Что на самом деле означают законы Ньютона?

Кто из нас в школе не изучал законы Ньютона? И, конечно, многие не понимали их с первого раза. И по сей день эта тема остается для школьников проблемной.

Что мы знаем о Ньютоне?

Наверняка большинство школьников вспомнят легенду о яблоке, которое упало на голову ученого. Приведем несколько других интересных и менее известных, но более правдоподобных фактов из его жизни.

• Будущий физик, математик, астроном, механик, философ родился в английской деревне Вулсторп в 1643 году.

• Воспитывался бабушкой и дедушкой по маминой линии, отец умер еще до его рождения, а мать — создала новую семью.

• Удивительно, но теоретику нравились поэзия и живопись. В детстве мальчик не отличался особой общительностью, но любил мечтать.

• Уже в юном возрасте он интересовался природными явлениями и математикой, создавал водяные часы и ветряную мельницу.

• Учился в колледже Кембриджского университета. Спустя годы имел должность профессора кафедры математики в этом учебном заведении.

• Помимо естественных наук, изучал основы алхимии и теологии.

• Был директором монетного двора, президентом Лондонского королевского общества и даже рыцарем!

• Его именем названа медаль, присуждаемая британским Институтом физики за заслуги в этой области.

Вот таким разносторонним человеком был Исаак Ньютон.

Вспомним основные его открытия:

1. Три закона движения

2. Закон всемирного тяготения

3. Изучение света, оптики

4. Первая модель отражающего телескопа

5. Эмпирический закон охлаждения.

Он — предшественник новой эры в физике и математике. Благодаря открытиям Ньютона наука стала развиваться, а ученые, подобно ему, стремились исследовать мир.

Первый закон Ньютона

А мы с вами остановимся на таком разделе физики, как механика, и разберем три закона движения.

Начнем с самого первого. Его еще называют «законом инерции». Его формулировки несколько отличаются:

1. «Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит его изменить это состояние».

2. «Существуют такие системы отсчета, называемые инерциальными, в которых тела движутся равномерно и прямолинейно, если на них не действуют никакие силы или действие других сил скомпенсировано».

Правило сказано разными словами, но суть у него одна — способы движения тела не меняются либо пока действующие силы скомпенсированы, либо пока на него вообще не действуют никакие силы.

Запишем:

Инерция — способность тела сохранять свою скорость и направление движения, когда на него не воздействует что-либо из внешней среды.

Наверняка вы слышали такую фразу — «движется по инерции». Это значит, что направление и модуль скорости вектора остаются без изменений при таком движении.

Главные идеи I закона:

1) все тела имеют свойство инертности;

2) факт наличия инерциальных систем отсчета.

Обратимся к ютуб-каналу «Физика с Юрием Ткачевым» перед объяснением II закона Ньютона. Скорость — величина относительная. Соответственно, она зависит от выбора системы отсчета. По мнению Ткачева, и первый, и второй законы важно употреблять с подчеркиванием этой мысли.

Например, мы смотрим на Солнце и думаем, что оно движется с разной скоростью и не всегда прямо. Причина тому — система отсчета, которая «связана посредством силы тяжести с вращающейся и движущейся по орбите вокруг Солнца Землей».

В инерциальных системах отсчета пространство не имеет избранные направления, т.е. оно однородно и изотропно. Например, Земля не является такой системой. Однако в большинстве механических задач ее все-таки относят к инерциальным системам, применяя при этом законы Ньютона. К «силе Кориолиса» это неприменимо. В связи с этим в механике есть определенная классификация оценок, которые помогают определить, в каких случаях нужно учитывать «неинерциальность» Земли, а где этим фактом можно и пренебречь.

Второй закон Ньютона

Поговорим о следующем законе, который еще называют «основным законом динамики поступательного движения». Перед нами несколько его формулировок:

1. «Ускорение, с которым тело движется относительно инерциальной системы отсчета, прямо пропорционально равнодействующей всех сил, действующих на тело, обратно пропорционально массе тела и по направлению совпадает с направлением равнодействующей всех сил».

2. «Ускорение предмета (любой точки материи) в инерциальной системе отсчета имеет прямую пропорциональную зависимость от силы, воздействующей на него, и обратную зависимость от его массы».

Третий закон Ньютона

И рассмотрим последний закон:

1. «Всякое действие материальных тел друг на друга носит характер взаимодействия; силы, с которыми действуют друг на друга взаимодействующие тела, равны по величине и противоположны по направлению».

2. «Тела действуют друг на друга с силами, направленными вдоль одной прямой, противоположными по направлению и разными по модулю».

Т.е. сила действия равна силе противодействия. Одно тело действует на второе, которое в свою очередь действует на первое в противоположном направлении. Перельман отмечает, что уместнее такая формулировка — «сила противодействующая равна силе действующей». Равны именно силы, а действия, т.е. перемещения тела, различны. «Силы приложены к разным телам», — резюмирует он.

Примеры

Разобрали теоретическую часть, а теперь попробуем посмотреть на законы с практической стороны.

Первый закон

В книге «Занимательная физика» нам предлагают рассказ о конторщике по имени Фотерингей. Он решил остановить Землю, когда его желание осуществилось — конторщик не смог найти вокруг себя ничего. Повсюду была лишь разруха. Виной всему оказалась инерция.

Все, что было на Земле, связано с массой земного шара. Поэтому оно стремительно покатилось по касательной к поверхности шара, а впоследствии «падало на Землю, разбиваясь вдребезги».

Онлайн-школа «Skysmart» предлагает нам такой пример. Когда кот спокойно лежит на батарее, на него со стороны Земли действует сила тяжести, со стороны батареи — сила реакция опоры. Первая сила направлена вниз, соответственно, вторая — вверх. Они скомпенсированы, поэтому скорость кота не меняется, он находится в состоянии покоя.

Второй закон

На основе истории из онлайн-школы «Skysmart» составим свой пример.

Коля пришел с тренировки и бросил сумку массой 5 кг на диван с силой 4 Н.
Найдем ускорение.

Вспомним формулу — силу нужно поделить на массу
4: 5 = 0,8 м/с²

Ответ: сумка приобрела ускорение 0,8 м/с².

Третий закон

«Никакое взаимодействие частей механической системы не может изменить состояние этой системы относительно внешнего наблюдателя», — утверждает Ткачев. Он рассмотрел такие примеры:

1. «Схватив себя за эту косичку, я изо всех сил дёрнул вверх и без большого труда вытащил из болота и себя, и своего коня, которого крепко сжал обеими ногами, как щипцами», — рассказывал Мюнхгаузен.
   
   Согласно III закону Ньютона барон не мог этого сделать. Если бы он стал тянуть себя за волосы вверх, то они тянули бы его вниз с такой же силой.
   

2. В одном сосуде плавает шарик для пинг-понга, а во втором — он прикреплен к нити, которая зафиксирована на дне изделия. Какой сосуд будет легче?
   
   Шарик давит на воду, а она на него. «Неважно плавает шарик или нет, вес сосуда от этого поменяться не может», — отмечает Ткачев.

Итак, мы видим, что законы Ньютона позволяют исследовать движение тел, составить из этого уравнение или же рассчитать ускорение. Они могут использоваться и в других областях. Например, в биологии, технике, спорте или даже в повседневной жизни. Поэтому изучение законов в школе не стоит считать бесполезным.

Подготовила Александра Шипова