TRZECIE PRAWO NEWTONA: ZASTOSOWANIA, EKSPERYMENTY I ĆWICZENIA - FIZYCZNY - 2025

Trzecie prawo Newtona , zwany także działania i prawa reakcji stany że gdy obiekt wywiera siłę na drugim, te ostatnie są także wywiera na pierwszej siły równej wielkości i kierunku oraz w kierunku przeciwnym.

Isaac Newton ogłosił swoje trzy prawa w 1686 roku w swojej książce Philosophiae Naturalis Principia Mathematica lub Mathematical Principles of Natural Philosophy.

Rakieta kosmiczna otrzymuje niezbędny napęd dzięki wyrzucanym gazom. Źródło: Pixabay.

Wyjaśnienie i wzory

Matematyczne sformułowanie trzeciego prawa Newtona jest bardzo proste:

F ₁₂ = - F ₂₁

Jedną z sił nazywamy działaniem, a drugą reakcją. Trzeba jednak podkreślić wagę tego szczegółu: oba działają na różne obiekty. Robią to również jednocześnie, chociaż ta terminologia błędnie sugeruje, że akcja zachodzi przed, a reakcja po.

Ponieważ siły są wektorami, zaznaczono je pogrubioną czcionką. To równanie wskazuje, że mamy dwa obiekty: obiekt 1 i obiekt 2. Siła F ₁₂ jest siłą wywieraną przez obiekt 1 na obiekt 2. Siła F ₂₁ jest wywierana przez obiekt 2 na obiekt 1. A znak (-) wskazuje, że są przeciwne.

Uważnie obserwując trzecie prawo Newtona, można zauważyć ważną różnicę w przypadku dwóch pierwszych: podczas gdy odwołują się do jednego przedmiotu, trzecie prawo odnosi się do dwóch różnych obiektów.

A jeśli dobrze się zastanowić, interakcje wymagają par obiektów.

Z tego powodu siły działania i reakcji nie znoszą się nawzajem lub są zrównoważone, mimo że mają tę samą wielkość i kierunek, ale kierunek przeciwny: są przykładane do różnych ciał.

Aplikacje

Interakcja piłka-ziemia

Oto bardzo codzienne zastosowanie interakcji związanej z trzecim prawem Newtona: pionowo spadającą kulą i Ziemią. Piłka upada na ziemię, ponieważ Ziemia wywiera siłę przyciągania, znaną jako grawitacja. Siła ta powoduje upadek piłki ze stałym przyspieszeniem 9,8 m / s ² .

Jednak mało kto myśli o tym, że piłka oddziałuje również na Ziemię w siłę przyciągającą. Oczywiście Ziemia pozostaje niezmieniona, ponieważ jej masa jest znacznie większa niż masa kuli i dlatego przyśpieszenie jest znikome.

Inną godną uwagi kwestią dotyczącą trzeciego prawa Newtona jest to, że kontakt między dwoma oddziałującymi obiektami nie jest konieczny. Wynika to z przytoczonego właśnie przykładu: piłka jeszcze nie weszła w kontakt z Ziemią, niemniej jednak przyciąga. I piłka na Ziemi też.

Siła taka jak grawitacja, która działa niewyraźnie niezależnie od tego, czy istnieje kontakt między przedmiotami, czy nie, nazywana jest „siłą działania na odległość”. Z drugiej strony siły takie jak tarcie i normalne wymagają, aby oddziałujące obiekty były w kontakcie, dlatego nazywa się je „siłami kontaktowymi”.

Formuły zaczerpnięte z przykładu

Wracając do pary obiektów kulka - Ziemia, wybierając wskaźniki P dla kuli i T dla ziemi i stosując drugie prawo Newtona do każdego uczestnika tego układu, otrzymujemy:

_Wynikowe F = m. do

Trzecia ustawa stanowi, że:

m _P a _P = - m _T a _T

a _P = 9,8 m / s ² skierowane pionowo w dół. Ponieważ ruch ten odbywa się wzdłuż kierunku pionowego, można zrezygnować z zapisu wektorowego (pogrubienie); i wybierając kierunek w górę jako dodatni, a w dół jako ujemny, otrzymujemy:

a _P = 9,8 m / s ²

m _T ≈ 6 x 10 ²⁴ Kg

Niezależnie od masy kuli przyspieszenie Ziemi wynosi zero. Dlatego obserwuje się, że piłka spada w kierunku Ziemi, a nie odwrotnie.

Działanie rakiety

Rakiety są dobrym przykładem zastosowania trzeciego prawa Newtona. Rakieta pokazana na obrazku na początku wznosi się dzięki napędowi gorących gazów z dużą prędkością.

Wielu uważa, że ​​dzieje się tak, ponieważ gazy te w jakiś sposób „opierają się” o atmosferę lub ziemię, aby wspierać i napędzać rakietę. To tak nie działa.

Tak jak rakieta wywiera siłę na gazy i wyrzuca je do tyłu, tak gazy wywierają siłę na rakietę, która ma ten sam moduł, ale przeciwny kierunek. Siła ta nadaje rakiecie przyspieszenie do góry.

Jeśli nie masz pod ręką takiej rakiety, istnieją inne sposoby sprawdzenia, czy Trzecie prawo Newtona zapewnia napęd. Można budować rakiety wodne, w których niezbędny ciąg zapewnia woda wyrzucana za pomocą gazu pod ciśnieniem.

Należy zauważyć, że wystrzelenie rakiety wodnej wymaga czasu i wielu środków ostrożności.

Korzystanie z łyżew

Bardziej przystępnym i natychmiastowym sposobem sprawdzenia efektu trzeciego prawa Newtona jest założenie pary rolek i uderzenie o ścianę.

W większości przypadków zdolność do wywierania siły jest związana z obiektami w ruchu, ale prawda jest taka, że ​​obiekty nieruchome również mogą wywierać siły. Dzięki sile, jaką wywiera na niego nieruchoma ściana, łyżwiarz jest cofany.

Powierzchnie stykające się wywierają (normalne) siły kontaktu ze sobą. Kiedy książka spoczywa na poziomym stole, wywiera na nią pionową siłę zwaną normalną. Książka wywiera na stół siłę pionową o tej samej wartości liczbowej i przeciwnym kierunku.

Eksperyment dla dzieci: łyżwiarze

Dzieci i dorośli mogą z łatwością doświadczyć trzeciego prawa Newtona i sprawdzić, czy siły akcji i reakcji nie znoszą się i są w stanie zapewnić ruchy.

Dwóch łyżwiarzy na lodzie lub na bardzo gładkiej powierzchni może napędzać się nawzajem i doświadczać ruchów w przeciwnym kierunku, niezależnie od tego, czy mają taką samą masę, czy nie, dzięki prawu akcji i reakcji.

Rozważmy dwóch rolkarzy o zupełnie różnych masach. Znajdują się na środku lodowiska z znikomym tarciem i początkowo są w spoczynku. W danym momencie popychają się wzajemnie, stosując stałą siłę dłońmi. Jak oboje będą się poruszać?

Dwóch łyżwiarzy napędza się nawzajem na środku lodowiska. Źródło: Benjamin Crowell (użytkownik Wikipedii bcrowell)

Należy zauważyć, że ponieważ jest to powierzchnia bez tarcia, jedynymi niezrównoważonymi siłami są siły, które rolkarze przykładają do siebie. Chociaż ciężar i normalne działanie na oba, siły te równoważą się, w przeciwnym razie rolkarze przyspieszaliby w kierunku pionowym.

Formuły zastosowane w tym przykładzie

Trzecie prawo Newtona stanowi, że:

F ₁₂ = - F ₂₁

Oznacza to, że siła wywierana przez łyżwiarza 1 na 2 jest równa wielkości siły wywieranej przez 2 na 1, z tym samym kierunkiem i przeciwną. Zwróć uwagę, że siły te są przykładane do różnych obiektów w taki sam sposób, w jaki siły zostały przyłożone do piłki i Ziemi w poprzednim przykładzie koncepcyjnym.

m ₁ do ₁ = -m ₂ do ₂

Ponieważ siły są przeciwne, przyspieszenia, które wywołują, będą również przeciwne, ale ich wartości będą różne, ponieważ każdy łyżwiarz ma inną masę. Spójrzmy na przyspieszenie uzyskane przez pierwszego rolkarza:

Tak więc ruch, który następuje później, to rozdzielenie obu rolkarzy w przeciwnych kierunkach. Zasadniczo łyżwiarze odpoczywali na środku toru. Każdy z nich wywiera na siebie siłę, która zapewnia przyspieszenie tak długo, jak długo ręce są w kontakcie i siła ciągu trwa.

Następnie łyżwiarze oddalają się od siebie równomiernym ruchem prostoliniowym, ponieważ niezrównoważone siły już nie działają. Prędkość każdego łyżwiarza będzie inna, jeśli także ich masy.

Ćwiczenie rozwiązane

Aby rozwiązać problemy, w których trzeba zastosować prawa Newtona, konieczne jest staranne narysowanie sił działających na obiekt. Ten rysunek jest nazywany „diagramem swobodnego ciała” lub „diagramem izolowanego ciała”. Na tym schemacie nie należy przedstawiać sił wywieranych przez ciało na inne obiekty.

Jeśli problem dotyczy więcej niż jednego obiektu, konieczne jest narysowanie diagramu swobodnego ciała dla każdego z obiektów, pamiętając, że pary akcja-reakcja oddziałują na różne ciała.

a) Przyspieszenie, które każdy z zawodników uzyskuje dzięki pchnięciu.

b) Prędkość każdego z nich, gdy się rozdzielają

Rozwiązanie

a) Przyjmij dodatni kierunek poziomy od lewej do prawej. Stosując drugie prawo Newtona z wartościami podanymi w stwierdzeniu, mamy:

F ₂₁ = m ₁ do ₁

Skąd:

Dla drugiego zawodnika:

b) Równania kinematyczne ruchu prostoliniowego przyśpieszonego jednostajnie służą do obliczania prędkości, którą przenoszą, tak jak rozdzielają:

Prędkość początkowa wynosi 0, ponieważ znajdowali się w spoczynku w środku toru:

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

Wyniki

Zgodnie z oczekiwaniami osoba 1 będąc lżejszą, uzyskuje większe przyspieszenie, a tym samym większą prędkość. Teraz zwróć uwagę na iloczyn masy i prędkości każdego zawodnika:

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

Suma obu iloczynów wynosi 0. Iloczyn masy i prędkości nazywamy pędem P. Jest to wektor o tym samym kierunku i zwrocie prędkości. Kiedy łyżwiarze odpoczywali i ich ręce stykały się z nimi, można było założyć, że tworzyli ten sam obiekt, którego pęd był:

P _o = (m ₁ + m ₂ ) v _o = 0

Po zakończeniu pchnięcia wielkość ruchu systemu do jazdy na rolkach pozostaje równa 0. Dlatego ilość ruchu jest zachowana.

Przykłady trzeciego prawa Newtona w życiu codziennym

Spacerować

Chodzenie to jedna z najbardziej codziennych czynności, które można wykonać. Jeśli jest uważnie obserwowany, chodzenie wymaga dociskania stopy do podłoża, tak aby odwracała równą i przeciwną siłę na stopę chodzika.

Idąc, nieustannie stosujemy trzecie prawo Newtona. Źródło: Pixabay.

To właśnie ta siła pozwala ludziom chodzić. W locie ptaki wywierają siłę na powietrze, a powietrze odpycha skrzydła, tak że ptak leci do przodu.

Ruch samochodu

W samochodzie koła wywierają siły na nawierzchnię. Dzięki reakcji nawierzchni wywiera siły na opony, które napędzają samochód do przodu.

Sport

W sporcie siły akcji i reakcji są liczne i mają bardzo aktywny udział.

Na przykład zobaczmy sportowca ze stopą opartą na klocku startowym. Blok zapewnia normalną siłę w reakcji na nacisk, jaki wywiera na niego sportowiec. Rezultatem tej normalności i ciężaru biegacza jest siła pozioma, która pozwala atlecie poruszać się do przodu.

Zawodnik używa bloku startowego, aby dodać pęd do przodu na starcie. Źródło: Pixabay.

Węże gaśnicze

Innym przykładem, w którym występuje trzecie prawo Newtona, jest sytuacja, w której strażacy trzymają węże strażackie. Koniec tych dużych węży ma uchwyt na dyszy, który strażak musi trzymać, gdy wypływa strumień wody, aby uniknąć odrzutu, który występuje, gdy woda szybko wypływa.

Z tego samego powodu wygodnie jest przywiązać łodzie do doku przed ich opuszczeniem, ponieważ popychając się, aby dotrzeć do doku, do łodzi jest dostarczana siła, która odsuwa ją od niej.

Bibliografia

1. Giancoli, D. 2006. Fizyka: Zasady z zastosowaniami. Wydanie szóste. Prentice Hall. 80 - 82.
2. Rex, A. 2011. Podstawy fizyki. Osoba. 73 - 75.
3. Tipler, P. 2010. Fizyka. Tom 1. Wydanie 5. Od redakcji Reverté. 94 - 95.
4. Stern, D. 2002. Od astronomów do statków kosmicznych. Zaczerpnięte z: pwg.gsfc.nasa.gov.