3 закон ньютона формула

Историческая справка

Законы английского математика, физика, философа и активного религиозного деятеля Исаака Ньютона не возникли спонтанно в его разуме. Появлению их строгой математической формулировки предшествовали работы многих ученых древности, Средних веков и нового времени. Необходимо назвать следующие фамилии:

Исаак ньютон

  1. Аристотель, который полагал, что всякое движение является результатом действия внешних сил на тело. Без их постоянного приложения объект должен незамедлительно остановиться. Эти ошибочные представления о перемещении тел просуществовали практически до XV века из-за авторитета Аристотеля в научном мире.
  2. Галилей. Считается, что этот итальянец за несколько десятков лет до Ньютона уже сформулировал его первые два закона. Тем не менее его формулировки не носили строгий математический характер. Главная заслуга Галилея заключается во введении научного метода исследования, который гласил, что пассивные эмпирические наблюдения за природными процессами могут иногда приводить к ошибочным умозаключениям. Для получения истинных знаний необходимо ставить эксперименты.
  3. Кеплер. Немецкий ученый, который, основываясь на множестве экспериментальных наблюдений за перемещением небесных тел и светил, смог вывести математические законы их движения.

В конце XVII века Исаак Ньютон, пользуясь богатым научным опытом человечества, смог сформулировать первый, второй и третий свои законы, которые описывали точно любые механические движения тел. В это время английский ученый также получает математический закон всемирного тяготения, который оказывается универсальным при описании полетов твердых тел вблизи поверхности нашей планеты и при расчете перемещения планет и других космических объектов.

Краткое содержание постулатов

Законы, или постулаты, Ньютона в классической механике полностью описывают любые перемещения тел в пространстве. Этих законов три. Кратко суть каждого из них можно выразить следующим образом:

Третий закон ньютона формула

  1. Первый говорит о существовании невозмущенного ничем движения тела в пространстве. Иными словами, если на объект не действует ни одна из внешних сил, то он либо остается в состоянии покоя, либо движется прямо по прямой линии с постоянной скоростью.
  2. Второй гласит, что действующая на тело сила приводит к возмущению его механического состояния, то есть к появлению ускорения a-. Причем векторная величина a- прямо пропорциональна внешней силе, действующей на тело, и обратно пропорциональна его массе.
  3. Третий закон свидетельствует об отсутствии в природе одиночных или непарных сил. Любое силовое взаимодействие между рассматриваемыми объектами сопровождается появлением пары эквивалентных сил действия и противодействия.

Законы Исаака Ньютона не являются безусловными и работающими в любых ситуациях. Они ограничены тремя основными факторами, определяющими границы их использования:

Определение третий закон ньютона

  1. В случае скоростей перемещения близких к скорости света следует использовать теорию относительности, а не классическую механику. Это также относится для случаев больших масс тел, например, черных дыр, которые искривляют вблизи себя пространство-время.
  2. Квантово-механические явления не описываются законами Ньютона. Например, движение электрона через дифракционную решетку или превращения в результате столкновений элементарных частиц.
  3. Постулаты классической механики можно использовать лишь в инерциальных системах отчета, то есть в таких системах, в которых любое ускорение у тела возникает в результате действия конкретных сил. В неинерциальных системах отчета (например, когда наблюдатель находится на вращающемся вокруг своей оси плоском диске) приходится вводить фиктивные силы, которые позволяют воспользоваться ньютоновскими постулатами.

Действие и противодействие

Для самого ученого закон Ньютона 3-й ценен тем, что он, по сути, является абсолютно новым восприятием существующего мира. Если первые два постулата уже упоминались в тех или иных формах до великого английского ученого, то третий является исключительно продуктом его размышлений.

Формулировка закона

Прежде чем сформулировать рассматриваемый постулат, следует изучить следующий простой случай: бросок мяча и его отскакивание от неподвижной стены. Понятно, что после соприкосновения со стеной мяч испытывает некоторую упругую деформацию, которая впоследствии заставляет его изменить свое направление полета на противоположное.

Третий закон ньютона

В итоге получается, что мяч в момент столкновения, оказывает некоторое силовое воздействие на стену. Если бы она не была закреплена, то сдвинулась с места в направлении полета мяча. Поскольку последний меняет вектор своего перемещения на противоположный, значит, стена также оказывает на него силовое воздействие, но его вектор уже будет противоположным рассмотренному.

Формулировка третьего закона Ньютона звучит так: на любое действие существует всегда противодействие, причем их силы равны по модулю, противоположны по направлению и приложены к разным телам.

Математическая формула этого постулата выражается следующим образом:

F12- = -1*F21-.

Здесь знак черты говорит о рассмотрении векторной величины. Цифры 1 и 2 указывают номер тела, которое действует, и номер, на которое оно действует, соответственно.

Примеры из жизни

Проявления третьего ньютоновского постулата окружают каждого человека ежедневно. Следующие примеры являются яркой его демонстрацией:

3 закон ньютона

Третий закон ньютона формула

  1. Пловец в бассейне, совершая разворот на 180 градусов, отталкивается от борта. При этом он воздействует на стенку бассейна с некоторой силой. Она же, в свою очередь, оказывает аналогичное по величине, но противоположное силовое воздействие на тело пловца, что приводит к изменению его направления движения.
  2. Колеса автомобиля при движении отталкиваются от поверхности земли. Это можно наблюдать, если увидеть, как буксует колесо по щебню (последний летит назад). Толкая поверхность назад, колесо обеспечивает аналогичный толчок со стороны поверхности, но уже вперед, что приводит к движению автомобиля. Аналогичная ситуация с ходьбой человека.
  3. Полет птицы или самолета возможен лишь потому, что они отталкивают воздух вниз и назад. Соответственно сам воздух толкает тела вверх и вперед. Эти силы обеспечивают состояние полета. Аналогичным образом ведет себя ракета, выбрасывающая с огромной скоростью сгорающее топливо из своего сопла. Третий постулат Ньютона позволил сформулировать закон сохранения импульса в изолированных системах.
  4. Тарелка с супом, которая стоит на столе, испытывает воздействие со стороны его поверхности. Эта сила называется реакцией опоры, имеющей природу упругости. В свою очередь, сама поверхность стола прогибается за счет действия на нее веса тарелки.
  5. Прыжок человека вверх возможен только потому, что, толкая с определенной силой поверхность земли, он испытывает с ее стороны аналогичный толчок, но уже не вниз, а вверх.
  6. Планета Земля не дает ее спутнику — Луне улететь в открытый космос благодаря ее удержанию на своей орбите за счет действия силы всемирного тяготения. Однако, с точно такой же по величине силой Луна притягивает Землю, что приводит к колебаниям орбиты планеты и существованием на ней явлений приливов и отливов в морях и океанах.

Решение задачи

Для того чтобы успешно решать задачи по физике на третий ньютоновский закон необходимо понимать, что в нем идет речь о действии тел друг на друга. Иными словами можно сказать, что точки приложения равных по модулю и противоположных по направлению сил отличаются.

Пусть лошадь тянет в гору телегу. Необходимо определить, какие силы действуют на каждое тело, и почему вся система движется вперед, а не стоит на месте.

На первый взгляд может показаться, что система вообще двигаться не должна, ведь телега, согласно изучаемому закону, тянет лошадь назад ровно с такой же силой, с которой она тянет ее вперед. Однако, помимо телеги на животное действуют также следующие силы:

3 закон ньютона формула задача

  • реакции опоры;
  • проекция силы тяжести на наклонную плоскость;
  • трение (лошадь трет своими копытами о поверхность);
  • тяга, которая появляется в результате толчка вперед со стороны поверхности.

На телегу осуществляют действие те же силы, что и на животное, только вместо толчка со стороны поверхности, на нее воздействует тяга лошади.

Из анализа сил можно понять, что система «лошадь — телега» движется в гору по той причине, что тяга по величине превышает сумму всех остальных сил. Важно понимать, что справедливость третьего постулата Ньютона не зависит от факта наличия или отсутствия ускорения в системе.

Закон действия и противодействия предполагает мгновенное воздействие тел друг на друга, то есть с бесконечной скоростью. При изучении явлений электромагнетизма это условие невыполнимо, поскольку скорость света ограничена конкретной конечной величиной. Тем не менее для точного решения большинства практических задач можно полагать, что тела взаимодействуют мгновенно.