Законы Ньютона

Законы Ньютона — это три фундаментальных закона классической механики, сформулированные английским физиком и математиком Исааком Ньютоном в его труде «Математические начала натуральной философии» (1687 год). Эти законы лежат в основе классической физики и описывают движение тел под действием сил. Они применимы для макроскопических объектов, движущихся со скоростями, значительно меньшими скорости света, и в условиях, где эффекты общей теории относительности и квантовой механики незначительны.

Формулировка:
«Всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние.»

Объяснение:

• Если на тело не действуют внешние силы (или их равнодействующая равна нулю), то тело сохраняет состояние покоя или движется равномерно и прямолинейно.

• Это явление называется инерцией. Инерция — это свойство тела сохранять свою скорость неизменной при отсутствии внешних воздействий.

• Пример: Пассажир в движущемся автобусе отклоняется назад при резком торможении, потому что его тело стремится сохранить первоначальную скорость.

Математическое выражение:
Если $<em><span\; style="font-size:16px;">\sum </span></em>\stackrel{<em><span\; style="font-size:16px;">⃗</span></em>}{\mathrm{<em><span\; style="font-size:16px;">F</span></em>}}<em><span\; style="font-size:16px;">=</span></em>\mathrm{<em><span\; style="font-size:16px;">0</span></em>}$=, то $\stackrel{<em><span\; style="font-size:16px;">⃗</span></em>}{\mathrm{<em><span\; style="font-size:16px;">v</span></em>}}<em><span\; style="font-size:16px;">=</span></em>\text{<em><span style="font-size:16px;">const</span></em>}$.

Формулировка:
«Изменение количества движения пропорционально приложенной силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.»

Объяснение:

• Второй закон Ньютона связывает силу, массу и ускорение тела.

• Сила, действующая на тело, вызывает его ускорение, которое прямо пропорционально силе и обратно пропорционально массе тела.

• Формула: $\vec{F}=m\vec{a}$

, где:

• $\vec{F}$ — сила (векторная величина),

• $m$ — масса тела (скалярная величина),

• $\vec{a}$— ускорение (векторная величина).

• Если на тело действует несколько сил, то используется равнодействующая сила: $\sum \vec{F}=m\vec{a}$

Примеры:

• Чем больше сила, приложенная к телу, тем больше его ускорение (например, сильнее толкнуть тележку — она быстрее поедет).

• Чем больше масса тела, тем меньше ускорение при той же силе (например, тяжелую тележку труднее разогнать).

Формулировка:
«Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе — взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противоположные стороны.»

Объяснение:

• Когда одно тело действует на другое с некоторой силой, второе тело действует на первое с силой, равной по величине и противоположной по направлению.

• Эти силы называются силами действия и противодействия.

• Формула: ${\vec{F}}_{12}=-{\vec{F}}_{21}$

 где:

• ${\vec{F}}_{12}$ — сила, с которой первое тело действует на второе,

• ${\vec{F}}_{21}$​ — сила, с которой второе тело действует на первое.

Примеры:

• Человек, идущий по земле, отталкивается от неё, а земля одновременно «отталкивает» человека вперёд.

• Ракета движется вперёд за счёт выброса газов назад (сила действия газов на ракету и сила противодействия ракеты на газы).

• Законы Ньютона применимы только в инерциальных системах отсчёта (системах, которые движутся равномерно и прямолинейно или покоятся).

• Они лежат в основе классической механики и используются для решения задач, связанных с движением тел:

  • Расчёт траекторий движения.

  • Определение сил, действующих на тело.

  • Анализ равновесия систем.

• В реальных условиях на тела могут действовать несколько сил одновременно (например, сила тяжести, сила трения, сила сопротивления воздуха), и для анализа их движения используется равнодействующая сила.

• Законы Ньютона не работают в условиях:

  • Очень высоких скоростей (близких к скорости света), где необходимо использовать специальную теорию относительности.

  • Очень малых масштабов (на уровне атомов и элементарных частиц), где действуют законы квантовой механики.

  • Сильных гравитационных полей, где требуется общая теория относительности.

• Законы Ньютона стали основой для развития классической физики и инженерных наук.

• Они позволили объяснить и предсказать множество явлений, от движения планет до поведения механических систем.

• Эти законы остаются актуальными и сегодня, несмотря на развитие современной физики.

• Первый закон: Автомобиль движется с постоянной скоростью. Какая сила действует на него?
  Ответ: Если скорость постоянна, то равнодействующая сила равна нулю (сила тяги двигателя компенсируется силой трения и сопротивления воздуха).

• Второй закон: Тело массой 2 кг движется с ускорением 3 м/с². Какова сила, действующая на тело?
  Решение: $F=m\cdot a=2\cdot 3=6\text{Н}$.

• Третий закон: Человек массой 70 кг стоит на полу. С какой силой он давит на пол, и с какой силой пол действует на него?
  Ответ: Человек давит на пол с силой $F=m\cdot g=70\cdot 9.8=686\text{Н}$. Пол действует на человека с такой же силой, направленной вверх.

Законы Ньютона — это краеугольный камень физики, который помогает понять, как взаимодействуют тела в окружающем нас мире.