ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Формулировка первого закона Ньютона. Существуют такие системы отсчета, относительно которых тело сохраняет состояние покоя или состояние равномерного прямолинейного движения, если на него не действуют другие тела или действие других тел компенсируется.
Описание первого закона Ньютона
Например, шарик на нитке висит в покое, потому что сила тяжести компенсируется силой натяжения нити.
Первый закон Ньютона выполняется только в . Например, тела, находящиеся в покое в салоне самолета, который движется равномерно, могут прийти в движение без всякого воздействия на них других тел, если самолет начнет маневрировать. В транспорте при резком торможении пассажиры падают, хотя никто их не толкает.
Первый закон Ньютона показывает, что состояние покоя и состояние не требуют для своего поддержания внешних воздействий. Свойство свободного тела сохранять скорость неизменной называется инерцией. Поэтому первый закон Ньютона называют ещё законом инерции . Равномерное прямолинейное движение свободного тела называется движением по инерции.
Первый закон Ньютона содержит два важных утверждения:
- все тела обладают свойством инерции;
- инерциальные системы отсчета существуют.
Следует помнить, что в первом законе Ньютона речь идет о телах, которые могут быть приняты за .
Закон инерции отнюдь не очевиден, как это может показаться на первый взгляд. С его открытием было покончено с одним давним заблуждением. До этого на протяжении веков считалось, что при отсутствии внешних воздействий на тело оно может находиться только в состоянии покоя, что покой – это как бы естественное состояние тела. Для движения же тела с постоянной скоростью необходимо, чтобы на него действовало другое тело. Казалось, что это подтверждал повседневный опыт: для того чтобы повозка двигалась с постоянной скоростью, ее должна все время тянуть лошадь; чтобы стол двигался по полу, его нужно непрерывно тянуть или толкать и т. д. Галилео Галилей был первым, кто указал, что это неверно, что при отсутствии внешнего воздействия тело может не только покоиться, но и двигаться прямолинейно и равномерно. Прямолинейное и равномерное движение является, следовательно, таким же «естественным» состоянием тел, как и покой. Фактически первый закон Ньютона говорит о том, что нет разницы между покоем тела и равномерным прямолинейным движением.
Проверить опытным путем закон инерции невозможно, потому что невозможно создать такие условия, при которых бы тело было свободным от внешних воздействий. Однако, всегда можно проследить обратное. В любом случае. когда тело изменяет скорость или направление своего движения, всегда можно найти причину – силу, которая вызвала это изменение.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
ПРИМЕР 2
| Задание | На столе в равномерно и прямолинейно движущемся поезде стоит легкий игрушечный автомобиль. При торможении поезда автомобиль без какого-либо внешнего воздействия покатился вперед. Выполняется ли закон инерции: а) в системе отсчета, связанной с поездом во время его прямолинейного равномерного движения? во время торможения? б) в системе отсчета, связанной с Землей? |
| Ответ | а) закон инерции выполняется в системе отсчета, связанной с поездом во время его прямолинейного движения: игрушечный автомобиль покоится относительно поезда, так как действие со стороны Земли компенсируется действием со стороны стола (реакцией опоры). При торможении закон инерции не выполняется, так как торможение – это движение с и поезд в этом случае не является инерциальной системой отсчета.
б) в системе отсчета, связанной с Землей закон инерции выполняется в обоих случаях – при равномерном движении поезда игрушечный автомобиль движется относительно Земли с постоянной скоростью (скоростью поезда); при торможении поезда автомобиль пытается сохранить свою скорость относительно Земли неизменной, а потому катится вперед. |
В школьном курсе физики изучаются три закона Ньютона, являющиеся основой классической механики. Сегодня с ними знаком каждый школьник, но во времена великого ученого подобные открытия считались революционными. Законы Ньютона, кратко и понятно будут описаны ниже, они помогают не только понять основу механики и взаимодействия объектов, но и помогают записать данные в качестве уравнения.
Впервые три закона Иссак Ньютон описал в труде «Математические начала натуральной философии» (1867 год), в котором были подробно изложены не только собственные выводы ученого, но все знания по этой теме открытые другими философами и математиками. Таким образом, труд стал фундаментальным в истории механики, а позднее и физики. В нем рассмотрены перемещение и взаимодействие массивных тел.
Интересно знать! Исаак Ньютон был не только талантливым физиком, математиком и астрономом, но и считался гением в механике. Занимал должность президента королевского общества Лондона.
Каждое утверждение освещает одну из сфер взаимодействия и перемещения предметов в природе, правда обращение к ним было несколько упразднено Ньютоном, и они были приняты как точки без определенного размера (математические).
Именно это упрощение позволило проигнорировать естественные физические явления: воздушное сопротивление, трение, температуру или другие физические показатели объекта.
Полученные данные могли быть описаны только по времени, массе или длине. Именно из-за этого формулировки Ньютона обеспечивают лишь подходящие, но приближенные значения, которые нельзя использовать для описания точной реакции крупных или изменяемых по форме объектов.
Перемещение массивных предметов, которые участвуют в определениях, принято исчислять в инерциальной , представленной в виде системы координат из трех измерений, и при этом она не увеличивает свою скорость и не оборачивается вокруг своей оси.
Ее часто называют системой отсчета Ньютона, но при этом ученый никогда не создавал и не использовал подобной системы, а использовал нерациональную. Именно в этой системе тела могут двигаться так, как описывает это Ньютон.
Первый закон
Называется законом инерции. Не существует его практической формулы, зато есть несколько формулировок. В учебниках по физике предлагается следующая формулировка первого закона Ньютона: есть инерциальные системы отсчета, в отношении которых объект, если он свободен от воздействия любых сил (или же они моментально компенсируется), находиться в полном покое или же двигается по прямой и с одинаковой скоростью. Что означает данное определение и как его понять?
Простыми словами первый закон Ньютона объясняется так: любое тело, если его не трогать и никоим образом не воздействовать на него, будет оставаться постоянно в состоянии покоя, то есть бесконечно стоять на месте. То же самое происходит и при его движении: оно будет равномерно двигаться по заданной траектории бесконечно, пока на него не воздействует что-либо.
Подобное утверждение озвучивал Галилео Галилей, но не смог уточнить и точно описать это явление. В этой формулировке важно правильно понять, что такое инерциальные системы отсчета. Если сказать совсем простыми словами, то это система, в которой выполняется действие данного определения.
В мире можно увидеть огромное множество подобных систем, если понаблюдать за движением:
- поезда на заданном участке с одинаковой скоростью;
- Луны вокруг Земли;
- колеса обозрения в парке.
В качестве примера рассмотрим некоего парашютиста, который уже раскрыл парашют и движется прямолинейно и при этом равномерно по отношению к поверхности Земли. Движение человека не прекратиться до тех пор, пока земное притяжение будет компенсироваться движением и сопротивлением воздуха. Как только это сопротивление уменьшится, то притяжение увеличится, что приведет к изменению скорости парашютиста – его движение станет прямолинейным и равноускоренным.
Именно в отношении этой формулировки существует яблочная легенда: Исаак отдыхал в саду под яблоней и размышлял о физических явлениях, когда с дерева сорвалось спелое яблоко и упало в траву. Именно ровное падение заставило ученого изучить этот вопрос и выдать в итоге научное объяснение движению предмета в некой системе отсчета.
Интересно знать! Помимо трех явлений в механике, Исаак Ньютон также объяснил движение Луны как спутника Земли, создал корпускулярную теорию света и разложил радугу на 7 цветов.
Второй закон
Данное научное обоснование касается не просто движения предметов в пространстве, а взаимодействия их с другими объектами и результатов этого процесса.
Закон гласит: увеличение скорости объекта с некоторой постоянной массой в инерциальной системе отсчета прямо пропорционально силе воздействия и обратно пропорционально постоянной массе движущегося предмета.
Проще говоря, если существует некое движущиеся тело, масса которого не изменяется, и на него вдруг начнет воздействовать посторонняя сила, то оно начнет ускоряться. А вот скорость ускорения будет прямо зависеть от воздействия и обратно пропорционально зависеть от массы движущегося предмета.
Для примера можно рассмотреть снеговой шар, который катиться с горы. Если шар толкать по ходу движения, то ускорения шара будет зависеть от мощности воздействия: чем она больше, тем больше ускорение. Но, чем больше масса данного шара, тем меньше будет ускорение. Данное явление описывается формулой, в которой учитывается ускорение, или «a», равнодействующая масса всех воздействующих сил, или «F», а также масса самого предмета, или «m»:
Следует уточнить, что данная формула может существовать только в том случае, если равнодействующая всех сил не меньше и не равна нулю. Применяется закон только относительно тел, которые двигаются со скоростью меньше световой.
Полезное видео: первый и второй законы Ньютона
Третий закон
Многие слышали выражение: «На каждое действие есть свое противодействие». Его часто используют не только в общеобразовательных целях, но и воспитательных, объясняя, что на каждую силу найдется большая.
Эта формулировка пошла от очередного научного утверждения Исаака Ньютона, а точнее его третьего закона, который объясняет взаимодействие различных сил в природе относительно какого-либо тела.
Третий закон Ньютона определение имеет такое: предметы оказывают воздействие друг на друга с силами одинаковой природы (соединяющей массы предметов и направлены вдоль прямой), которые равны по своим модулям и при этом направлены в разные стороны. Данная формулировка звучит достаточно сложно, но простыми словами объяснить закон легко: каждая сила имеет свое противодействие или равную силу, направленную в обратную сторону.
Гораздо проще будет понять смысл закона, если в качестве примера взять пушку, из которой стреляют ядрами. Пушка воздействует на снаряд с той же силой, с которой снаряд воздействует на пушку. Подтверждением этого будет небольшое движение пушки назад во время выстрела, что подтвердит воздействие ядра на орудие. Если взять как пример тоже самое яблоко, которое падает на землю, то станет понятно, что яблоко и земля воздействуют друг на друга с равной силой.
Закон имеет также математическое определение, в котором используется сила первого тела (F1) и второго (F2):
Знак минуса сообщает о том, что векторы сил двух разных тел направлены в противоположные стороны. При этом важно помнить, что данные силы не компенсируют друг друга, поскольку направлены относительно двух тел, а не одного.
Полезное видео: 3 закона Ньютона на примере велосипеда
Вывод
Данные законы Ньютона кратко и четко необходимо знать каждому взрослому человеку, поскольку они являются основой механики и действуют в повседневной жизни, несмотря на то, что не при всех условиях данные закономерности соблюдаются. Они стали аксиомами в классической механике, и на основе их были созданы уравнения движения и энергии (сохранение импульса и сохранение механической энергии).
Мы попробуем рассмотреть один из основных законов Вселенной - закон кармы, или, как его называют в научном мире, закон причинно-следственной связи
Мы попробуем рассмотреть один из основных законов Вселенной - закон кармы, или, как его называют в научном мире, закон причинно-следственной связи. Коротко его может сформулировать даже школьник: каждое действие имеет противодействие.
То же самое утверждают и Веды: "На каждое наше действие, будь то мысль, чувство, слово или физическое действие, у Вселенной есть определенное противодействие, а награда - это или наказание - зависит от поступка.
И если в обычной жизни человек может так и не дождаться награды или наказания от правительства, органов правосудия, окружающих людей - так как они сами находятся под влиянием этого закона, то на вселенском уровне за соблюдением этого закона следит сам Творец. "Даже травинка не шелохнется без воли Бога". Именно закон кармы и формирует судьбу человека.
Что такое судьба и откуда она берется? Я надеюсь, что каждый читатель задумывался над вопросами: "Кто я? Почему я родился в этом месте и в этой семье?", "В чем смысл моей жизни?", "За что я страдаю?" - именно с этих вопросов и начинается по-настоящему человеческая жизнь. Если же человек думает только о том, как поесть, поспать, совокупиться и защитить себя, то он ничем не отличается от животного. У каждого человека есть судьба - рождается младенец, и у него есть линия жизни, есть натальная карта, которая позволяет без труда определить основные вехи судьбы.
Я помню, как в марте 1994 года побывал в небольшом городке под Мадрасом (Южная Индия), где в храме Вишну два брахмана (жреца, священнослужителя), глядя на Раши (натальная карта, сделанная по индийской системе) и на линии на руках, рассказывали вам вашу судьбу: кто вы, из какой страны, как прошло ваше детство, каково ваше семейное и материальное положение, что вас ждет и т. д. и т. п. - с точностью до 90 процентов. И по большому счету, это не так уж трудно. У меня на курсах студенты уже через несколько месяцев обучения могут сказать, например, как у человека сложится семейная жизнь в этом воплощении.
Есть очень много великих людей (да и не великих, кстати, тоже), которым еще в детстве предсказали их судьбу: это Александр Македонский, А. С. Пушкин, президент Кеннеди и другие. Также все знают, что во все времена были великие провидцы, такие, как Ванга и Нострадамус, которые с большой точностью предсказывали будущее. Все это полностью опровергает взгляды тех ученых, которые считают, что все в этом мире случайно. Но будущее, которое предсказано с точностью хотя бы в несколько процентов, уже не случайно.
Также это, мягко говоря, дополняет современную христианскую доктрину (я подчеркиваю: современную, так как первые триста лет христиане верили в реинкарнацию. И лишь на одном из первых вселенских соборов трактат о переселении души был исключен - это исторический факт).
Спросите любого христианского проповедника: "Почему есть дети, которые умирают тяжелой смертью, и куда они идут?", "Почему один рождается в семье миллионера и не знает, что такое болезни, а кто-то рождается в бедной семье и всю жизнь страдает?"
Но если мы примем концепцию о переселении душ и закон кармы, то все встанет на свои места. Ведь врачей мы тоже получаем в соответствии со своей судьбой. Я пишу эту статью буквально во время операции, которую делают моей дочери. Операция очень серьезная, сложнее бывает только пересадка сердца.
И это также лишний раз напоминает мне о законе кармы. Еще шесть лет назад известные ведические астрологи в Москве, разбирая мою жизнь и кармические задачи (у нас такое правило, что мы ""ведем" друг друга), сказали мне, что в предыдущей жизни я совершил то-то и то-то, и в этой у меня родится девочка с больным сердцем. И мне ничего не оставалось, как признать, что такая уже родилась. И хотя все врачи говорили в один голос - она проживет максимум 3-4 года, я, зная ее судьбу, был другого мнения. И на данном этапе (как, впрочем, и раньше, и в будущем) она живет в соответствии с судьбой и Высшей Волей, а не в соответствии с мнением врачей. Как, впрочем, и каждый из нас.
Классификация кармы - из первоисточников. Сейчас я бы хотел дать описание закона кармы - так или почти так, как это давалось непосредственно в первоисточниках в Ведах. Так как сейчас слово "карма" известно, и разные люди, произнося его, вкладывают в него разный смысл. Появилось много "специалистов" по карме, которые утверждают, что могут "почистить" вашу карму, не зная при этом, что же подразумевается под словом "карма". Карма - значит "действие" (санскрит). Она включает в себя следующие понятия
- санчита - карма, накопленная в предыдущих жизнях;
- агами - карма будущих воплощений, если теперешнее не последнее.
прарабдха - часть аккумулированной кармы, определенная для нынешнего воплощения;
крийяман - карма, создаваемая нами в настоящей жизни;
Есть также викарма, она включает в себя:
- антисемейную карму;
- античеловеческую карму.
антиродительскую карму;
антисоциальную карму;
Акарма: Тот, кто достиг определенного уровня любви к Богу, уже не имеет обязанностей, однако его карма остается. Достичь акармы можно, занимаясь своей деятельностью с полной непривязанностью, без стремления к результатам, с любовью. Результаты этих видов кармы различные:
- акарма ведет к спасению;
- карма может вести к акарме и викарме.
викарма - к наказанию свыше, череде ужасных воплощений и бесконечным страданиям;
Элемент акармы ведет к спасению, а элемент викармы - к рабству. Карма, таким образом, содержит четыре элемента. Объясним их подробнее. Санчита-карма - полный совокупный остаток кармы. Только человек производит карму, животные же пребывают в состоянии Бхога-Йони, в котором они могут только страдать или радоваться и не могут ни создать, ни ликвидировать карму, как это делают люди.
Санчита-карма - это карма, созданная личностью в ее предыдущих человеческих воплощениях. А прарабдха является частью санчиты, определенной на данное воплощение. У нее есть как позитивная, так и негативная сторона. Человеческие радости и достижения проистекают из положительной ее стороны, а несчастья и потери - из отрицательной. Другую часть санчиты можно описать как ранее созданные побуждения, могущие войти в теперешнюю жизнь в любой момент. И когда люди неожиданно делают нечто такое, чего они меньше всего ожидали, то это может быть результатом именно такого побуждения.
Следовательно, человеческая жизнь - это история прарабдхи и побуждений, для которых нет здравого объяснения с точки зрения наследственности и влияния окружающей среды. Поведение личности, таким образом, формируется четырьмя факторами: окружением и наследственностью, прарабдхой и мотивациями, имеющими источник в предыдущей жизни. Крийяман-карма - это область, в которой человек может сам улучшить или испортить свою судьбу. Только в этой достаточно ограниченной области он может наслаждаться свободой действий. Хотя мотивации предыдущей жизни и прарабдха часто создают конфликты. Лучший совет, который все великие йоги дают людям, - это сознательно проживать (перестрадать) прарабдху. И творить добрые дела в области крийяман. То есть смиренно и терпеливо принимать то, что нельзя предотвратить, и в области свободы воли совершать действия, которые приближают нас к акарме, трансцендентному уровню.
Карма и здоровье. Рассказав о судьбе и карме, мы совершенно не хотим, чтобы у читателя возник фатальный настрой. "Зачем лечиться, если все предопределено?" Ну, во-первых, не все - определенная свобода выбора есть всегда. Во-вторых, в Аюрведе говорится, что с болезнями, пожаром и долгами надо начинать бороться немедленно, прилагая все усилия. В-третьих, в соответствии с Ведической астрологией и Аюрведой, а также с огромным множеством других источников мы находимся на пороге новой эры (золотой век, эпоха Водолея и т. д.) и темпы нашей жизни ускоряются сейчас как на внешнем уровне, так и на внутреннем. И если раньше для отработки, решения какой-либо кармической задачи требовалось несколько жизней, то сейчас ее можно решить за одну жизнь, а то и за несколько лет.
Но, к сожалению, верно и обратное. Сейчас, как никогда, опасны неправильное мировоззрение, обиды, гнев, страх за будущее и т. д., и человека может скрутить очень быстро, даже не дав ему понять: "За что?!" Сейчас важно, как никогда, руководствоваться любовью, всепрощением, терпимостью, если вы хотите, чтобы ваша жизнь была долгой и здоровой. Согласно проведенным исследованиям, люди, которые долго живут верят в Бога, придерживаются вегетарианства, живут в экологически чистых местах, правильно питаются, пользуются услугами современной медицины и т. д.
Но есть и такие долгожители, которые не соблюдают ни одного из вышеприведенных условий. И что же их объединяет? Это любовь, доброта, терпение и хорошее чувство юмора. Никто никогда не видел и не слышал, чтобы обидчивая, истеричная женщина жила долго и не болела. Как, впрочем, и агрессивные, раздражительные, беспокойные люди. То есть на наше счастье и здоровье, а также окружающих нас людей очень большое влияние оказывают наш характер и мировоззрение.
Кстати, доказательства вышесказанного вы можете найти не только у мудрецов - святых Индии и Тибета, но и у многих наших современников. В частности, у Эдгара Кейса (можно скачать книгу Кевин Дж.Тодесчи. "Эдгар Кейс и Хроники Акаши" в нашей библиотеке), человека, который предсказал множество событий с огромной точностью. Но самое важное то, что он мог найти происхождение каждой болезни в прошлых жизнях.
Зарегистрировано девяносто тысяч таких случаев в институте, названном именем этого великого американца. Есть и другие важные исследования в этой области, но мы не имеем возможности привести их все. Но таких исследований будет все больше, и болезни окажутся побеждены не открытием новых медицинских препаратов, а благодаря изменению сознания людей! Так что давайте вступим в новый век с чистым сознанием и здоровым телом! опубликовано
Законы динамики Ньютона (классическая динамика) имеют ограниченную область применимости. Они справедливы для макроскопических тел, движущихся со скоростями, много меньшими, чем скорость света в вакууме.
Формулировка первого закона Ньютона (он также известен как закон инерции ):
Первый закона Ньютона Существуют такие системы отсчёта, называемые инерциальными, относительно которых тело движется прямолинейно и равномерно, если на него не действуют другие тела или действие этих тел скомпенсировано.
В инерциальной системе отсчета тело движется равномерно и прямолинейно при отсутствии действующих на него сил.
Инерция Явление сохранения скорости движения тела при отсутствии внешних воздействий или при их компенсации называется инерцией. Поэтому первый закон Ньютона называют законом инерции.
Если равнодействующая всех сил, действующих на данное тело равна нулю, то тело движется равномерно и прямолинейно или не движется вовсе. В реальности добиться равенства нулю равнодействующей силы невозможно. Но можно пренебречь некоторыми действиями и выбрать такой участок движения, когда скорость тела существенно не меняется.
Впервые закон инерции был сформулирован Галилео Галилеем (1632 г.). Ньютон обобщил выводы Галилея и включил их в число основных законов движения.
ИСО инерциальные системы отсчета - это системы отсчета, в которых выполняется 1-й закон Ньютона.
Итак, причиной изменения скорости движения тела в инерциальной системе отсчета всегда является его взаимодействие с другими телами. Для количественного описания движения тела под воздействием других тел необходимо ввести две новые физические величины – инертную массу тела и силу .
Масса
Масса – это свойство тела, характеризующее его инертность. При одинаковом воздействии со стороны окружающих тел одно тело может быстро изменять свою скорость, а другое в тех же условиях – значительно медленнее. Принято говорить, что второе из этих двух тел обладает большей инертностью, или, другими словами, второе тело обладает большей массой.
Если два тела взаимодействуют друг с другом, то в результате изменяется скорость обоих тел, т. е. в процессе взаимодействия оба тела приобретают ускорения. Отношение ускорений двух данных тел оказывается постоянным при любых воздействиях. В физике принято, что массы взаимодействующих тел обратно пропорциональны ускорениям, приобретаемым телами в результате их взаимодействия.
Сравнение масс двух тел.
\[ \dfrac{m_1}{m_2} =-\dfrac{a_2}{a_1} \]
В этом соотношении величины \(a_1\) и \(a_2\) следует рассматривать как проекции векторов \(a_1\) и \(a_2\) на ось OX . Знак «минус» в правой части формулы означает, что ускорения взаимодействующих тел направлены в противоположные стороны.
В Международной системе единиц (СИ) масса тела измеряется в килограммах (кг) .
Масса любого тела может быть определена на опыте путем сравнения с массой эталона (\(m_{\text{эт}} = 1 \text{кг} \) ). Пусть \(m_1 = m_{\text{эт}} = 1 \text{кг} \) . Тогда
\[ m_2=-\dfrac{a_1}{a_2} m_{\text{эт}} \]
Масса тела – скалярная величина . Опыт показывает, что если два тела с массами \(m_1 \) и \(m_2 \) соединить в одно, то масса \(m \) составного тела оказывается равной сумме масс \(m_1 \) и \(m_2 \) этих тел:
\[ M = m_1 + m_2 \]
Это свойство масс называют аддитивностью .
Сила
Сила – это количественная мера взаимодействия тел. Сила является причиной изменения скорости тела. В механике Ньютона силы могут иметь различную физическую природу: сила трения, сила тяжести, упругая сила и т. д. Сила является векторной величиной, имеет модуль, направление и точку приложения .
Векторная сумма всех сил, действующих на тело, называется равнодействующей силой .
Чтобы изменить скорость движения тела, на него необходимо подействовать с некоторой силой. Естественно, результат действия одинаковых по величине сил на различные тела будет различным.
Существует 4 основных типа взаимодействия :
- гравитационное,
- электромагнитное,
- сильное,
- слабое.
Все взаимодействия являются проявлениями этих основных типов.
Примеры сил: сила тяжести, сила упругости, вес тела, сила трения, выталкивающая (архимедова) сила, подъемная сила.
Что такое сила? Сила - мера воздействия одного тела на другое.
Сила - векторная величина. Сила характеризуется:
- модулем (абсолютной величиной);
- направлением;
- точкой приложением.
Для измерения сил необходимо установить эталон силы и способ сравнения других сил с этим эталоном.
В качестве эталона силы можно взять пружину, растянутую до некоторой заданной длины. Модуль силы F 0, с которой эта пружина при фиксированном растяжении действует на прикрепленное к ней тело, называют эталоном силы . Способ сравнения других сил с эталоном состоит в следующем: если тело под действием измеряемой силы \(\vec{F} \) и эталонной силы \(\vec{F_0} \) остается в покое (или движется равномерно и прямолинейно), то силы равны по модулю \(\vec{F} \) = \(\vec{F_0} \) .
Сравнение силы \(\vec{F} \) с эталоном. \(\vec{F} \) = \(\vec{F_0 } \)
Если измеряемая сила \(\vec{F } \) больше (по модулю) эталонной силы, то можно соединить две эталонные пружины параллельно. В этом случае измеряемая сила равна \(\vec{ 2 F_0 } \) . Аналогично могут быть измерены силы \(\vec{ 3 F_0 } \) , \(\vec{ 4 F_0 } \) и т. д.
Сравнение силы \(\vec{F } \) с эталоном. \(\vec{F} \) = \(\vec{2 F_0} \)
Измерение сил, меньших \(\vec{2 F_0} \)
Сравнение силы \(\vec{F } \) с эталоном. \(\vec{F} \) = \(\vec{2 F_0} \cos (\alpha) \)
Эталонная сила в Международной системе единиц называется Ньютон(Н) .
Сила в 1 Н сообщает телу массой 1 кг ускорение 1 м/с2
Размерность [Н]
\[ 1\text{Н} = 1\dfrac{\text{кг}\cdot \text{м}}{\text{с}^2} \]
На практике нет необходимости все измеряемые силы сравнивать с эталоном. Для измерения сил используют пружины, откалиброванные описанным выше способом. Такие откалиброванные пружины называются динамометрами . Сила измеряется по растяжению динамометра.
В вашем браузере отключен Javascript.Чтобы произвести расчеты, необходимо разрешить элементы ActiveX!
Раздел механики, в котором изучают, как взаимодействие тел влияет на их движение, называют динамикой .
Основные законы динамики открыли итальянский ученый Галилео Галилей и английский ученый Исаак Ньютон. Вы изучали эти законы в курсе физики основной школы. Напомним их.
1. Первый закон ньютона (закон инерции)
Повторим один из опытов, которые поставил итальянский ученый Галилео Галилей.
Поставим опыт
Будем скатывать шар по наклонной плоскости и наблюдать за его дальнейшим движением по горизонтальной поверхности.
Если она посыпана песком, шар остановится очень скоро (рис. 13.1, а).
Если она покрыта тканью, шар катится значительно дольше (рис. 13.1, б).
А вот по стеклу шар катится очень долго (рис. 13.1, в).
На основании этого и подобных опытов Галилей открыл закон инерции: если на тело не действуют другие тела или действия других тел скомпенсированы, то тлело движется равномерно и прямолинейно или покоится.
Сохранение скорости тела, когда на него не действуют другие тела или действия других тел скомпенсированы, называют явлением инерции .
1. Почему при встряхивании мокрого зонта с него слетают капли воды?
Особенно красиво смотрится явление инерции в фигурном катании (рис. 13.2).
Закон инерции называют также первым законом Ньютона , потому что Ньютон включил его в качестве первого закона в систему трех законов динамики, которые называют «тремя законами Ньютона».
Инерциальные системы отсчета
Закон инерции выполняется с хорошей точностью в системе отсчета, связанной с Землей. Но он не выполняется, например, в системе отсчета, связанной с тормозящим автобусом: при резком торможении пассажиры отклоняются вперед, хотя на них не действуют направленные вперед силы.
Системы отсчета, в которых выполняется закон инерции, называют инерциальными.
Инерциальных систем отсчета бесконечно много. Ведь если некоторая система отсчета является инерциальной, то инерциальной будет любая другая система отсчета, движущаяся относительно нее прямолинейно и равномерно.
Сформулируем теперь первый закон Ньютона с указанием систем отсчета, в которых он выполняется.
Существуют системы отсчета (называемые инерциальными), относительно которых тела сохраняют свою скорость неизменной, если на них не действуют другие тела или действия других тел скомпенсированы .
Изучать влияние взаимодействия тел на их движение удобнее всего именно в инерциальных системах отсчета, потому что в этих системах отсчета изменение скорости тела обусловлено только действием других тел на это тело.
Принцип относительности Галилея
Как показывает опыт, во всех инерциальных системах отсчета все механические явления протекают одинаково при одинаковых начальных условиях.
Это утверждение называют принципом относительности Галилея .
В справедливости принципа относительности Галилея легко убедиться, сидя в поезде, который плавно движется с постоянной скоростью. В таком случае все опыты с механическими явлениями, поставленные в вагоне, дадут одинаковые результаты независимо от того, едет поезд или стоит: например, лежащее на столе яблоко будет покоиться, а свободно падающие предметы будут падать вертикально вниз (относительно вагона!).
Поэтому пассажир может определить, едет поезд или стоит на станции, только посмотрев в окно (рис. 13.3).
2. Второй закон ньютона
Равнодействующая
Как вы уже знаете из курса физики основной школы, силы – векторные величины: каждая сила характеризуется числовым значением (модулем) и направлением. Силы измеряют с помощью динамометров. Единицей силы в СИ является 1 ньютон (Н). Определение ньютона мы дадим позже.
Если на тело, которое можно считать материальной точкой, действуют несколько сил, то их можно заменить одной силой, которая является векторной суммой этих сил. Ее называют равнодействующей.
На рисунке 13.4 показано, как найти равнодействующую двух сил: а
2. К телу приложены две силы, равные по модулю 1 Н и 2 Н. Отвечая на следующие вопросы, сделайте пояснительные чертежи.
а) Какое наименьшее значение может принимать равнодействующая этих сил? Как направлены силы в этом случае?
б) Какое наибольшее значение может быть у равнодействующей этих сил? Как направлены силы в атом случае?
в) Может ли равнодействующая этих сил быть равной 2 Н?
3. К телу приложены две силы, равные по модулю 3 Н и 4 Н. Может ли их равнодействующая быть равной 5 Н? Если да, то чему в этом случае равен угол между приложенными силами?
4. К телу приложены три равные по модулю силы по 1 Н каждая. Как они должны быть направлены, чтобы:
а) равнодействующая была равна 1 Н?
б) равнодействующая была равна нулю?
в) равнодействующая была равна 2 Н?
Масса тела
В курсе физики основной школы рассказывалось также об опытах, которые доказывают, что под действием постоянной силы тело движется с постоянным ускорением.
Коэффициент пропорциональности между силой и ускорением характеризует инертные свойства тела и называется массой тела. Чем больше масса тела, тем большую силу надо приложить к телу, чтобы сообщить ему то же ускорение.
Единицей массы в СИ является 1 килограмм (кг). Это масса эталона, хранящегося в Международном бюро мер и весов (Франция). Приближенно можно считать, что одному килограмму равна масса 1 л воды.
Обозначают массу буквой m.
Второй закон Ньютона
Соотношение между равнодействующей всех сил, приложенных к телу, массой тела и его ускорением Ньютон сформулировал как второй из трех основных законов механики.
Равнодействующая всех сил, приложенных к телу, равна произведению массы тела на его ускорение:
В инерциальной системе отсчета сила является причиной ускорения, поэтому второй закон Ньютона часто записывают так:
Итак, приобретаемое телом ускорение прямо пропорционально равнодействующей приложенных к телу сил, одинаково с ней направлено и обратно пропорционально массе тела.
Заметим, что второй закон Ньютона справедлив только в инерциальных системах отсчета. Напомним: в этих системах отсчета ускорение тела обусловлено только действием на него других тел.
Единицу силы в СИ определяют на основе второго закона Ньютона: сила в 1 ньютон сообщает телу массой 1 кг ускорение 1 м/с 2 . Поэтому 1 Н = 1 кг * м/с 2 .
Сила тяжести
Как вы уже знаете, под действием притяжения Земли все тела падают с одинаковым ускорением – ускорением свободного падения . Силу притяжения, действующую на тело со стороны Земли, называют силой тяжести и обозначают т.
Когда тело свободно падает, на него действует только сила тяжести, поэтому она и является равнодействующей всех приложенных к телу сил. При атом тело движется с ускорением , поэтому из второго закона Ньютона получаем:
5. С какой силой Земля притягивает:
а) килограммовую гирю?
б) человека массой 60 кг?
Сила, скорость и ускорение – кто «третий лишний»?
Неочевидное следствие второго закона Ньютона состоит в том, что он утверждает: направление ускорения тела совпадает с направлением равнодействующей приложенных телу сил. Скорость же вела может быть при этом направлена как угодно!
Поставим опыт
Бросим шарик вниз, затем – вверх, а потом – под углом к горизонту (рис. 13.5)
На шарик во время всего движения действует только направленная вниз сила тяжести. Однако в первом случае (а) скорость шарика совпадает по направлению с этой силой, во втором случае (б) – скорость вначале противоположна силе тяжести, а в третьем (в) – скорость направлена под углом к силе тяжести (например, в верхней точке траектории скорость перпендикулярна силе тяжести).
6. Тело равномерно движется по окружности. Чему равен угол между скоростью тела и равнодействующей?
7. Чему равен угол между скоростью автомобиля и равнодействующей приложенных к нему сил, когда автомобиль:
а) разгоняется на прямой дороге?
б) тормозит на прямой дороге?
в) движется равномерно по дуге окружности?
3. Третий закон ньютона
Поставим опыт
Предложим первокласснику и десятикласснику посоревноваться в перетягивании каната, стоя на скейтбордах: тогда трением между колесами и полом можно пренебречь (схема опыта показана на рисунке 13.6).
Мы увидим, что оба соперника движутся с ускорением. Значит, на каждого из них действу другого. Ускорения соперников направлено противоположно, причем ускорение первоклассника намного больше ускорения десятиклассника.
Точные опыты, подобные описанном выше, показывают, что модули ускорений обратно пропорциональны массам тел :
a 1 /a 2 = m 2 /m 1 .
Поскольку ускорения направлены противоположно,
Согласно второму закону Ньютона m 1 1 = 1 и m 2 2 = 2 , где 1 – сила, действующая на первое тело со стороны второго, а 2 – сила, действующая на второе тело со стороны первого.
Из соотношения (5) следует, что 1 = – 2 . Это и есть третий закон Ньютона.
Тела взаимодействуют друг с другом с силами, равными по модулю и противоположными по направлению.
Свойстве сил, с которыми тела взаимодействуют друг с другом:
– эти силы обусловлены одним и тем же взаимодействием и поэтому имеют одну и ту же физическую природу;
– эти силы направлены вдоль одной прямой;
– эти силы приложены к разным телам и поэтому не могут уравновешивать друг друга.
Примеры проявления третьего закона Ньютона
Когда камень падает на Землю, на него действует сила тяжести 1 со стороны Земли, а на Землю – сила 2 притяжения со стороны камня (рис. 13.7, для наглядности масштаб не соблюден). Обе эти силы относятся к силам всемирного тяготения.
8. Согласно третьему закону Ньютона F 1 = F 2 . Почему же ускорение камня заметно, а ускорение Земли – нет?
Когда камень лежит на Земле, на него кроме силы тяжести, которую будем обозначать теперь т, действует еще направленная вверх сила давления со стороны опоры (рис. 13.8, а). Она направлена перпендикулярно поверхности опоры, поэтому ее называют силой нормальной реакции (перпендикуляр называют часто нормалью). (Когда тело можно считать материальной точкой, все действующие на него силы желательно изображать на чертежах приложенными в одной точке.)
Когда камень покоится, его ускорение равно нулю. Значит, согласно второму закону Ньютона равнодействующая приложенных к камню сил и т, равна нулю (будем говорить, что в таком случае силы уравновешивают друг друга):
Отсюда следует:
Опора давит на камень силой , направленной вверх, а камень, по третьему закону Ньютона, давит на опору силан , направленной вниз (рис. 13.8, 6). Обе эти силы – силы упругости.
Силу, с которой тело вследствие действия на него силы тяжести давит на горизонтальную опору или растягивает вертикальный поднес, называют весом тела.
Итак, – это вес камня. По третьему закону Ньютона
Из формул (8) и (9) следует:
Итак, вес покоящегося тела равен действующей на это тело силе тяжести. Однако несмотря на это вес и сила тяжести существенно отличаются друг от друга:
– эти силы приложены к разным телам: вес действует на опору или поднес, а сила тяжести – на само тело;
– эти силы имеют разную физическую природу: вес – это сила упругости, а сила тяжести – проявление сил всемирного тяготения.
Кроме того, как мы увидим несколько позже (§ 16), вес может быть не равен силе тяжести и даже быть равным нулю.
Дополнительные вопросы и задания
9. Ускорение тела в некоторой инерциальной системе отсчета равно 3 м/с2 и направлено вдоль оси x. Чему равно ускорение этого тела в инерциальной системе отсчета, движущейся относительно заданной со скоростью 4 м/с, направленной вдоль оси y? Есть ли здесь лишние данные?
10. Брусок массой 0,5 кг соскальзывает с наклонной плоскости с углом наклона 30º. Скорость бруска увеличивается. Ускорение бруска равно 2 м/с 2 . Изобразите на чертеже равнодействующую приложенных к бруску сил. Чему она равна? Есть ли в задаче лишние данные?
11. Зависимость координаты x автомобиля от времени выражается в единицах СИ формулой x = 20 – 10t + t 2 . Ось x направлена вдоль дороги, масса автомобиля 1 т.
а) Чему равна равнодействующая приложенных к автомобилю сил?
б) Как она направлена в начальный момент – в направлении скорости автомобиля или противоположно ей?
12. Автомобиль массой 1 т едет со скоростью 72 км/ч по выпуклому мосту, имеющему форму дуги окружности радиусом 50 м. Сделайте чертеж и ответьте на вопросы.
а) Чему равна и как направлена равнодействующая сил, приложенных к автомобилю в верхней точке моста?
б) Какие силы действуют на автомобиль в этой точке? Как они направлены и чему они равны?
в) Во сколько раз вес автомобиля в верхней точке моста меньше действующей на автомобиль силы тяжести?
