Законы Ньютона: объяснение, пример

Предлагаем подробно разобраться с основными законами механики, которые были сформулированы Исааком Ньютоном.

Ньютон — великий ученый, которого по праву считают «отцом» современной физики. В 17 веке был опубликован его труд, который произвел фурор в науке. «Математические начала натуральной философии» содержит описание трех законов классической механики: инерции, движения и взаимодействия тел. Сегодня они считаются аксиомой, которая основывается на результатах множественных исследований.

Первый закон Ньютона

Ученый писал, что существуют инерционные системы отсчета, в которых происходит равномерное или прямолинейное движение тел при условии отсутствия воздействия на них других сил или если их действие скомпенсировано.

Другими словами, суть первого закона механики можно объяснить так: допустим, у нас есть мяч и ровная, без изъянов, поверхность (дорога). Если пренебречь силой трения и сопротивлением воздуха и толкнуть шар, то он может двигаться вечно с одинаковой скоростью. Причина — инерция: способность тела сохранять скорость по направлению и по величине в случае отсутствия воздействия на него других сил. В реальной жизни, конечно, это невозможно, так как шар будет тереться о поверхность. Кроме этого ему придется преодолевать сопротивление воздушных сил.

Итак, первый закон классической механики — закон инерции. Ньютон не первый ученый, который его сформулировал. До этого в более абстрактной форме закон изложил Галилео Галилей. Инерцию он определял как «неистребимо запечатленное движение». Правило, сформулированное Галилеем, гласит: если воздействие внешних сил на тело исключено, оно либо находится в состоянии покоя, либо движется с одинаковой скоростью. Например, если оставить мяч в космосе, он и будет находиться там в состоянии покоя. Если его толкнуть — будет двигаться с одинаковой скоростью бесконечно, так как там нет воздействующих на него сил.

На Земле всё и все находятся в поле силы тяжести. Передвигаясь, человек преодолевает ее, а также силу скольжения, ветра, трения и другие.

Второй закон Ньютона

Давайте вспомним пример с шаром, который был описан выше. В этот момент к нему была применена сила. Но все интуитивно понимают, что он будет катиться сначала быстрее, а затем остановится. Это значит, что скорость тела изменяется. В реальной жизни скорость тела без внешнего воздействия на него не может оставаться постоянной. Когда нарастание или убывание скорости происходит равномерно, то говорят, что такое движение равноускоренное. Если предмет падает, на него действует ускорение свободного падения, поэтому любой предмет, выброшенный из окна, будь то рояль или кружка, будет двигаться равноускоренно.

Второй закон Ньютона констатирует связь между массой предмета, ускорением и силой, которые действуют на тело. Например, возьмем двух лыжников, которые хотят спуститься со склона горы. На обоих действует две силы. Чтобы придать ускорение, толкаем обоих одинаково. Человек, масса которого выше, будет спускаться с горы медленнее. Если мы хотим, чтобы они двигались с одинаковой скоростью, более тяжелого надо подтолкнуть сильнее.

Если сил несколько, в формуле они отражаются как векторная величина F.

В таком варианте закон применим только к ситуациям, где движение происходит с много меньшей скоростью по отношению к скорости света.

Существует дифференциальный вид закона, другими словами, более универсальная формулировка. Она гласит: в любой бесконечно малый промежуток времени сила, действующая на тело, равна производной импульса тела по времени.

Третий закон Ньютона

Третий закон Ньютона описывает взаимодействие тел. Именно он объясняет, что на любое действие существует противодействие. То есть, когда на определенный объект воздействует сила, то имеется еще одна материальная точка, на которую воздействует объект с равной по значению, но противоположной по направлению силой. Эту закономерность называют законом равенства действия и противодействия.

Формула для третьего закона Ньютона:

Задачи на законы Ньютона

Приведем пример задачи на применение законов Ньютона.

Задача: Парашютист массой 100 килограмм опускается вниз, его скорость постоянна. Какова сила сопротивления воздуха?

Решение: Движение человека — равнонаправленное и прямолинейное, поэтому, согласно первому закону Ньютона, действие сил на него скомпенсировано.
На парашютиста действуют силы сопротивления воздуха и тяжести. Причем они направлены в противоположные стороны. Второй закон Ньютона гласит, что сила тяжести будет равна ускорению свободного падения, умноженному на массу человека.

Ответ: Сила сопротивления воздуха равна силе тяжести по модулю парашютиста и противоположна направлена.

Рассмотрим задачу на действие третьего закона Ньютона.

Задача: О лобовое стекло авто ударяется комар. Сравните силы, действующие на автомобиль и комара.

Решение: Третий закон Ньютона гласит, что силы, с которыми тела действуют друг на друга, равны по модулю и противоположны по направлению. Значит, сила комара и автомобиля, с которой они действуют один на одного, равны. Но действие их значительно отличаются из-за несоответствия масс и ускорения.

Исаак Ньютон: как было на самом деле

Свой основной труд Исаак Ньютон опубликовал, когда ему было 45 лет. Его исследования внесли огромный вклад в физическую науку, заложив ее фундамент и определив развитие на будущее.

Личность Ньютона окутали легенды и мифы. Это неудивительно, ведь кроме физики его интересовали оптика, химия и другие науки. Кроме этого ученый неплохо писал стихи и рисовал. Жизнь такова, что даже миф на самом деле мог быть правдой. Приведем некоторые достоверные и сомнительные сведения из жизни ученого.

Факт. Достоверно известно, что Исаак Ньютон был скромен и застенчив. Он всячески избегал славы и никогда к ней не стремился.

Миф. Легенда гласит, что причина озарения Ньютона, упавшее ему на голову яблоко. На самом деле этот факт стал упоминаться в биографии ученого уже после его смерти. Да и данные биографов расходятся во мнениях, действительно ли падение яблока сыграло такую важную для науки роль.

Факт. Ньютон учился в Кембридже, а затем там же много работал, преподавал. Студенты часто просто игнорировали преподавателя и прогуливали лекции. Считается, что это было связано с тем, что ученый был слишком зациклен на собственных исследованиях.

Миф. В Кембридже ученого избрали членом парламента. Легенда гласит, что слово Ньютон взял только единожды. Он попросил закрыть окно, так как в помещении был сквозняк.

Факт. Мать Ньютона мечтала и настоятельно рекомендовала сыну заниматься семейным делом — хозяйствованием на ферме. Но педагоги, а также родной дядя разглядели в юноше научный талант и настояли на том, чтобы он продолжил учебу.

Напоследок, напомним — любая задача имеет решение. Но если проблемы по физике не дают спокойно жить, да еще способствуют появлению «хвостов» по другим предметам, обращайтесь в Fenix.Help. Наш студенческий сервис знает, как решить любые учебные задачи.