NEWTONOV TRETÍ ZÁKON: APLIKÁCIE, EXPERIMENTY A CVIČENIA - FYZICKÝ - 2025

Tretí zákon Newton , tiež nazývané akcie a reakcie zákon hovorí, že keď sa objekt pôsobí núti na ďalšie, druhé tiež pôsobí na prvý silou rovnakej veľkosti a smeru a v opačnom smere.

Isaac Newton zverejnil svoje tri zákony v roku 1686 vo svojej knihe Philosophiae Naturalis Principia Mathematica alebo Matematické základy prírodnej filozofie.

Vesmírna raketa dostáva potrebný pohon vďaka vylúčeným plynom. Zdroj: Pixabay.

Vysvetlenie a vzorce

Matematická formulácia Newtonovho tretieho zákona je veľmi jednoduchá:

F ₁₂ = - F ₂₁

Jedna zo síl sa nazýva akcia a druhá je reakcia. Je však potrebné zdôrazniť dôležitosť tohto detailu: oba pôsobia na rôzne objekty. Robia to tiež súčasne, aj keď táto terminológia nesprávne naznačuje, že konanie nastane skôr a potom.

Pretože sily sú vektory, sú označené tučným písmom. Táto rovnica naznačuje, že máme dva objekty: objekt 1 a objekt 2. Sila F ₁₂ je sila, ktorú pôsobí objekt 1 na objekt 2. Sila F ₂₁ sa uplatňuje objektom 2 na objekt 1. A znamienko (-) znamená, že sú oproti.

Starostlivé pozorovanie Newtonovho tretieho zákona ukazuje dôležitý rozdiel v porovnaní s prvými dvoma: tretí zákon sa síce odvoláva na jediný predmet, ale na dva rôzne predmety.

A je to tak, že ak premýšľate pozorne, interakcie vyžadujú dvojice predmetov.

Z tohto dôvodu sa akčné a reakčné sily navzájom nezrušia alebo sú vyvážené, aj keď majú rovnakú veľkosť a smer, ale opačný smer: pôsobia na rôzne telá.

aplikácia

Interakcia gule - zem

Toto je veľmi každodenná aplikácia interakcie týkajúcej sa Newtonovho tretieho zákona: vertikálne padajúcej gule a Zeme. Lopta padá na zem, pretože Zem vyvíja atraktívnu silu, ktorá je známa ako gravitácia. Táto sila spôsobí, že sa lopta padať s konštantným zrýchlenia 9,8 m / s ² .

Sotva však niekto premýšľa o tom, že lopta tiež pôsobí príťažlivou silou na Zem. Zem samozrejme zostáva nezmenená, pretože jej hmotnosť je oveľa väčšia ako hmotnosť lopty, a preto dochádza k zanedbateľnému zrýchleniu.

Ďalším pozoruhodným bodom tretieho Newtonovho zákona je, že kontakt medzi dvoma vzájomne sa ovplyvňujúcimi objektmi nie je potrebný. Z uvedeného príkladu je zrejmé: lopta sa ešte nedostala do kontaktu so Zemou, napriek tomu však priťahuje. A lopta aj na Zemi.

Sila, ako je gravitácia, ktorá bez rozdielu pôsobí, či existuje medzi objektmi kontakt alebo nie, sa nazýva „sila pôsobenia na diaľku“. Na druhej strane sily, ako sú trenie a normálne, si vyžadujú, aby sa interagujúce objekty dostali do kontaktu, a preto sa nazývajú „kontaktné sily“.

Vzorce z príkladu

Vracajúc sa na loptu - pár objektov Earth, výberom indexov P ​​pre loptu a T pre zem a uplatnením Newtonovho druhého zákona na každého účastníka v tomto systéme, získame:

_Výsledný F = m. na

Tretí zákon uvádza, že:

m _P a _P = - _mT a _T

a _P = 9,8 m / s ² nasmerované vertikálne nadol. Pretože k tomuto pohybu dochádza pozdĺž vertikálneho smeru, je možné upustiť od vektorového zápisu (tučné písmo); a zvoliť smer nahor ako pozitívny a nadol ako negatívny, máme:

_P = 9,8 m / s ²

m _T ≈ 6 x 10 ²⁴ kg

Bez ohľadu na hmotnosť lopty je zrýchlenie Zeme nulové. Z tohto dôvodu sa zistilo, že lopta padá smerom k Zemi a nie naopak.

Prevádzka rakety

Rakety sú dobrým príkladom uplatňovania Newtonovho tretieho zákona. Raketa znázornená na obrázku na začiatku stúpa vďaka pohonu horúcich plynov vysokou rýchlosťou.

Mnohí veria, že k tomu dôjde, pretože tieto plyny sa nejako „opierajú“ o atmosféru alebo zem, aby podporili a poháňali raketu. Takto to nefunguje.

Rovnako ako raketa vyvíja silu na plyny a vytláča ich späť, plyny vyvíjajú silu na raketu, ktorá má rovnaký modul, ale opačný smer. Táto sila dáva rakete vzostupné zrýchlenie.

Ak nemáte takúto raketu po ruke, existujú aj iné spôsoby, ako skontrolovať, či Newtonov tretí zákon funguje na zabezpečenie pohonu. Môžu byť vybudované vodné rakety, v ktorých je potrebný tlak zabezpečený vodou vytlačenou pomocou plynu pod tlakom.

Je potrebné poznamenať, že spustenie vodnej rakety si vyžaduje čas a vyžaduje si veľa preventívnych opatrení.

Použitie korčúľ

Cenovo dostupnejším a okamžitým spôsobom, ako otestovať účinok Newtonovho tretieho zákona, je nasadiť korčule a pohnúť sa proti stene.

Schopnosť vyvíjať silu sa väčšinou spája s objektmi, ktoré sú v pohybe, ale pravdou je, že imobilné objekty môžu tiež vyvíjať sily. Korčuliar je poháňaný dozadu vďaka sile, ktorú na neho pôsobí imobilná stena.

Povrchy, ktoré sú v kontakte, vyvíjajú (normálne) kontaktné sily medzi sebou. Keď kniha spočíva na vodorovnom stole, pôsobí na ňu zvislou silou nazývanou normálna. Kniha vyvíja na stôl zvislú silu rovnakej číselnej hodnoty a opačného smeru.

Experiment pre deti: korčuliarov

Deti a dospelí môžu ľahko zažiť Newtonov tretí zákon a overiť, že akčné a reakčné sily sa nezrušia a sú schopné zabezpečiť pohyby.

Dvaja korčuliari na ľade alebo na veľmi hladkom povrchu sa môžu navzájom pohnúť a zažiť pohyby v opačnom smere, či už majú rovnakú hmotnosť alebo nie, vďaka zákonu pôsobenia a reakcie.

Zoberme si dvoch korčuliarov s celkom rozdielnymi hmotnosťami. Sú uprostred klziska so zanedbateľným trením a spočiatku sú v pokoji. V danom okamihu sa navzájom tlačia pomocou stálej sily dlaňami. Ako sa budú obaja pohybovať?

Dvaja korčuliari sa navzájom poháňajú v klzisku. Zdroj: Benjamin Crowell (užívateľ Wikipedia bcrowell)

Je dôležité si uvedomiť, že keďže ide o povrch bez trenia, jedinými nevyváženými silami sú sily, ktoré na seba korčuliarov pôsobia. Aj keď hmotnosť a normálny účinok pôsobia na obidve tieto sily, vyrovnajú sa, ináč by sa korčuliarovi zrýchlili vo vertikálnom smere.

Vzorce použité v tomto príklade

Newtonov tretí zákon uvádza, že:

F ₁₂ = - F ₂₁

To znamená, že sila vyvinutá korčuliarmi 1 na 2 je rovnaká ako sila vyvinutá korčuliarmi 1 na 1 v rovnakom smere a opačnom smere. Všimnite si, že tieto sily sú aplikované na rôzne objekty, rovnakým spôsobom, ako sily boli aplikované na loptu a Zem v predchádzajúcom koncepčnom príklade.

m ₁ až ₁ = -m ₂ až ₂

Pretože sily sú opačné, zrýchlenie, ktoré spôsobia, bude tiež opačné, ale ich veľkosť bude rôzna, pretože každý korčuliar má inú hmotnosť. Pozrime sa na zrýchlenie, ktoré získal prvý korčuliar:

Ďalším pohybom je teda oddelenie oboch korčuliarov v opačných smeroch. Korčuliari boli v zásade v strede dráhy v kľude. Každá z nich pôsobí silou na druhú, ktorá poskytuje zrýchlenie, pokiaľ sú ruky v kontakte a ťah trvá.

Potom sa korčuliarovia od seba vzdialia rovnomerným priamočiarym pohybom, pretože nevyvážené sily už nepôsobia. Rýchlosť každého korčuliarov sa bude líšiť, ak bude ich hmotnosť tiež.

Cvičenie bolo vyriešené

Na vyriešenie problémov, v ktorých sa musia uplatňovať Newtonove zákony, je potrebné opatrne pritiahnuť sily pôsobiace na predmet. Táto kresba sa nazýva „schéma voľného tela“ alebo „schéma izolovaného tela“. Sily, ktoré telo vyvíja na iné objekty, by nemali byť na tomto diagrame znázornené.

Ak je do problému zapojených viac ako jeden objekt, je potrebné pre každý z objektov nakresliť schému voľného tela, pričom treba pamätať na to, že páry akcie a reakcie pôsobia na rôzne telá.

a) Zrýchlenie, ktoré každý korčuliar získa vďaka tlaku.

b) Rýchlosť každého z nich, keď sa oddeľujú

Riešenie

a) Prejdite pozitívnym horizontálnym smerom zľava doprava. Použitím Newtonovho druhého zákona s hodnotami uvedenými vo vyhlásení máme:

F ₂₁ = m ₁ , aby ₁

Odkiaľ:

Pre druhého korčuliarov:

b) Kinematické rovnice rovnomerne zrýchleného priamočiareho pohybu sa používajú na výpočet rýchlosti, ktorú nesú, keď sa oddeľujú:

Počiatočná rýchlosť je 0, pretože boli v pokoji v strede dráhy:

v _f = at

v _f1 = a ₁ T = -4 m / s ² . 0,40 s = -1,6 m / s

v _f2 = a ₂ T = 2,5 m / s ² . 0,40 s = +1 m / s

výsledok

Ako sa očakávalo, ľahší človek 1 získa väčšie zrýchlenie a teda vyššiu rýchlosť. Teraz si všimnite nasledujúce informácie o súčasti hmotnosti a rýchlosti každého korčuliarov:

m ₁ v ₁ = 50 kg. (-1,6 m / s) = - 80 kg.m / s

m ₂ v ₂ = 80 kg. 1 m / s = +80 kg.m / s

Súčet obidvoch produktov je 0. Produkt hmotnosti a rýchlosti sa nazýva hybnosť P. Je to vektor s rovnakým smerom a rýchlosťou. Keď boli korčuliarov v pokoji a ruky boli v kontakte, bolo možné predpokladať, že vytvorili ten istý predmet, ktorého hybnosť bola:

P _o = (m ₁ + m ₂ ) v _O = 0

Po dokončení zatlačenia zostáva pohybová rýchlosť korčuľovacieho systému 0, takže pohybová rýchlosť je zachovaná.

Príklady Newtonovho tretieho zákona v každodennom živote

chôdza

Chôdza je jednou z naj každodennejších akcií, ktorú je možné vykonať. Ak sa pozorne pozoruje, činnosť chôdze si vyžaduje potlačenie chodidla proti zemi, takže vracia rovnakú a opačnú silu na chodidlo chodca.

Keď ideme, neustále aplikujeme Newtonov tretí zákon. Zdroj: Pixabay.

Práve táto sila umožňuje ľuďom chodiť. Počas letu vtáky vyvíjajú silu na vzduch a vzduch tlačí krídla tak, aby sa vták pohyboval dopredu.

Pohyb vozidla

V aute kolesá vyvíjajú sily na vozovku. Vďaka reakcii vozovky vyvíja sily na pneumatiky, ktoré poháňajú vozidlo vpred.

šport

V športe sú sily akcie a reakcie početné a majú veľmi aktívnu účasť.

Napríklad sa pozrime na atléta s nohou spočívajúcou na štartovacom bloku. Blok poskytuje normálnu silu v reakcii na tlak, ktorý naň atlét vyvíja. Výsledok tohto normálu a hmotnosť bežca vedú k vodorovnej sile, ktorá umožňuje športovcovi posunúť sa vpred.

Športovec použije štartovací blok na zvýšenie rýchlosti pohybu na začiatku. Zdroj: Pixabay.

Požiarne hadice

Ďalším príkladom Newtonovho tretieho zákona sú hasiči, ktorí majú požiarne hadice. Koniec týchto veľkých hadíc má na tryske rukoväť, ktorú musí hasič držať pri výstupe prúdu vody, aby sa zabránilo spätnému rázu, ku ktorému dôjde, keď voda prúdi.

Z toho istého dôvodu je vhodné priviazať lode k doku pred ich opustením, pretože keď sú tlačené k dosiahnutiu doku, je na loď poskytnutá sila, ktorá ju od nej odvezie.

Referencie

1. Giancoli, D. 2006. Fyzika: Princípy s aplikáciami. Šieste vydanie. Prentice Hall. 80 - 82.
2. Rex, A. 2011. Základy fyziky. Pearson. 73 - 75.
3. Tipler, P. 2010. Physics. Zväzok 1. 5. vydanie. Redakcia Reverté. 94 - 95.
4. Stern, D. 2002. Od astronómov po vesmírne lode. Prevzaté z: pwg.gsfc.nasa.gov.