Законы Ньютона простым языком: объяснение, формулы, разбор задач

В этой статье команда Ворк5 подготовила разъяснение ключевых законов механики классического типа, а именно - трех законов Исаака Ньютона.

Законы Ньютона - три главных закона, при помощи которых можно записать уравнения движения, подходящие к любой системе механики при условии данных о силах, влияющих на ее составляющие. 1687 год стал годом публикации законов. Сам же сборник имеет название «Математические начала натуральной философии». По сей день законы являются аксиомами, подтвержденными научными экспериментами.

Фото: Midjourney

Формулировка и пояснение Первого закона

Согласно общепринятой формулировке, первый ньютоновский закон звучит следующим образом:

Существуют инерциальные системы отсчета, движение тел в которых происходит равномерно по прямой линии при условии отсутствия воздействующих на них внешних сил или же наличия скомпенсированного воздействия.

F = 0

Если применить закон к реальной жизни, то можно представить следующую картину: человек толкает телегу на колесах. Если мы исключаем такие факторы, что колеса трутся о землю, а воздух оказывает сопротивление, то данная телега будет катиться до бесконечности не сбавляя и не набирая скорости, т.е. по инерции.

Отсюда возникает определение инерции, согласно которому:

Инерция - это возможность предмета при движении удерживать одну величину скорости и держаться одного направления при отсутствии сил воздействия извне на него.

Первый закон Ньютона имеет негласное название «Закона инерции». До Сэра Исаака Ньютона предпринимались попытки выведения данной закономерности. В частности, Галилео Галилей в своих трудах упоминал о силе инерции, называя ее «неистребимо запечатленное движение». Ему даже удалось вывести свой закон, в котором говорится о том, что в случае воздействия на предмет, он либо находится в состоянии покоя, либо пребывает в равномерном движении. Получается, что своими трудами Ньютон как бы подытожил труды предыдущих ученых, связав все воедино.

Логично, что в реальных условиях ситуация с отсутствием воздействия внешних сил на предмет невозможна. Всегда есть действующая извне сила, которую не представляется возможным как-либо скомпенсировать. Однако на Международной космической станции добились отсутствия многих сил, чтобы достичь возможности состояния невесомости космонавтами, благодаря чему они могут летать на борту космического корабля.

Например, всем известна действующая на земле сила тяжести, которая не дает людям летать подобно птицам. Когда человек идет по своим делам, помимо силы тяжести на него действует масса сил, среди которых сила тяжести, трения, скольжения и сила Кориолиса.

На заметку! Под силой Кориолиса понимают следующее описание: если тело движется по земной поверхности, то в северном полушарии оно всегда имеет уклон вправо, а в южном наоборот, влево.

Формулировка и пояснение Второго закона

Вернемся к ситуации с тележкой. Чтобы запустить ее движение, к ней была приложена сила. В реальной ситуации исход события очевиден: тележка какое-то время проедет, начнет сбавлять скорость и в конце полностью прекратит движение. То есть, на протяжении всего пути скорость будет претерпевать изменения.

Это типичная ситуация для реалий мира. У любого предмета скорость движения изменчива. В ситуации с равномерным увеличением или уменьшением показателя скорости говорят о понятии равноускоренного движения.

Если сбросить абсолютно любой предмет с крыши здания, то он будет двигаться равноускоренно за счет воздействия непрерывного ускорения свободного падения, обозначаемого в физике буквой g.

Во Втором законе Ньютона прослеживается взаимосвязь между силой, оказывающей влияние на движущееся тело, его ускорением и массой. Формулировка Второго закона Ньтона звучит так:

Ускорение предмета (любой точки материи) в инерциальной системе отсчета имеет прямую пропорциональную зависимость от силы, воздействующей на него, и обратную зависимость от его массы.

F=ma

При этом а служит обозначением ускорения материальной точки, F - силой, оказывающей влияние на точку, m - массой предмета.Когда на предмет влияет сразу несколько сил, то в формуле появляется величина, обозначающая равнодействующую всех сил (сумма векторов).

Важно! Вышеописанная формулировка закона применима для движения предметов, чья скорость не превышает световую скорость.

Многим знакомо понятие «Дифференциальный ряд», который представляет собой более универсальную формулировку Второго закона.

Формулировка и пояснение Третьего закона

Третий закон нужен для описания взаимодействия тел. Выражение «На любое действие найдется противодействие» стало крылатым, а меж тем это не просто мудрое народное изречение, а трактование Третьего закона Ньютона, который имеет следующую формулировку:

Два тела оказывают друг на друга влияние с применением сил, противоположных по направлению, но одинаковых по модулю.

F₁=-F₂

Закон отрицает возможность существования сил, возникших самостоятельно без взаимодействующих тел.Если попробовать объяснить закон проще, то попробуйте надавить на стену. При этом вам только будет казаться, что один вы оказываете давление. Стенка в это время занимается тем же самым по отношению к вам. 

Решаем задачи с применением трех законов Ньютона

Во многих задачах по физике требуется знание с последующим применением не одного, а сразу двух зконов. Вот одна из них:

Пример:

Любитель экстрима решил совершить прыжок с парашютом. После прыжка с самолета, он раскрыл парашют и падает вниз с постоянной скоростью. Каков показатель силы сопротивления воздуха, если известно, что человек весит 100 кг?

Решение задачи будет следующим:

Движение человека является равномерным, по прямой линии. С учетом данных Первого закона Ньютона, воздействие внешних сил на человека - скомпенсированное.Также на парашютиста воздействуют две силы: тяжести и воздушного сопротивления, которые имеют противоположную направленность.Согласно Второго закона, сила тяжести имеет состоит из показателя ускорения свободного падения, умноженного на массу парашютиста.

Получаем ответ: Показатель силы сопротивления воздуха равен силе тяжести по модулю и противоположен по направлению.

А вот задача на знание Третьего закона:

Пример:

Синичка ударяется о лобовое стекло грузовика. Необходимо сравнить силы, оказывающие воздействие на птицу и автомобиль.

Решение этой задачи будет следующим:

Согласно формулировке Третьего закона Ньютона, силы воздействия тел друг на друга одинаковы по модулю и противоположны по направленности. То есть, сила, с которой синичка воздействует на грузовик не имеет отличия от силы воздействия грузового автомобиля на нее.

Другое дело, что из-за разницы в массе и ускорении, действие сил на эти тела отлично.

Немного из биографии И. Ньютона

Основной труд Исаака Ньютона был опубликован по преодолению 45-летнего возрастного рубежа. Стоит отметить, что он прожил довольно долгую жизнь, и умер в возрасте 83 лет, что для тех времен весьма редко. Но годы жизни не прошли напрасно, и мужчина внес огромнейший вклад в развитие физической науки, что предопределило тенденции ее развития на века вперед.

И. Ньютон был разноплановым ученым, занимающимся изучением не только явлений механики, но и химии и даже оптики. Помимо он любил рисовать в свободное время и был не чужд от написания стихотворений. Поэтому, нет ничего удивительного в том, что о столь талантливой персоне слагались целые легенды.

Мы сделали подборку фактов и мифов, которыми обросла личность И. Ньютона. Однако должны сказать сразу, что некоторые из мифов, возможно появились не просто так и имели под собой какие-то реальные исторические события, которые неизвестны в наши дни.

Итак, начнем с фактов:

1. Известного ученого слава не испортила. Он слыл человеком сдержанным, а порой и вовсе настоящим скромняком. Ему удалось увековечить свое имя благодаря трудам, а вот нахлынувшая слава была ему в тягость, и мужчина всяечки пытался избежать ее.

2. Учеба Исаака Ньютона проходила в знаменитом Кембриджском Университете, куда он позже устроился работать. В соответствии с правилами, несколько часов в неделю ученый должен был несколько часов в неделю посвящать занятиям со студентами. Удивительно, но его студенты тогда не осознавали, как им повезло с преподавателям: занятия посещались крайне неохотно и с частыми пропусками. Бывали случаи, что не приходило ни одного ученика. Возможно, это связано с тем, что Ньютон был больше ученым, чем преподавателем: а потому, ему самому занятия с молодежью были не столь интересны.

3. Мать ученого была категорически против увлечения сына-подростка науками. Она видела для него будущее в ведении большого хозяйства на собственной ферме. По окончанию школы парня ждали бесконечные грядки со свёклой, удобрение огородов навозом и проведение вечеров с выпивохами в местном баре, но школьным учителям и дяде мальчика удалось уговорить женщину позволить продолжить ему обучение в университете. Хороший риторический вопрос - как бы сложилось дальнейшее развитие науки, если бы мать так и не позволила Исааку учиться.

А вот и некоторые мифы о жизни ученого:

1. История с упавшим на голову бедного Ньютона яблоком известна всем с детства, будто бы именно в тот момент в его голову пришло озарение. Падение фрукта, действительно, имело место быть. Во время эпидемии чумы (1665-67 гг) он был вынужден покинуть стены университета. По сей день нет точного подтверждения тому, что упавшее яблоко так повлияло на развитие науки, поскольку первые упоминания о нем можно найти в биографических произведениях о Ньютоне, изданных после его смерти.

2. С 1689 года ученый входил в состав парламента города Кембридж. Согласно легенде, он всегда молчал, а единственная ситуация, при которой он попросил слово, свелась к тому, что он попросил прикрыть окно из-за мешающего ему сквозняка.

Таким образом, не стоит доверять всему, что слышите о гениальном ученом. Одно мы знаем наверняка - Законы, которые он вывел и подтвердил практическими исследованиями, останутся актуальными на долгие тысячелетия, а значит, и имя ученого не будет забыто.

Уважаемые читатели! Помните о том, что для любой задачи свойственно наличие решения. В случае затруднения в поиске решения необходимо вспомнить основные формулы по теме. Вполне вероятно, что ответ ближе, чем кажется. Ну а в случае отсутствия времени, желания или сил на это, команда Ворк5 готова прийти вам на помощь.