Закони Ньютона: коротко та зрозуміло про формулах і формулювання на конкретних прикладах

У шкільному курсі фізики вивчаються три закони Ньютона, що є основою класичної механіки. Сьогодні з ними знайомий кожен школяр, але в часи великого вченого подібні відкриття вважалися революційними. Закони Ньютона, коротко і зрозуміло будуть описані нижче, вони допомагають не тільки зрозуміти основу механіки і взаємодії об’єктів, але і допомагають записати дані в якості рівняння.

Вступна інформація

Вперше три закону Ісак Ньютон описав у праці «Математичні начала натуральної філософії» (1867 рік), в якому були детально викладені не тільки власні висновки вченого, але всі знання по цій темі відкриті іншими філософами і математиками. Таким чином, праця стала фундаментальним в історії механіки, а пізніше і фізики. У ньому розглянуто переміщення і взаємодія масивних тел.

Цікаво знати! Ісаак Ньютон був не тільки талановитим фізиком, математиком і астрономом, але і вважався генієм в механіці. Обіймав посаду президента королівського товариства Лондона.

Кожне твердження висвітлює одну зі сфер взаємодії і переміщення предметів у природі, правда звернення до них було кілька скасовано Ньютоном, і вони були прийняті як точки без певного розміру (математичні).

Саме це спрощення дозволило проігнорувати природні фізичні явища: повітряний опір, тертя, температуру або інші фізичні показники об’єкта.

Отримані дані могли бути описані тільки по часу, масі або довжині. Саме з-за цього формулювання Ньютона забезпечують лише відповідні, але наближені значення, які не можна використати для опису точної реакції великих або змінюваних за формою об’єктів.

Переміщення масивних предметів, які беруть участь у визначеннях, прийнято обчислювати в інерціальній системі відліку, представленої у вигляді системи координат з трьох вимірів, і при цьому вона не збільшує свою швидкість і не обертається навколо своєї осі.

Її часто називають системою відліку Ньютона, але при цьому вчений ніколи не створював і не використовував такої системи, а використовував нераціональну. Саме в цій системі тіла можуть рухатися так, як описує це Ньютон.

Перший закон

Називається законом інерції. Не існує його практичної формули, зате є кілька формулювань. У підручниках з фізики пропонується наступна формулювання першого закону Ньютона: є інерціальні системи відліку, відносно яких об’єкт, якщо він вільний від впливу будь-яких сил (або ж вони миттєво компенсується), перебувати в повному спокої або рухається по прямій і з однаковою швидкістю. Що означає дане визначення і як його зрозуміти?

Простими словами перший закон Ньютона пояснюється так: будь-яке тіло, якщо його не чіпати і жодним чином не впливати на нього, буде постійно залишатися в стані спокою, тобто нескінченно стояти на місці. Те ж саме відбувається і при його русі: воно буде рівномірно рухатися по заданій траєкторії нескінченно, поки на нього не впливає.

Подібне твердження озвучував Галілео Галілей, але не зміг уточнити і точно описати це явище. У цьому формулюванні важливо правильно зрозуміти, що таке інерціальні системи відліку. Якщо сказати зовсім простими словами, то це система, в якій виконується дія даного визначення.

Перший закон Ньютона

У світі можна побачити безліч подібних систем, якщо поспостерігати за рухом:

  • потяги на заданому ділянці з однаковою швидкістю;
  • Місяця навколо Землі;
  • колеса огляду в парку.

В якості прикладу розглянемо якогось парашутиста, який вже розкрив парашут і рухається прямолінійно і при цьому рівномірно по відношенню до поверхні Землі. Рух людини не припинитися до тих пір, поки земне тяжіння буде компенсуватися рухом і опором повітря. Як тільки це опір зменшиться, то тяжіння збільшиться, що призведе до зміни швидкості парашутиста – його рух стане прямолінійним і рівноприскореним.

Саме щодо цієї формулювання існує яблучна легенда: Ісаак відпочивав в саду під яблунею і розмірковував про фізичні явища, коли з дерева зірвалася стигле яблуко і впала в траву. Саме рівне падіння змусило вченого вивчити це питання і видати в результаті наукове пояснення руху предмета в певній системі відліку.

Цікаво знати! Крім трьох явищ в механіці, Ісаак Ньютон пояснив рух Місяця як супутника Землі, створив корпускулярну теорію світла і розклав веселку на 7 кольорів.

Другий закон

Дане наукове обґрунтування стосується не просто рухи предметів у просторі, а взаємодії їх з іншими об’єктами і результатів цього процесу.

Закон говорить: збільшення швидкості об’єкта з деякою постійною масою в інерціальній системі відліку прямо пропорційно силі впливу і обернено пропорційно до постійної маси рухомого предмета.

Простіше кажучи, якщо існує якесь рухомі тіло, маса якого не змінюється, і на нього раптом почне впливати стороння сила, то воно почне прискорюватися. А ось швидкість прискорення буде прямо залежати від впливу і обернено пропорційно залежати від маси рухомого предмета.

Для прикладу можна розглянути сніговий шар, який котитися з гори. Якщо куля штовхати по ходу руху, то прискорення кулі буде залежати від потужності впливу: чим вона більше, тим більше прискорення. Але, чим більше маса даного кулі, тим менше буде прискорення. Дане явище описується формулою, в якій враховується прискорення, або «a», рівнодійна маса всіх впливаючих сил, або «F», а також маса самого предмета, або «m»:

а = F/m

Слід уточнити, що дана формула може існувати тільки в тому випадку, якщо рівнодійна всіх сил не менше і не дорівнює нулю. Застосовується закон тільки щодо тіл, що рухаються зі швидкістю менше світловий.

Корисне відео: перший і другий закони Ньютона

Третій закон

Багато чули вислів: «На кожну дію є своя протидія». Його часто використовують не тільки в загальноосвітніх цілях, але і виховних, пояснюючи, що на кожну силу знайдеться велика.

Ця формулювання пішла від чергового наукового твердження Ісаака Ньютона, а точніше його третього закону, який пояснює взаємодія різних сил у природі стосовно якого-небудь тіла.

Третій закон Ньютона визначення має таке: предмети впливають один на одного з силами однакової природи (з’єднує маси предметів і спрямовані вздовж прямої), які рівні за своєю модулів і при цьому спрямовані в різні сторони. Дана формулювання звучить досить складно, але простими словами пояснити легко закон: кожна сила має свою протидію або рівну силу, спрямовану у зворотний бік.

Набагато простіше буде зрозуміти сенс закону, якщо як приклад взяти гармату, з якої стріляють ядрами. Гармата впливає на снаряд з тією ж силою, з якою снаряд впливає на гармату. Підтвердженням цього буде невеликий рух гармати назад під час пострілу, що підтвердить вплив ядра на знаряддя. Якщо взяти як приклад теж саме яблуко, що падає на землю, то стане зрозуміло, що яблуко і земля, впливають один на одного з рівною силою.

Закон має також математичне визначення, в якому використовується сила першого тіла (F1) і другого (F2):

F1 = -F2

Знак мінуса повідомляє про те, що вектори сил двох різних тіл спрямовані в протилежні сторони. При цьому важливо пам’ятати, що ці сили не компенсують один одного, оскільки спрямовані щодо двох тіл, а не одного.

Корисне відео: 3 закону Ньютона на прикладі велосипеда

Висновок

Дані закони Ньютона коротко і чітко необхідно знати кожній дорослій людині, оскільки вони є основою механіки і діють у повсякденному житті, незважаючи на те, що не при всіх умовах дані закономірності дотримуються. Вони стали аксіомами в класичній механіці, і на основі їх були створені рівняння руху та енергії (збереження імпульсу і збереження механічної енергії).