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

Trečioji teisė Newton , taip pat vadinama veiksmų ir reakcijos įstatymas numato, kad, kai objektas daro priversti kitą, kuri taip pat daro pirmame lygios dydžio ir krypties ir jėgos į priešingą pusę.

Isaacas Newtonas paskelbė savo tris įstatymus 1686 m. Savo knygoje „Philosophiae Naturalis Principia Mathematica“ arba „Natūraliosios filosofijos matematiniai principai“.

Kosminė raketa išmetamų dujų dėka gauna reikiamą varomąją jėgą. Šaltinis: „Pixabay“.

Paaiškinimas ir formulės

Matematinis Niutono trečiojo dėsnio formulavimas yra labai paprastas:

F ₁₂ = - F ₂₁

Viena iš jėgų vadinama veiksmu, o kita - reakcija. Tačiau būtina pabrėžti šios detalės svarbą: abu veikia skirtingus objektus. Jie taip pat tai daro vienu metu, nors ši terminologija neteisingai rodo, kad veiksmas vyksta prieš ir po jo.

Kadangi jėgos yra vektoriai, jos žymimos pusjuodžiu šriftu. Ši lygtis parodo, kad mes turime du objektus: objektą 1 ir objektą 2. Jėga F ₁₂ yra ta, kurią objektas 1 veikia 2 objektą. Jėga F ₂₁ yra veikiama 2 objekto 1 objektu. Ir ženklas (-) rodo, kad jie yra priešais.

Atidžiai stebint trečiąjį Niutono dėsnį, pastebimas svarbus skirtumas su dviem pirmaisiais: nors jie nurodo vieną objektą, o trečiasis dėsnis nurodo du skirtingus objektus.

Tai yra tai, kad jei gerai pagalvoji, sąveikai reikalingos poros objektų.

Dėl šios priežasties veiksmo ir reakcijos jėgos viena kitos neatšaukia ar nėra subalansuotos, net jei jos turi tą patį dydį ir kryptį, bet priešingą kryptį: jos yra pritaikytos skirtingiems kūnams.

Programos

Rutulio ir žemės sąveika

Tai labai kasdienis sąveikos, susijusios su Niutono trečiuoju įstatymu, taikymas: vertikaliai krentantis rutulys ir Žemė. Rutulys nukrenta ant žemės, nes Žemė veikia patrauklią jėgą, vadinamą gravitacija. Dėl šios jėgos rutulys krinta pastoviu 9,8 m / s ² pagreičiu .

Tačiau vargu ar kas susimąsto apie tai, kad rutulys taip pat daro patrauklią jėgą Žemėje. Žinoma, žemė nesikeičia, nes jos masė yra daug didesnė nei rutulio, todėl ji patiria nežymų pagreitį.

Kitas pastebimas momentas apie trečiąjį Niutono dėsnį yra tas, kad kontaktas tarp dviejų sąveikaujančių objektų nėra būtinas. Iš ką tik cituojamo pavyzdžio matyti, kad rutulys dar nesusilietė su Žeme, tačiau vis dėlto jį veikia. Ir kamuolys Žemėje taip pat.

Tokia jėga kaip gravitacija, veikianti netiesiogiai, nesvarbu, ar yra daiktų kontaktas, ar ne, vadinama „veikimo jėga per atstumą“. Kita vertus, tokioms jėgoms kaip trintis ir normalios jėgos reikalauja, kad sąveikaujantys objektai būtų kontaktuojami, todėl jie vadinami „kontaktinėmis jėgomis“.

Iš pavyzdžio paimtos formulės

Grįžtant prie rutulio - žemės objektų poros, pasirenkant rutulius P rutuliui ir T žemei bei pritaikant antrąjį Niutono dėsnį kiekvienam šios sistemos dalyviui, gauname:

_Rezultatas F = m. į

Trečiame įstatyme teigiama:

m _P a _P = - m _T a _T

a _P = 9,8 m / s ^2, nukreiptas vertikaliai žemyn. Kadangi šis judėjimas vyksta vertikaliąja kryptimi, galima atsisakyti vektoriaus žymėjimo (paryškinto); ir pasirinkdami teigiamą ir žemyn nukreiptą aukštyn, mes turime:

a _P = 9,8 m / s ²

m _T ≈ 6 x 10 ²⁴ kg

Nepriklausomai nuo rutulio masės, Žemės pagreitis yra lygus nuliui. Štai kodėl pastebima, kad rutulys krenta link Žemės, o ne atvirkščiai.

Raketos veikimas

Raketos yra geras Niutono trečiojo įstatymo taikymo pavyzdys. Vaizdo pradžioje rodoma raketa pakyla dėl karštų dujų varymo dideliu greičiu.

Daugelis mano, kad taip nutinka todėl, kad šios dujos kažkodėl „atsiremia“ į atmosferą ar žemę, kad palaikytų ir stumtų raketą. Tai neveikia taip.

Kaip raketa daro jėgą dujoms ir išstumia jas atgal, dujos daro jėgą raketoje, kurios modulis yra tas pats, bet priešinga kryptimi. Ši jėga suteikia raketai pagreitį į viršų.

Jei neturite tokios raketos po ranka, yra ir kitų būdų patikrinti, ar Niutono trečiasis įstatymas veikia kaip varomoji jėga. Galima pastatyti vandens raketas, kuriose reikiamą trauką užtikrina vanduo, išstumtas dujomis, esant slėgiui.

Reikėtų pažymėti, kad vandens raketos paleidimas reikalauja laiko ir reikalauja daugybės atsargumo priemonių.

Pačiūžų naudojimas

Prieinamesnis ir greitesnis būdas patikrinti Niutono trečiojo įstatymo poveikį yra uždėti ant pačiūžų porą ir pastumti save prie sienos.

Gebėjimas daryti jėgą dažniausiai yra susijęs su judančiais objektais, tačiau tiesa ta, kad nejudrūs objektai taip pat gali panaudoti jėgas. Čiuožėjas stumiamas atgal dėl jėgos, kurią jam daro nejudri siena.

Susilietę paviršiai veikia (normalias) kontaktines jėgas. Kai knyga guli ant horizontalaus stalo, ji veikia vertikalią jėgą, vadinamą normalia. Knyga ant stalo veikia tos pačios skaitinės vertės ir priešingos krypties vertikalią jėgą.

Eksperimentas vaikams: čiuožėjai

Vaikai ir suaugusieji gali lengvai patirti trečiąjį Niutono dėsnį ir patikrinti, ar veiksmo ir reakcijos jėgos neišnyksta ir yra pajėgios užtikrinti judesius.

Dvi čiuožėjos ant ledo ar ant labai lygaus paviršiaus, veikdamos ir reaguodamos, gali stumti viena kitą ir patirti judesius priešinga kryptimi, nesvarbu, ar jų masė vienoda, ar ne.

Apsvarstykite du čiuožėjus, kurių masė yra gana skirtinga. Jie yra nedidelės trinties ledyno viduryje ir iš pradžių yra ramybėje. Tam tikru momentu jie stumia vienas kitą taikydami nuolatinę jėgą delnais. Kaip jie abu judės?

Du čiuožėjai stumia vienas kitą viduryje ledo aikštės. Šaltinis: Benjamin Crowell („Vikipedijos“ vartotojas „bcrowell“)

Svarbu atkreipti dėmesį į tai, kad kadangi tai paviršius be trinties, vienintelės nesubalansuotos jėgos yra jėgos, kurias čiuožėjai taiko vienas kitam. Nors svoris ir normalus elgesys abu, šios jėgos balansuoja, kitaip čiuožėjai įsibėgėtų vertikalia kryptimi.

Šiame pavyzdyje pritaikytos formulės

Trečiame Niutono įstatyme teigiama:

F ₁₂ = - F ₂₁

Tai yra, jėga, kurią slidininkas 1 veikia 2, yra lygus dydžiui, kurį veikia 2 ant 1, ta pačia kryptimi ir priešinga kryptimi. Atkreipkite dėmesį, kad šios jėgos yra taikomos skirtingiems objektams, kaip ir ankstesniame konceptualiame pavyzdyje, jėgos buvo pritaikytos rutuliui ir žemei.

m ₁ iki ₁ = -m ₂ iki ₂

Kadangi jėgos yra priešingos, jų sukeliami pagreičiai taip pat bus priešingi, tačiau jų stiprumas bus skirtingas, nes kiekvienas čiuožėjas turi skirtingą masę. Pažvelkime į pirmojo čiuožėjo įgytą pagreitį:

Taigi judėjimas, kuris vyksta šalia, yra abiejų čiuožėjų atskyrimas priešingomis kryptimis. Iš esmės čiuožėjai buvo ramybėje trasos viduryje. Kiekvienas iš jų veikia jėgą, užtikrinančią pagreitį, kol rankos liečiasi ir trunka trauka.

Po to čiuožėjai tolygiai vienas kitam juda tolyn, nes nesubalansuotos jėgos nebeveikia. Kiekvieno čiuožėjo greitis bus skirtingas, jei jų masė taip pat bus.

Pratimas išspręstas

Norint išspręsti problemas, kuriose turi būti taikomi Niutono dėsniai, būtina atsargiai atkreipti jėgas, veikiančias objektą. Šis piešinys vadinamas „laisvo kūno diagrama“ arba „izoliuoto kūno schema“. Jėgos, kurias kūnas veikia kitiems objektams, šioje diagramoje neturėtų būti parodytos.

Jei problemoje yra daugiau nei vienas objektas, būtina nubrėžti kiekvieno objekto laisvo kūno schemą, nepamirštant, kad veiksmo-reakcijos poros veikia skirtingus kūnus.

a) Pagreitis, kurį kiekvienas slidininkas įgyja pastūmimo dėka.

b) kiekvieno greitis, kai jie atsiskiria

Sprendimas

a) Paimkite teigiamą horizontalią kryptį iš kairės į dešinę. Taikydami antrąjį Niutono dėsnį su vertybėmis, pateiktomis mūsų pateiktame teiginyje:

F ₂₁ = m ₁ - ₁

Iš kur:

Antrajam čiuožėjui:

b) tolygiai pagreitinto tiesinio judesio kinematinės lygtys yra naudojamos apskaičiuojant greitį, kurį jos vykdo, kai atsiskiria:

Pradinis greitis yra 0, nes jie buvo ramybėje trasos viduryje:

v _f = ne

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

Rezultatai

Kaip ir tikėtasi, 1 žmogus, būdamas lengvesnis, įgyja didesnį pagreitį, taigi ir didesnį greitį. Dabar atkreipkite dėmesį į šiuos dalykus apie masės sandaugą ir kiekvieno čiuožėjo greitį:

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

Abiejų sandaugų suma yra 0. Masės ir greičio sandauga vadinama impulsu P. Tai vektorius, turintis tą pačią kryptį ir greičio pojūtį. Kai čiuožėjai ilsėjosi ir jų rankos buvo susilietusios, buvo galima manyti, kad jie suformavo tą patį objektą, kurio impulsas buvo:

P _o = (m ₁ + m ₂ ) v _o = 0

Paspaudus, čiuožimo sistemos judesio kiekis išlieka 0. Taigi judesio kiekis išsaugomas.

Trečiojo Niutono dėsnio kasdieniniame gyvenime pavyzdžiai

Vaikščiok

Ėjimas yra vienas iš kasdieniškiausių veiksmų, kuriuos galima atlikti. Jei atidžiai stebima, norint vaikščioti, reikia pastumti pėdą prie žemės, kad ji grąžintų vaikštynės kojai vienodą ir priešingą jėgą.

Vaikščiodami mes nuolat taikome trečiąjį Niutono dėsnį. Šaltinis: „Pixabay“.

Būtent ta jėga leidžia žmonėms vaikščioti. Skrendant paukščiai veikia jėgą ore, o oras stumia sparnus taip, kad paukštis stumtųsi į priekį.

Automobilio judėjimas

Automobilyje ratai veikia jėgas ant grindinio. Dėl kelio dangos reakcijos jis padaro jėgas padangoms, kurios stumia automobilį į priekį.

Sportas

Sportuojant, veiksmo ir reakcijos jėgos yra gausios ir labai aktyviai dalyvauja.

Pvz., Pamatykime sportininką, kurio koja ilsisi ant starterio. Blokas suteikia normalią jėgą, reaguodamas į sportininko pastūmėjimą. Dėl šio normalaus ir bėgiko svorio atsiranda horizontali jėga, leidžianti sportininkui pastumti save į priekį.

Sportininkas naudoja starterio bloką, kad įsibėgėtų į priekį. Šaltinis: „Pixabay“.

Gaisrinės žarnos

Kitas pavyzdys, kuriame galioja trečiasis Niutono įstatymas, yra ugniagesiai, laikantys gaisrines žarnas. Šių didelių žarnų gale yra purkštuko rankena, kurią ugniagesys turi laikyti, kai vandens srovė išeina, kad būtų išvengta atkryčio, kuris atsiranda, kai vanduo bėga.

Dėl tos pačios priežasties patogu pririšti valtis prie doko prieš jiems išvykstant, nes stumiant save prie doko, valčiai yra suteikiama jėga, kuri ją tolsta nuo jo.

Nuorodos

1. Giancoli, D. 2006. Fizika: principai su taikymu. Šeštasis leidimas. Prentice salė. 80 - 82.
2. Rex, A. 2011. Fizikos pagrindai. Pearsonas. 73 - 75.
3. Tipleris, P. 2010. Fizika. 1 tomas. 5-asis leidimas. Redakcijos revertas. 94 - 95.
4. Stern, D. 2002. Nuo astronomų iki erdvėlaivių. Paimta iš: pwg.gsfc.nasa.gov.