ANTRASIS NIUTONO DĖSNIS: PROGRAMOS, EKSPERIMENTAI IR PRATYBOS - FIZINIS - 2025

Antrasis Niutono dėsnis arba pagrindinis dinamikos dėsnis teigia, kad jei daiktas yra veikiamas jėgos ar jėgų rinkinio, kuris nėra atšauktas, tada objektas bus pagreitinamas atsirandančios jėgos kryptimi, tai yra proporcingas pagreitis iki tos jėgos neto intensyvumas ir atvirkščiai proporcingas objekto masei.

Jei F yra grynasis jėga, M objekto ir masė , kad pagreičio, įgytą, tada antras įstatymas Newton išreikšta matematiškai kaip taip : = F / M arba daugių daugiausia įprastinės forma F = M ∙ į

Antrojo Niutono dėsnio paaiškinimas. Šaltinis: pačių sukurtas.

Paaiškinimas ir formulės

Kaip paaiškinta aukščiau, įprastas būdas išreikšti antrąjį dėsnį yra formulė:

F = M ∙ a

Pagreitis ir jėga turi būti matuojami iš inercinio atskaitos rėmo. Atkreipkite dėmesį, kad masė yra teigiamas dydis, todėl pagreitis nurodomas ta pačia kryptimi, kuria gaunama jėga.

Taip pat atkreipkite dėmesį, kad kai susidaranti jėga yra lygi nuliui ( F = 0 ), pagreitis taip pat bus lygus nuliui ( a = 0 ), kai M> 0. Šis rezultatas visiškai atitinka pirmąjį Niutono dėsnį ar inercijos dėsnį.

Pirmasis Niutono dėsnis nustato inercines atskaitos sistemas kaip tas, kurios juda pastoviu greičiu laisvosios dalelės atžvilgiu. Praktiškai ir dažniausiai naudojamiems tikslams, inercinė bus laikoma prie žemės pritvirtinta etaloninė sistema arba bet kuri kita, kuri juda pastoviu greičiu jos atžvilgiu.

Jėga yra matematinė objekto sąveikos su aplinka išraiška. Jėga gali būti pastovus dydis arba kisti priklausomai nuo objekto laiko, padėties ir greičio.

Tarptautinės jėgos sistemos (SI) vienetas yra Niutonas (N). Masė (SI) matuojama (kg) ir pagreitis (m / s ² ). Viena jėgos niutona yra jėga, reikalinga 1 kg masės objektui pagreitinti, kai 1 m / s ² .

Išspręsta mankšta

1 pratimas

M masės objektas yra nukritęs iš tam tikro aukščio ir matuojamas 9,8 m / s² kritimo pagreitis.

Tas pats atsitinka su kitu masės objektu „m“, kitu - su masės „m“ ir kitu ir kitu. Rezultatas visada yra gravitacijos pagreitis, žymimas g ir yra lygus 9,8 m / s². Šių eksperimentų metu objekto forma ir jo masė yra tokia, kad jėga, atsirandanti dėl oro pasipriešinimo, yra nereikšminga.

Prašoma surasti žemės patraukliosios jėgos (žinomos kaip svoris) modelį, kuris atitiktų eksperimento rezultatus.

Sprendimas

Mes pasirenkame inercinę atskaitos sistemą (pritvirtintą žemės atžvilgiu), teigiama vertikalios X ašies kryptimi ir žemyn.

Vienintelė jėga, veikianti m masės objektą, yra sausumos traukos jėga, ši jėga vadinama svoriu P, nes nukreipta žemyn yra teigiama.

Pagreitis, kurį masės objektas įgyja jį paleidus, yra a = g, nukreiptas žemyn ir teigiamas.

Mes siūlome antrąjį Niutono įstatymą

P = ma

Koks bus P modelis, kai pagal antrąjį dėsnį numatytas pagreitis yra g, neatsižvelgiant į m reikšmę? : Vienintelė alternatyva yra ta, kad P = mg, kai m> 0.

mg = ma, iš kur mes sprendžiame: a = g

Darome išvadą, kad svoris, jėga, kuria Žemė traukia objektą, bus objekto masė, padauginta iš gravitacijos pagreičio, o jo kryptis yra vertikali ir nukreipta žemyn.

P = m ∙ g

2 pratimas

2 kg masės blokas guli ant visiškai plokščių ir horizontalių grindų. Jei jam bus taikoma 1 N jėga, kokį pagreitį įgis blokas ir kokį greitį jis turės po 1 s.

Sprendimas

Pirmas dalykas yra apibrėžti inercinę koordinačių sistemą. Viena buvo pasirinkta su X ašimi ant grindų ir Y ašimi statmena. Tada sudaroma jėgos diagrama, kurioje pateikiamos jėgos dėl bloko sąveikos su aplinka.

Jėga N reiškia normalią, tai yra vertikali aukštyn kylanti jėga, kurią grindų paviršius veikia ant bloko M. Yra žinoma, kad N tiksliai išbalansuoja P, nes blokas nejuda vertikalia kryptimi.

F - horizontalioji jėga, taikoma blokui M, nukreipta teigiama X ašies kryptimi.

Grynoji jėga yra visų jėgų, esančių masės M bloke, suma. Padarome vektorių F, P ir N. sumą. Kadangi P ir N yra lygūs ir priešingi, jie panaikina vienas kitą, o grynoji jėga yra F.

Taigi gautas pagreitis bus bendrosios jėgos ir masės dalis:

a = F / M = 1 N / 2 kg = 0,5 m / s²

Kadangi blokas prasideda nuo poilsio po 1 s, jo greitis bus pasikeitęs nuo 0 m / s iki 0,5 m / s.

Niutono antrojo dėsnio taikymai

Įsibėgėjant liftui

Savo svoriui berniukas naudoja vonios svarstykles. Gauta vertė yra 50 kg. Tada berniukas svarsto savo pastato liftą, nes nori išmatuoti lifto pagreitį. Paleidžiant gaunami šie rezultatai:

• Svarstyklės registruoja 58 kg svorį 1,5 s
• Tada dar kartą išmatuokite 50 kg.

Remdamiesi šiais duomenimis, apskaičiuokite lifto pagreitį ir jo greitį.

Sprendimas

Skalė matuoja svorį vienetu, vadinamu jėga kilograme. Pagal apibrėžimą, kilogramo jėga yra jėga, kuria Žemė planeta pritraukia 1 kg masės objektą.

Kai vienintelė daiktą veikianti jėga yra jo svoris, tada jis įgyja 9,8 m / s² pagreitį. Taigi 1 kg_f lygus 9,8 N.

Tada berniuko svoris P yra 50 kg * 9,8m / s² = 490 N

Įsibėgėjimo metu skalė berniukui sukuria 58 kg_f jėgą, lygią 58 kg * 9,8 m / s² = 568,4 N.

Lifto pagreitį suteiks:

a = N / M - g = 568,4 N / 50 kg - 9,8 m / s² = 1,57 m / s²

Greitis, kurį liftas įgyja po 1,5 s, kai pagreitis 1,57 m / s², yra:

v = a * t = 1,57 m / s² * 1,5 s = 2,36 m / s = 8,5 Km / h

Šiame paveikslėlyje parodyta jėga, veikianti berniuką:

Majonezo indas

Berniukas perduoda broliui stiklainį majonezo savo broliui, kuris yra kitame stalo gale. Tam jis vairuoja taip, kad įgytų 3 m / s greitį. Nuo to momento, kai jis numetė butelį, kol jis sustojo priešingame stalo gale, kelionė buvo 1,5 m.

Nustatykite trinties jėgos, kurią stalas daro ant butelio, vertę, žinodami, kad jos masė yra 0,45 kg.

Sprendimas

Pirmiausia nustatysime stabdymo pagreitį. Tam naudosime šį ryšį, jau žinomą iš tolygiai pagreitinto tiesinio judesio:

Vf² = Vi² + 2 * a * d

kur Vf yra galutinis greitis, Vi - pradinis greitis, kai pagreitis ir d poslinkis.

Ankstesnio santykio pagreitis yra toks, kai butelio poslinkis laikomas teigiamu.

a = (0 - 9 (m / s) ²) / (2 * 1,5 m) = -3 m / s²

Bendroji majonezo indelio jėga yra trinties jėga, nes normali ir stiklainio likučio masė: Fnet = Fr.

Fr = m * a = 0,45 kg * (-3 m / s²) = -1,35 N = -0,14 kg-f

Eksperimentai vaikams

Vaikai ir suaugusieji gali atlikti paprastus eksperimentus, kurie leidžia jiems patikrinti, ar antrasis Niutono dėsnis iš tikrųjų veikia realiame gyvenime. Čia yra du labai įdomūs:

1 eksperimentas

Paprastam eksperimentui reikia vonios svarstyklių ir lifto. Nuneškite vonios kambario svorį į liftą ir užrašykite reikšmes, kurias jis žymi važiuodamas aukštyn, važiuodamas žemyn ir tuo metu, kai judate pastoviu greičiu. Apskaičiuokite lifto pagreičius kiekvienu atveju.

2 eksperimentas

1. Paimkite žaislinį automobilį, kurio ratai būtų gerai sutepti
2. Pritvirtinkite virvę iki galo.
3. Stalo kraštuose užklijuokite pieštuką ar kitą sklandų cilindrinį daiktą, per kurį bėgs styga.
4. Kitame lyno gale pakabinkite nedidelį krepšį, į kurį įdėsite keletą monetų ar ką nors, kas tarnaus kaip svoris.

Eksperimento schema parodyta žemiau:

• Atleiskite krepšį ir stebėkite, kaip jis įsibėgėja.
• Tada padidinkite vežimėlio masę, įdėdami į jį monetas arba tai, kas padidina jo masę.
• Pasakykite, ar pagreitis didėja, ar mažėja. Įdėkite daugiau tešlos į krepšelį, stebėkite, kaip ji paspartėja, ir pabaigkite.

Tada krepšelis paliekamas be papildomo svorio ir jam leidžiama įsibėgėti. Tada ant krepšio dedamas didesnis svoris, kad padidėtų krepšiui taikoma jėga.

• Palyginkite pagreitį su ankstesniu atveju, nurodykite, ar jis padidėja, ar sumažėja. Galite pakartoti pridėdami daugiau svorio į krepšelį ir stebėdami krepšelio pagreitį.
• Nurodykite, ar jis padidėja, ar sumažėja.
• Paanalizuokite savo rezultatus ir pasakykite, ar jie sutinka su antruoju Niutono įstatymu.

Dominantys straipsniai

Antrojo Niutono dėsnio pavyzdžiai.

Niutono pirmasis įstatymas.

Antrojo Niutono dėsnio pavyzdžiai.

Nuorodos

1. Alonso M., Finn E. 1970. Fizikos I tomas: mechanika. Amerikos švietimo fondas SA 156–163.
2. Hewitt, P. 2012. Konceptualusis fizikos mokslas. Penktas leidimas. 41–46.
3. Jaunas, Hugh. 2015. Universiteto fizika su šiuolaikine fizika. 14-asis Ed Pearsonas. 108–115.