Теория

Тема: Законы механики Ньютона

Явление взаимодействия тел. Инерция и инертность. Первый закон Ньютона

Инерция. Инертность. Первый закон Ньютона

   Итак, что же такое «динамика»? Динамика в переводе с греческого означает «сила». И основное понятие динамики – это взаимодействие тел. Дело все в том, что динамика является основным разделом механики, и поэтому ей уделяется особое внимание. Взаимодействие тел, что является основой динамики, представляет собой не что иное, как действие тел друг на друга. Само слово динамика впервые было использовано древнегреческим ученым Аристотелем в 4 веке до нашей эры. Аристотель под динамикой понимал действие одного тела на другое. Итак, динамика – это часть механики, которая рассматривает движение тел с учетом взаимодействия тел между собой. В данном случае, в отличие от кинематики, здесь добавляется еще и то, что рассматривается действие одного тела на другое.

Вопрос движения в 4 веке до нашей эры, по Аристотелю, рассматривался как движение двух видов: естественное и принудительное. Вот естественным, по Аристотелю, считалось движение такое, когда тело стремится к своему естественному положению. Но железо, например, стремится упасть на землю, потому что его место как бы земля, камень стремится упасть на землю, а вот огонь, который горит, стремится на небо, потому что его, видите ли, место на небе. Вот такие были представления.

   Со временем накапливались факты по изучению движения, не только движения на Земле, но и движения планет, и появились новые данные по этой теме. Эти данные уже связаны с именами других ученых, и в первую очередь, конечно же, это Галилео Галилей.

Учение Аристотеля продержалось с малыми изменениями почти 2000 лет. И только в 16 веке, после опытов, проведенных различными учеными, оно стало изменяться. Опыты, которые легли в основу нового понимания динамики, нового понимания механики, это были опыты людей, которые, конечно же, всем известны. В первую очередь это Леонардо Да Винчи и, конечно же, это Галилео Галилей.

   Галилео Галилей провел массу опытов по изучению и исследованию движения тела по различным поверхностям и указал, что, оказывается, движение тела связано с различным взаимодействием силы трения. Поэтому, обращая ваше внимание на движение тел, необходимо помнить, что везде и всюду тела взаимодействуют друг с другом, и это взаимодействие характеризуется силой.

   Итак, давайте поближе рассмотрим, или вспомним, опыты Галилея. Они заключались в следующем. По наклонной плоскости Галилей отпускал мушкетную пулю, и она скатывалась, продолжая потом свое движение по горизонтальной поверхности. Вот если на этой горизонтальной поверхности Галилей располагал различные тела, ну такие, как, например, песок, то движение достаточно быстро прекращалось. Галилей сделал вывод, что если действует сила трения, то движение будет быстро прекращаться. А вот если горизонтальная поверхность оставалась гладкой, то и движение продолжалось довольно долго. И следующий шаг, который можно было сделать, он его и сделал. Он говорил следующее: если силы перестают действовать на тело, то оно будет продолжать свое движение.

Но у Галилея была одна, но очень важная ошибка. Он сказал о том, что при своем движении тела будут двигаться по окружности, и поэтому первый закон Ньютона носит имя Ньютона, а не Галилея. Конечно, надо отметить и тот факт, что не только Галилей проводил свои эксперименты. Надо здесь обязательно вспомнить имя французского ученого Рене Декарта. Он в 1644 году опубликовал свои работы, и в них было написано почти точное определение первого закона Ньютона. Но везде и всюду, как правило, считают, что первый закон Ньютона основывается полностью на исследованиях Галилея. Почему? Дело все в том, что именно   Галилей ввел понятие инерции.
   Слово «инерция» – латинское слово. И в переводе на русский язык означает «бездеятельный», «без движенья»,  это слово характеризует явление, при котором тело сохраняет свое состояние без действия других тел. То есть когда других сил, действующих на тело нет, то это тело сохраняет свое состояние. То есть если оно двигалось, то оно будет продолжать двигаться. Если оно покоилось, то оно будет находиться в состоянии покоя.

Кроме этого, употребляется еще одно слово очень часто в нашей жизни. Это «инертность». Вот инерция и инертность – надо понимать разницу. Слово «инертность» характеризует свойство тел, которое заключается в том, что тело будет сохранять свое состояние. Вот это очень важное отличие, которое необходимо помнить.

    В результате можно сказать о том, что появился новый закон, во времена Галилея он очень часто использовался. И звучит он следующим образом: тело будет сохранять свою скорость, если на него не действуют другие тела. Вот этот закон получил название закона инерции. Мерой инертности тел является масса. Дело все в том, что чем больше масса тела, тем оно устойчивей к своим изменениям. Если оно движется, то будет сохранять свое состояние движения, а если оно находится в покое, то оно будет стремиться сохранить именно свое состояние покоя. И это все зависит именно от такой величины, как масса.

 Первый закон Ньютона не имеет никакой формулы. Это по сути своей определение того, что мы называем состоянием покоя или состоянием движения, равномерного, прямолинейного движения.

    Ближе всех к этому вопросу подошел французский ученый Рене Декарт. Но обобщить все сведения удалось только Ньютону, и первый закон Ньютона получил вот такую формулировку: тело движется прямолинейно и равномерно или находится в покое только тогда, когда на него не действуют силы или эти силы уравновешены, то есть скомпенсированы.

Этот закон говорит о том, что существуют такие системы отсчета, где выполняются все указанные правила. То есть это закон об инерциальных системах отсчета.

Понятие силы. Единица измерения силы

    Мерой взаимодействия тел является сила. Сила – это главное понятие раздела механики под названием «Динамика». Что же такое сила? В быту мы очень часто употребляем это слово, но с точки зрения физики мы должны отметить следующее, что силой называется физическая величина, в результате действия которой тело изменяет свою скорость или деформируется. Поскольку сила – это физическая величина, то во всем мире договорились об ее обозначении. Силу во всем мире принято обозначать латинской буквой F и сверху над этой буквой ставят стрелочку, подчеркивая тем самым, что сила – это векторная величина. Мы должны совершенно твердо помнить, что сила характеризуется своей величиной, то есть большая она, маленькая может быть. И, соответственно, направлением. То есть мы должны каждый раз указывать, куда эта сила направлена. Куда направлено действие. Правда, очень часто путают два таких очень важных понятия: вот мы говорим, что на тело действует сила. Не совсем это, наверное, справедливо, поскольку мы должны понимать, что всегда на одно тело действует другое тело, а сила – это мера этого взаимодействия. Единицей измерения силы считают такую величину, как один ньютон, значит, единицей измерения силы является ньютон. В честь Ньютона названа эта единица. Один Ньютон – это очень небольшое значение силы, и для измерения силы используют другие величины, большие и меньшие. Килоньютоны, меганьютоны, микроньютоны, и так далее.

    Итак, мы должны помнить о том, что сила – это векторная величина, а следовательно, мы должны помнить, что вектор всегда должен сочетаться с системой отсчета. Если сила будет направлена в ту же сторону, что и ось OX, например, то такую силу мы будем считать положительной, а если сила направлена против этой оси, тогда мы ее будем брать с отрицательным значением. То есть со знаком минус.  Знак, стоящий перед обозначением силы, это вовсе не отрицательный-положительный, а это значение определяет направление этой силы, куда она действует.

   Сила может быть измерена при помощи специального прибора, который называется динамометр. Слово динамометр состоит из двух слов: динамо, как мы уже знаем, сила, метрео – измерять, мерить, поэтому можно перевести это слово как «измеритель сил».

    Динамометр состоит из самой главной части. Это пружина. Под деформацией пружина будет определять силу. Чем больше сила, тем больше будет деформирована пружина, и по величине деформации, то есть на сколько она растянулась, эта пружина, мы можем судить о приложенной силе. А дальше можно говорить о шкале. Шкалу мы выбираем произвольно. Вот в наше время считается, что за единицу мы принимаем один Ньютон, и, поэтому шкала любого динамометра проградуирована в ньютонах.

    Что такое один ньютон. В седьмом классе один ньютон определялся как сила, с которой тело массой приблизительно в 100 граммов притягивается к земле. За основу берется взаимодействие между телом и планетой в целом, планетой Земля. Но теперь: одним ньютоном можно считать такую силу, под действием которой тело массой в один килограмм изменяет свою скорость на один метр в секунду. Вот это вот определение использовал Ньютон. Поэтому  и определим его как главное.

 Второй закон Ньютона. Третьий закон Ньютон

  

    В результате именно взаимодействия происходит изменение скорости тела или его деформация, причем скорость меняется под воздействием других тел не мгновенно, а в течение некоторого промежутка времени. Следовательно, изменение скорости за некоторый промежуток времени есть не что иное, как одна из очень важных характеристик, которая называется ускорением.

Действие тел характеризуется другой величиной, которую называют силой. И вот эти две величины  между собой связаны. Если сила действует, значит, соответственно, появляется ускорение. Если есть ускорение, значит, можно говорить о том, что на тело действуют другие тела или действуют некоторые силы.

Ускорение обозначается буквой a, обязательно со стрелочкой, это векторная величина, сила – это векторная величина, значит, тоже со стрелочкой, обозначается буквой F.

   Если мы будем производить эксперимент с каким-либо телом и будем прикладывать к этому телу силу, то под действием силы у тела появится ускорение. Если мы увеличиваем силу, значит, соответственно, будет возрастать и ускорение.

Но вот интересная вещь: оказывается, для одного и того же тела, можно сделать такой вывод, отношение силы к ускорению остаётся величиной постоянной. Вот эта постоянная величина называется массой. Можно её назвать массой, если хотите. Дело всё в том, что мы уже такое слово знаем, ведь мы знаем, что количество вещества измеряется массой, измеряется в килограммах. Так вот, в данном случае появляется ещё одно трактование массы как величины, которая определяет отношение силы, приложенной к телу, и ускорения, которое у этого тела возникает.

   Отношение модуля силы – в данном случае сила рассматривается как результирующая сила, ведь на тело может действовать не одна какая-то сила, а несколько, и тогда мы определяется результирующая сила – отношение к ускорению. В знаменателе стоит модуль ускорения, обратите внимание, к величине – и вот это отношение для данного тела является константой. Слово "константа" латинское, в переводе на русский язык означает "постоянный". Обратите внимание, что именно эту величину обозначаем массой, то есть это и есть не что иное, как величина, характеризующая способность тела к изменению или сохранению скорости. Это и есть масса. Обозначается буквой m и измеряется в килограммах.

Хотя, что же такое масса, по сию пору ответить пока остаётся невозможным. Никто не может определить, как же понимать саму суть, глубину вопроса, связанного с понятием массы.

Дело всё в том, что массу мы уже рассмотрели как несколько случаев, которые характеризуют тело. Да, саму эту характеристику, инертность тел. И мы можем говорить теперь о том, что формулу, которую мы можем рассмотреть, можно констатировать как второй закон Ньютона.

Итак, давайте посмотрим, как же записывается второй закон Ньютона.

Итак, обратите внимание, что две формулы, которые здесь записаны, выражают второй закон Ньютона. Нам привычна первая, где записано так: масса умножить на ускорение равняется сила.  m·a = F

Сила в данном случае – это может быть равнодействующая многих сил, действующих на тело.

В этом случае второй закон Ньютона читается так: произведение массы тела на его ускорение равно действующей на это тело силе.

Второе выражение, которое здесь записано, это a = F/m..  Тело движется с ускорением, величина которого прямо пропорциональна действующей на этой тело силе и обратно пропорциональна массе этого тела.

   Первый закон Ньютона является в данном случае следствием из второго закона. То есть если мы будем считать движение прямолинейным и равномерным , то необходимо отметить тот факт, что это значит, что ускорение равно нулю, а раз ускорение равно нулю, значит, сила, действующая на тело, также должна быть равно нулю. Вот и получается вывод о том, что первый закон Ньютона связан со вторым и можно рассматривать его как следствие.

 3 закон Ньютона.  Раз два тела взаимодействуют, то силы действуют, стало быть, между, как минимум, двумя телами.  Необходимо заметить тот факт, что взаимодействие может происходить не только непосредственно при взаимодействии тел. Мы можем рассмотреть такой пример, как стрельба из лука, ведь полёт стрелы происходит только в том случае, если на стрелу непосредственно воздействует тетива. Но ведь есть взаимодействие, которое определяется совсем иным способом. Например, как же взаимодействуют между собой два магнита? Посредством магнитного поля. То есть, кроме непосредственного взаимодействия, есть ещё, оказывается, взаимодействие, которое обусловлено полем. То же самое можно сказать о взаимодействии планет. Если рассмотреть движение комет, звёзд, планет, спутников, то мы говорим, что в этом случае действует поле тяготения Земли или поле тяготения какой-либо другой планеты. Можно отметить, что существует и поле тяготения, конечно же, у звёзд, и в частности, у Солнца.

Итак, рассмотрим взаимодействие двух тел. Если мы возьмём две лёгкие тележки и на этих тележках укрепим два магнита, причём, обратите внимание, на одном магните, северный полюс, который обозначен буквой N, на другом магните есть полюс южный, они направлены друг против друга, следовательно, эти тележки будут двигаться навстречу друг другу. В этом случае тележка более массивная, тележка m1, которая обозначена, будет обладать меньшим ускорением, то есть ускорение a1 будет меньшим по значению ускорения у тележки номер два.

Вторая тележка  m2 с ускорением a2, и если теперь записать это соотношение, то получится вот такая запись, посмотрите, пожалуйста: масса одной больше массы другой, но в этом случае и ускорение будет также отличаться, но уже в противоположную сторону, a1 будет меньше, чем a2. m1 > m2   a1 < a2

Второй эксперимент,  мысленный,  будет связан с тем, что мы будем не просто рассматривать движение тележек, но попытаемся измерить силу их притяжения, то есть рассмотрим силу их взаимодействия.

Возьмем те же самые тележки, только мы привяжем их к штативам. Один штатив расположен слева, и там располагается динамометр Д1, а другую тележку мы привяжем к другому штативу, расположенному справа, и между тележкой и штативом будет располагаться динамометр Д2.

Вот если мы такой эксперимент произведём, обратите внимание, что обе тележки будут двигаться, будут стремиться к движению навстречу друг другу, и, соответственно, действовать с некоторой силой на динамометры. В этом случае мы можем заметить, что сила по модулю, динамометр, который показывает силу, динамометр Д1 и динамометр Д2, который показывает силу F2, по своему значению будут равны. То есть сила F1 и F2 равны между собой по своему значению, по модулю.

 Итак, в результате мы можем сделать тот вывод, что два тела взаимодействуют друг с другом с равными величине силами, но противоположными по направлению. Это и есть 3 закон Ньютона.   F1=-F2

Итак, обратимся к записи. Посмотрите, пожалуйста: та запись, которую мы здесь сделали, соответствует записи формулы третьего закона Ньютона. F1, то есть сила, которая определяется действием первого тела, равняется силе F2, то есть силе, которую определяет действие второго тела. Но обратите внимание, что F2  берётся со знаком "минус", это означает, что направление действующих сил противоположно.

Итак,  Второй закон Ньютона и третий закон Ньютона между собой, конечно же, связаны. Они определяют действие сил на тела. В третьем законе Ньютона силы F1 и F2 вовсе могут быть не уравновешены. Что это означает? Дело всё в том, что это силы, которые действуют на разные тела, не на одно и то же тело, не на одно тело действуют две силы, а каждая из этих сил действует на своё тело. В результате мы не можем говорить о том, что в данном случае эти силы могут друг друга уравновешивать. Вот если бы они действовали на одно тело, тогда можно было бы, так сказать, рассматривать некоторые случаи.

И необходимо заметить ещё и то, что закон второй, закон третий, и, конечно же, первый закон Ньютона являются основой всей классической механики.