Десятый класс → Механика → Динамика ↓
Третий закон Ньютона и его применения
В мире физики важно понимать движение и взаимодействие между объектами. Одним из фундаментальных элементов этого исследования является концепция третьего закона движения Ньютона. Сформулированный знаменитым английским ученым сэром Исааком Ньютоном, этот закон является частью набора из трех законов, описывающих основные принципы движения. Давайте узнаем подробнее об этом третьем законе, его применениях и связанных динамиках в механике.
Понимание третьего закона движения Ньютона
Третий закон Ньютона можно лучше всего обобщить следующей фразой:
«На каждое действие есть равное и противоположное противодействие.»
Это простое утверждение имеет очень глубокие последствия. Вкратце, это означает, что силы всегда приходят в парах. Когда один объект оказывает силу на другой объект, второй объект оказывает силу той же величины, но в противоположном направлении на первый объект. Важно понимать, что эти силы возникают одновременно и не могут существовать независимо друг от друга.
Математическое представление
Если мы обозначим силу, оказываемую объектом A на объект B как F AB и силу, оказываемую объектом B на объект A как F BA, тогда третий закон Ньютона можно выразить как:
F AB = - F BA
Здесь отрицательный знак указывает на то, что силы направлены в противоположные стороны, но равны по величине.
Простой пример
Пример 1: Толкание стены
Рассмотрим пример толкания стены. Когда вы прикладываете силу к стене своими руками, стена «отталкивается» с равной силой в противоположном направлении. Хотя стена не двигается, она действительно оказывает силу обратно на ваши руки. Силы применяются одновременно между вашими руками и стеной.
F рука = - F стена
Пример 2: Ходьба
Когда вы идете, ваша нога отталкивается от земли. Согласно третьему закону Ньютона, земля отталкивает вашу ногу вперед. Это переднее толкание от земли заставляет вас двигаться вперед. Силы действия и реакции таковы:
F нога, земля = - F земля, нога
Визуальное представление сил
Представим взаимодействие между ногой и землей при ходьбе.
На этой диаграмме:
- Зеленый квадрат представляет ногу.
- Синяя стрелка представляет силу, приложенную ногой к земле (сила действия).
- Красная стрелка показывает силу (сила реакции), приложенную к ноге землей, отталкивающей ее вперед.
Применения третьего закона Ньютона
Давайте изучим некоторые реальные применения третьего закона Ньютона в различных сценариях:
Реактивные двигатели и ракеты
Работа реактивных двигателей и ракет - это классический пример третьего закона Ньютона. Когда ракета выбрасывает газ наружу, газ отталкивает ракету в противоположном направлении, заставляя ее двигаться вперед.
Для летящей ракеты силы могут быть представлены следующим образом:
F газ, ракета = - F ракета, газ
Этот принцип позволяет ракетам и реактивным двигателям функционировать эффективно даже в вакууме космоса, где нет воздуха, чтобы оттолкнуться.
Плавание
Плавание предполагает соблюдение третьего закона Ньютона. Когда вы плывете, вы отталкиваете воду назад руками и ногами. Вода, в свою очередь, отталкивает вас вперед.
Силы можно представить следующим образом:
F рука, вода = - F вода, рука
Каждое движение в плавании - это выражение взаимных сил между конечностями пловца и водой.
Гребные винты судов
Суда используют гребные винты для перемещения по воде. Лопасти винта вращаются и отталкивают воду назад. Вода реагирует и отталкивает судно вперед.
Силы действия и реакции выражаются следующим образом:
F винт, вода = - F вода, винт
Неправильные толкования и объяснения
Несмотря на простоту, третий закон Ньютона часто вызывает замешательство. Некоторые распространенные неправильные толкования и объяснения таковы:
- Заблуждение: Силы действия и реакции взаимно уничтожаются.
Объяснение: Силы действия и реакции действуют на разные объекты, а не на один и тот же, поэтому они не уничтожаются. Для полного понимания следует учитывать взаимодействие всей вовлеченной системы (например, нога и земля). - Заблуждение: Действие всегда относится к силе, приложенной первой, за которой следует реакция.
Объяснение: Силы действия и реакции возникают одновременно; ни одна не предшествует другой.
Сложный пример: полет птиц
Птицы используют третий закон Ньютона в полете. Когда птица машет своими крыльями вниз, она отталкивает воздух вниз. Воздух реагирует, отталкивая птицу вверх, создавая подъем и помогая птице летать выше.
f крыло, ветер = - f ветер, крыло
Это толкающее действие удерживает птиц в полете, демонстрируя одно из адаптаций природы к физическим законам.
Вывод
Третий закон движения Ньютона обеспечивает глубокое понимание того, как силы работают в парах, помогая нам понять механику различных движений и напряжений в нашей повседневной жизни, а также во вселенной. Признание одновременной природы и связи сил, описанных этим законом, может улучшить наше понимание многих природных явлений и технологических операций.
Изучая различные применения и разъясняя распространенные заблуждения, студенты могут оценить актуальность третьего закона Ньютона, делая изучение динамики в механике вдохновляющим и информативным мероприятием.
Комментарии