситуация, когда тело, которое можно считать покоящимся с точки зрения некоторых наблюдателей, движется с ускорением так, как если бы на него действовала некая сила, даже если такой силы на самом деле нет.

Например, мы смотрим на Солнце и думаем, что оно движется с разной скоростью и не всегда прямо. Причина тому — система отсчета, которая «связана посредством силы тяжести с вращающейся и движущейся по орбите вокруг Солнца Землей».

В инерциальных системах отсчета пространство не имеет избранные направления, т.е. оно однородно и изотропно. Например, Земля не является такой системой. Однако в большинстве механических задач ее все-таки относят к инерциальным системам, применяя при этом законы Ньютона. К «силе Кориолиса» это неприменимо. В связи с этим в механике есть определенная классификация оценок, которые помогают определить, в каких случаях нужно учитывать «неинерциальность» Земли, а где этим фактом можно и пренебречь.

Поэтому, говоря о I и II законах, важно упоминать, что они сформулированы именно для инерциальных систем отсчета.

Второй закон Ньютона

Поговорим о следующем законе, который еще называют «основным законом динамики поступательного движения». Перед нами несколько его формулировок:

1. «Ускорение, с которым тело движется относительно инерциальной системы отсчета, прямо пропорционально равнодействующей всех сил, действующих на тело, обратно пропорционально массе тела и по направлению совпадает с направлением равнодействующей всех сил».
2. «Ускорение предмета (любой точки материи) в инерциальной системе отсчета имеет прямую пропорциональную зависимость от силы, воздействующей на него, и обратную зависимость от его массы».

Т.е. скорость тела меняется, если на него действует какая-то сила.

Взглянем на формулу:

a=Fm

a — ускорение материальной точки [м/с²];

F — равнодействующая всех приложенных к материальной точке сил [Н];

m — масса материальной точки [кг].

Важно

Сила и ускорение — величины векторные, их направления всегда совпадают.

В связи с тем, что ускорение определяется изменением скорости, то формулу можно записать и так:

a= dv→ dt

Ускорение

m a =F

другой вид записи второго закона Ньютона

dm*dvdt=dF, 

dpdt=F,

здесь 𝑡 — время, 𝐹 — сила, приложенная к телу.

Импульс тела 

p=mv

Если мы будем знать, какие силы действуют на тело, то сможем предсказать его движение.

Третий закон Ньютона

И рассмотрим последний закон:

1. «Всякое действие материальных тел друг на друга носит характер взаимодействия; силы, с которыми действуют друг на друга взаимодействующие тела, равны по величине и противоположны по направлению».
2. «Тела действуют друг на друга с силами, направленными вдоль одной прямой, противоположными по направлению и разными по модулю».

Т.е. сила действия равна силе противодействия. Одно тело действует на второе, которое в свою очередь действует на первое в противоположном направлении. Eместнее такая формулировка — «сила противодействующая равна силе действующей». Равны именно силы, а действия, т.е. перемещения тела, различны. Силы приложены к разным телам.

Разобрали теоретическую часть, а теперь попробуем посмотреть на законы с практической стороны.

Первый закон

В книге «Занимательная физика» нам предлагают рассказ о конторщике по имени Фотерингей. Он решил остановить Землю, когда его желание осуществилось — конторщик не смог найти вокруг себя ничего. Повсюду была лишь разруха. Виной всему оказалась инерция.

«Остановив Землю сразу, Фотерингей не подумал об инерции, а между тем она при внезапной остановке кругового движения неминуемо должна была сбросить с поверхности Земли все на ней находящееся», — поясняет автор Перельман.

Все, что было на Земле, связано с массой земного шара. Поэтому оно стремительно покатилось по касательной к поверхности шара, а впоследствии «падало на Землю, разбиваясь вдребезги».

Когда кот спокойно лежит на батарее, на него со стороны Земли действует сила тяжести, со стороны батареи — сила реакция опоры. Первая сила направлена вниз, соответственно, вторая — вверх. Они скомпенсированы, поэтому скорость кота не меняется, он находится в состоянии покоя.

Второй закон

Коля пришел с тренировки и бросил сумку массой 5 кг на диван с силой 4 Н. 

Найдем ускорение.

Вспомним формулу — силу нужно поделить на массу

4: 5 = 0,8 м/с²

Ответ: сумка приобрела ускорение 0,8 м/с².

Третий закон

Никакое взаимодействие частей механической системы не может изменить состояние этой системы относительно внешнего наблюдателя.

1. «Схватив себя за эту косичку, я изо всех сил дёрнул вверх и без большого труда вытащил из болота и себя, и своего коня, которого крепко сжал обеими ногами, как щипцами», — рассказывал Мюнхгаузен.
   
   Согласно III закону Ньютона барон не мог этого сделать. Если бы он стал тянуть себя за волосы вверх, то они тянули бы его вниз с такой же силой.
2. В одном сосуде плавает шарик для пинг-понга, а во втором — он прикреплен к нити, которая зафиксирована на дне изделия. Какой сосуд будет легче?

Шарик давит на воду, а она на него. Неважно плавает шарик или нет, вес сосуда от этого поменяться не может.

Отметим, что в I и II законах Ньютона говорится о действии внешней силы. Внутренние силы, т.е. в системе, не считаются.

Итак, мы видим, что законы Ньютона позволяют исследовать движение тел, составить из этого уравнение или же рассчитать ускорение. Они могут использоваться и в других областях. Например, в биологии, технике, спорте или даже в повседневной жизни. Поэтому изучение законов в школе не стоит считать бесполезным.

Понравилась статья? Поделитесь с друзьями!

Без активной гиперссылки на материал Sauap.org копирование запрещено!

Ссылки: https://www.vokrugsveta.ru/articles/chto-na-samom-dele-oznachayut-zakony-nyutona-id5719196/, https://www.kp.ru/edu/shkola/zakony-nyutona/