Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Как описано третьи из законов движения Ньютона в классической механике , все силы возникают в парах таких , что если один объект оказывает усилие на другой объект, то второй объект оказывает равную и противоположную силу реакции на первом. [1] [2] Третий закон также более широко сформулирован как: «Каждому действию всегда противопоставляется равное противодействие: или взаимные действия двух тел друг на друга всегда равны и направлены на противоположные части». [3] Определение того, какая из двух сил является действием, а какая - противодействием , произвольно. Любой из двух вариантов можно рассматривать как действие, а другой - как связанную с ним реакцию.

Примеры [ править ]

Взаимодействие с землей [ править ]

Когда что-то оказывает на землю силу, земля отталкивается с равной силой в противоположном направлении. В некоторых областях прикладной физики, таких как биомеханика , эта сила, действующая на землю, называется « силой реакции земли »; сила объекта на земле рассматривается как «действие».

Когда кто-то хочет прыгнуть, он прикладывает к земле дополнительную силу, направленную вниз («действие»). Одновременно земля оказывает на человека восходящую силу («реакция»). Если эта восходящая сила больше веса человека, это приведет к восходящему ускорению. Когда эти силы перпендикулярны земле, их также называют нормальной силой .

Точно так же вращающиеся колеса автомобиля пытаются скользить назад по земле. Если земля не слишком скользкая, это приводит к паре сил трения : «действие» колеса на землю в обратном направлении и «реакция» земли на колесо в прямом направлении. Эта поступательная сила приводит в движение автомобиль.

Гравитационные силы [ править ]

Два тела, похожие на Солнце и Землю , то есть с огромной разницей в массе - красный крестик обозначает барицентр.

Земли , среди других планет , вращается вокруг Солнца , потому что Солнце оказывает гравитационное притяжение , которое действует как центростремительная сила , держа Землю к нему, которые в противном случае пойти бы стрелять в космос. Если притяжение Солнца рассматривается как действие, тогда Земля одновременно оказывает на Солнце реакцию в виде гравитационного притяжения. Земное притяжение имеет ту же амплитуду, что и Солнце, но в противоположном направлении. Поскольку масса Солнцанастолько больше Земли, что Солнце обычно не реагирует на притяжение Земли, но на самом деле это так, как показано на анимации (не в точном масштабе). Правильный способ описания совместного движения обоих объектов (игнорируя на данный момент все другие небесные тела) - сказать, что они оба вращаются вокруг центра масс , называемого в астрономии барицентром объединенной системы.

Поддерживаемая масса [ править ]

Любая масса на Земле притягивается гравитационной силой Земли; эту силу также называют ее весом . Соответствующая «реакция» - это гравитационная сила, которую масса оказывает на планету.

Если объект поддерживается так, что он остается неподвижным, например, тросом, на котором он висит, или поверхностью под ним, или жидкостью, на которой он плавает, также существует сила поддержки в направлении вверх ( натяжение сила, нормальная сила , подъемная сила соответственно). Эта опорная сила является «равной и противоположной» силой; мы знаем это не из-за третьего закона Ньютона, а потому, что объект остается в покое, так что силы должны быть уравновешены.

На эту опорную силу также существует «реакция»: объект тянет вниз за поддерживающий трос или давит на опорную поверхность или жидкость. Таким образом, в данном случае действуют четыре силы равной величины:

  • F 1 . сила тяжести земли на объект (вниз)
  • F 2 . гравитационная сила объекта на земле (вверх)
  • F 3 . сила опорой на объект (вверх)
  • Ж 4 . сила предметом на опоре (вниз)

Силы F 1 и F 2 равны по третьему закону Ньютона; то же самое верно для сил F 3 и F 4 . Силы F 1 и F 3 равны тогда и только тогда, когда объект находится в равновесии и никакие другие силы не применяются. (Это не имеет ничего общего с третьим законом Ньютона.)

Масса на пружине [ править ]

Если груз висит на пружине, следует учитывать те же соображения, что и раньше. Однако, если эта система затем возмущается (например, масса получает легкий толчок вверх или вниз, скажем), масса начинает колебаться вверх и вниз. Из-за этих ускорений (и последующих замедлений) мы делаем вывод из второго закона Ньютона, что результирующая сила ответственна за наблюдаемое изменение скорости. Сила тяжести, притягивающая массу вниз, больше не равна восходящей упругой силе пружины. В терминологии предыдущего раздела F 1 и F 3 больше не равны.

Однако по-прежнему верно, что F 1 = F 2 и F 3 = F 4 , поскольку этого требует третий закон Ньютона.

Причинно-следственная интерпретация [ править ]

Термины «действие» и «реакция» вводят в заблуждение предположение о причинности , как если бы «действие» было причиной, а «противодействие» - следствием. Поэтому легко думать, что вторая сила существует благодаря первой и даже происходит через некоторое время после первой. Это неверно; силы совершенно одновременны и существуют по той же причине. [4]

Когда силы вызваны волей человека (например, футболист бьет по мячу), эта волевая причина часто приводит к асимметричной интерпретации, где сила игрока, действующего на мяч, считается `` действием '', а сила мяча на игрока "реакция". Но физически ситуация симметрична. Силы, действующие на мяч и на игрока, объясняются их близостью, что приводит к паре контактных сил (в конечном итоге из-за электрического отталкивания). То, что эта близость вызвана решением игрока, не имеет отношения к физическому анализу. Что касается физики, ярлыки «действие» и «противодействие» можно перевернуть. [4]

«Равные и противоположные» [ править ]

Одна проблема, которую часто наблюдают преподаватели физики, заключается в том, что студенты склонны применять третий закон Ньютона к парам «равных и противоположных» сил, действующих на один и тот же объект. [5] [6] [7]Это неверно; третий закон относится к силам, действующим на два разных объекта. Например, книга, лежащая на столе, подвергается действию направленной вниз гравитационной силы (со стороны Земли) и направленной вверх нормальной силы со стороны стола. Поскольку книга не ускоряется, эти силы должны быть точно сбалансированы в соответствии с первым или вторым законом Ньютона. Следовательно, они «равны и противоположны». Однако эти силы не всегда одинаково сильны; они будут другими, если книгу толкают вниз под действием третьей силы, или если стол наклонен, или если система стола и книги находится в ускоряющемся лифте. Случай трех или более сил рассматривается как сумма всех сил.

Возможная причина этой проблемы состоит в том, что третий закон часто формулируется в сокращенной форме: для каждого действия существует равное и противоположное противодействие [8] без подробностей, а именно, что эти силы действуют на два разных объекта. Кроме того, существует причинно - следственная связь между весом что - то и нормальной силой: если объект не имел никакого веса, он не будет испытывать усилие поддержки со стола, а вес диктует , насколько сильна поддержка сила будет. Эта причинно-следственная связь возникает не из-за третьего закона, а из-за других физических отношений в системе.

Центростремительная и центробежная сила [ править ]

Другой распространенной ошибкой является утверждение, что «центробежная сила, которую испытывает объект, является реакцией на центростремительную силу, действующую на этот объект». [9] [10]

Если бы объект был одновременно подвержен как центростремительной силе, так и равной и противоположной центробежной силе , результирующая сила исчезла бы, и объект не мог бы испытывать круговое движение. Центробежную силу иногда называют фиктивной силой или псевдосилой, чтобы подчеркнуть тот факт, что такая сила появляется только тогда, когда вычисления или измерения проводятся в неинерциальных системах отсчета. [11]

См. Также [ править ]

  • Сила реакции земли
  • Реактивная центробежная сила
  • Исаак Ньютон
  • Ибн Баджах
  • Реактивный двигатель / реактивный двигатель
  • Сдвигающая сила

Ссылки [ править ]

  1. ^ Тейлор, Джон Р. (2005). Классическая механика . Книги университетских наук. С. 17–18. ISBN 9781891389221.
  2. ^ Шапиро, Илья Л .; де Берредо-Пейшото, Гильерме (2013). Конспект лекций по механике Ньютона: уроки современных концепций . Springer Science & Business Media. п. 116. ISBN 978-1461478256. Проверено 28 сентября 2016 года .
  3. ↑ Этот перевод третьего закона и следующий за ним комментарий можно найти в « Началах » на странице 20 тома 1 перевода 1729 года .
  4. ^ а б Браун, Дэвид (1989). «Студенческая концепция силы: важность понимания третьего закона Ньютона». Phys. Educ . 24 (6): 353–358. DOI : 10.1088 / 0031-9120 / 24/6/007 . Даже если одно тело может быть более `` активным '', чем другое, и, таким образом, может казаться, что оно инициирует взаимодействие (например, шар для боулинга ударяет по булавке), сила, которую тело A оказывает на тело B, всегда одновременно с силой B, действующей на A. .
  5. ^ Колин Терри и Джордж Джонс (1986). «Альтернативные рамки: третий закон Ньютона и концептуальные изменения». Европейский журнал естественнонаучного образования . 8 (3): 291–298. Bibcode : 1986IJSEd ... 8..291T . DOI : 10.1080 / 0140528860080305 . В этом отчете освещаются некоторые трудности, с которыми дети сталкиваются с третьим законом Ньютона.
  6. ^ Корнелис Хеллингман (1992). «Новый взгляд на третий закон Ньютона». Физическое образование . 27 (2): 112–115. Bibcode : 1992PhyEd..27..112H . DOI : 10.1088 / 0031-9120 / 27/2/011 . ... следующий письменный вопрос: Третий закон Ньютона говорит о «действии» и «противодействии». Представьте себе бутылку вина, стоящую на столе. Если гравитационная сила, притягивающая бутылку, называется действием, то какая сила является реакцией на эту силу согласно третьему закону Ньютона? Чаще всего давался ответ: «Нормальное усилие, которое стол оказывает на бутылку».
  7. ^ Френч, Энтони (1971), Ньютоновская механика , стр. 314, … третий закон Ньютона, что «действие и противодействие равны и противоположны»
  8. ^ Холл, Нэнси. «Третий закон Ньютона в применении к аэродинамике» . НАСА. Архивировано из оригинала на 2018-10-03. на каждое действие (силу) в природе существует равное и противоположное противодействие
  9. ^ Адэр, Аарон (2013), Заблуждения студентов о ньютоновской механике: истоки и решения через изменения в инструкции , Это было атаковано Ньютоном, который пытался сопоставить центростремительную силу на планетах (от гравитационного взаимодействия) с центробежной силой, так что там будет баланс сил, основанный на его третьем законе движения
  10. ^ Эйтон, Эрик (1995), Свец, Фрэнк; и другие. (ред.), Эпизод в истории небесной механики и ее полезности в преподавании прикладной математики , Learn from the Masters, The Mathematical Association of America, ISBN 978-0883857038, ... в одной из своих атак на Лейбница, написанной в 1711 году, Ньютон говорит, что центробежная сила всегда равна и противоположна силе тяжести по третьему закону движения.
  11. ^ Singh, Chandralekha (2009), "центростремительное ускорение: часто забывается или интерпретирован", Физика образования , 44 (5): 464-468, Arxiv : 1602,06361 , DOI : 10,1088 / 0031-9120 / 44/5/ 001 , S2CID 118701050 , Еще одна трудность заключается в том , что студенты часто считают псевдо силы, например, центробежную силу, как если бы они были реальные силы , действующие в инерциальной системе отсчета. 

Библиография [ править ]

  • Фейнман, Р.П., Лейтон и Сэндс (1970) Лекции Фейнмана по физике , том 1, Эддисон Уэсли Лонгман, ISBN 0-201-02115-3 . 
  • Резник, Р. и Д. Холлидей (1966) Physics, Part 1 , John Wiley & Sons, New York, 646 стр. + Приложения.
  • Уоррен, JW (1965) Учение физики , Баттервортс, Лондон, 130 стр.