NEWTONOV TRETJI ZAKON: APLIKACIJE, POSKUSI IN VAJE - FIZIČNO - 2026

Tretji zakon Newton , imenovane tudi akcijske in reakcijsko zakona določa, da kadar je predmet, izvaja silo na drugega, pri čemer so zadnje tako doseže na prvo silo enake velikosti in smeri ter v smeri, nasprotni.

Isaac Newton je svoje tri zakone poznal leta 1686 v svoji knjigi Philosophiae Naturalis Principia Mathematica ali Matematična načela naravne filozofije.

Vesoljska raketa prejme potreben pogon zahvaljujoč izpuščenim plinom. Vir: Pixabay.

Pojasnilo in formule

Matematična formulacija Newtonovega tretjega zakona je zelo preprosta:

F ₁₂ = - F ₂₁

Ena od sil se imenuje dejanje, druga pa reakcija. Vendar je treba poudariti pomen te podrobnosti: oba delujeta na različne predmete. To počnejo istočasno, čeprav ta terminologija napačno kaže, da se dogaja pred in reakcija po.

Ker so sile vektorji, jih označujemo krepko. Ta enačba pomeni, da imamo dva predmeta: objekt 1 in objekt 2. Sila F ₁₂ je sila, ki jo na objekt 1 izvaja sila 2. S silo F ₂₁ deluje objekt 2 na objekt 1. In znak (-) pomeni, da sta si nasprotna.

Pozorno opazovanje Newtonovega tretjega zakona kaže na pomembno razliko s prvima dvema: medtem ko se sklicujejo na en predmet, se tretji zakon nanaša na dva različna predmeta.

In ali je, če dobro premislite, interakcije zahtevajo par predmetov.

Zaradi tega se akcije in reakcijske sile med seboj ne odpovejo ali uravnotežijo, čeprav imajo enako velikost in smer, vendar nasprotno smer: nanesejo se na različna telesa.

Prijave

Interakcija med žogo in tlemi

Tu je zelo vsakodnevna uporaba interakcije, povezane z Newtonovim tretjim zakonom: navpično padajoča krogla in Zemlja. Žoga pade na tla, ker Zemlja izvaja privlačno silo, ki je znano kot gravitacija. Ta sila povzroči, da krogla pada s konstantnim pospeškom 9,8 m / s ² .

Vendar komaj kdo pomisli na to, da žoga tudi na Zemlji deluje privlačno. Seveda ostane zemlja nespremenjena, saj je njena masa veliko večja od mase krogle in zato doživlja zanemarljiv pospešek.

Druga pomembna točka tretjega zakona o Newtonu je, da stik med obema interaktivnima objektoma ni potreben. To je razvidno iz pravkar navedenega primera: krogla še ni stopila v stik z Zemljo, vendar kljub temu izkazuje svojo privlačnost. In žoga tudi na Zemlji.

Sila, kot je gravitacija, ki neločljivo deluje, ali obstaja stik med predmeti ali ne, se imenuje "sila delovanja na daljavo". Po drugi strani pa sile, kot so trenje in normalno, zahtevajo, da so med seboj povezani objekti v stiku, zato jih imenujemo "kontaktne sile".

Formule iz primera

Če se vrnemo na žogo - Zemljin par predmetov, izbiramo indekse P za žogo in T za zemljo ter uporabimo Newtonov drugi zakon za vsakega udeleženca v tem sistemu, dobimo:

_Rezultat F = m. do

Tretji zakon določa, da:

m _P a _P = - m _T a _T

a _P = 9,8 m / s ^2, usmerjena navpično navzdol. Ker se to gibanje dogaja vzdolž navpične smeri, je mogoče opustiti vektorski zapis (krepko); in če izberemo smer navzgor kot pozitivno in navzdol kot negativno, imamo:

a _P = 9,8 m / s ²

m _T ≈ 6 x 10 ²⁴ Kg

Pospešek Zemlje je ne glede na maso krogle nič. Zato opazimo, da žoga pade proti Zemlji in ne obratno.

Delovanje rakete

Rakete so dober primer uporabe Newtonovega tretjega zakona. Raketa, prikazana na sliki na začetku, se dviguje zahvaljujoč pogonu vročih plinov pri visoki hitrosti.

Mnogi verjamejo, da se to zgodi, ker se ti plini nekako "naslonijo" na ozračje ali tla, da bi podprli in poganjali raketo. Ne deluje tako.

Tako kot raketa izvaja sile na pline in jih izganja nazaj, tako tudi plini izvajajo silo na raketo, ki ima enak modul, vendar v nasprotni smeri. Ta sila je tisto, kar raketi daje pospešek navzgor.

Če takšne rakete nimate pri roki, obstajajo drugi načini, kako preveriti, ali Newtonov tretji zakon deluje, da zagotavlja pogon. Vgrajene so lahko vodne rakete, v katerih potreben potisk zagotavlja voda, ki se izpušča s pomočjo plina pod pritiskom.

Treba je opozoriti, da izstrelitev vodne rakete zahteva čas in zahteva veliko previdnosti.

Uporaba drsalk

Ugodnejši in takojšnji način preizkušanja učinka Newtonovega tretjega zakona je nadeti par drsalk in se potisniti ob zid.

Večino časa je sposobnost izvajanja sile povezana s predmeti, ki so v gibanju, resnica pa je, da lahko tudi nepremični predmeti izvajajo sile. Drsalka se poganja nazaj, zahvaljujoč sili, ki jo nanj deluje nepremična stena.

Površine v stiku med seboj izvajajo (običajne) sile. Ko knjiga počiva na vodoravni mizi, nanjo izvaja navpično silo, imenovano normalno. Knjiga izvaja na mizi navpično silo enake številčne vrednosti in nasprotne smeri.

Eksperiment za otroke: drsalci

Otroci in odrasli zlahka doživijo Newtonov tretji zakon in preverijo, ali se akcije in reakcijske sile ne prekličejo in so sposobne zagotoviti gibanje.

Dva drsalca na ledu ali na zelo gladki površini se lahko med seboj poganjata in doživljata premike v nasprotni smeri, ne glede na to, ali imata enako maso ali ne, zahvaljujoč zakonu delovanja in reakcije.

Razmislite o dveh drsalcih s precej različnimi masami. So sredi drsališča z zanemarljivim trenjem in so sprva v mirovanju. V danem trenutku pritisnejo drug na drugega, tako da z dlanmi rok izvajajo stalno silo. Kako se bosta oba pomerila?

Dva drsalca se med seboj poganjata sredi drsališča. Vir: Benjamin Crowell (uporabnik Wikipedije bcrowell)

Pomembno je opozoriti, da gre za površino brez trenja, edine neuravnotežene sile so sile, ki jih drsalci uporabljajo med seboj. Čeprav teža in normalno delujeta na oba, te sile uravnotežijo, sicer bi drsalci pospešili v navpični smeri.

Formule, uporabljene v tem primeru

Newtonov tretji zakon pravi, da:

F ₁₂ = - F ₂₁

To pomeni, da je sila, ki jo ima drsalec 1 na 2, po velikosti enaka sili, ki jo ima 2 na 1, v isti smeri in nasprotni smeri. Upoštevajte, da se te sile uporabljajo na različne predmete na enak način, kot so bile sile uporabljene na kroglico in Zemljo v prejšnjem konceptualnem primeru.

m ₁ do ₁ = -m ₂ do ₂

Ker sta sili nasprotni, bodo tudi pospeški, ki jih povzročajo, nasprotni, vendar bodo njihove velikosti različne, saj ima vsak drsalec drugačno maso. Poglejmo pospešek, ki ga je pridobil prvi drsalec:

Torej gibanje, ki se zgodi naslednjič, je ločitev obeh drsalcev v nasprotnih smereh. Načeloma so bili drsalci v mirovanju sredi proge. Vsak izvaja silo na drugo, ki omogoča pospeševanje, dokler sta roki v stiku in potisk traja.

Po tem se drsalci z enakomernim pravokotnim gibanjem odmaknejo drug od drugega, saj neuravnotežene sile ne delujejo več. Hitrost vsakega drsalca bo drugačna, če bodo tudi njihove mase.

Vaja rešena

Za reševanje težav, pri katerih je treba uporabiti Newtonove zakone, je treba skrbno narisati sile, ki delujejo na objekt. Ta risba se imenuje "diagram prostega telesa" ali "diagram izoliranega telesa". Na tem diagramu ne sme biti prikazanih sil, ki jih telo izvaja na druge predmete.

Če je v težavo vključenih več predmetov, je treba za vsak predmet sestaviti shemo prostega telesa, pri čemer ne pozabite, da pari reakcije in reakcije delujejo na različna telesa.

a) Pospešek, ki ga vsak drsalec pridobi s pomočjo potiska.

b) Hitrost vsakega posebej, ko se ločita

Rešitev

a) Vzemite pozitivno vodoravno smer od leve proti desni. Uporaba Newtonovega drugega zakona z vrednostmi, navedenimi v izjavi, ki jo imamo:

F ₂₁ = m ₁ do ₁

Od kod:

Za drugega drsalca:

b) Kinematične enačbe enakomerno pospešenega pravokotnega gibanja se uporabljajo za izračun hitrosti, ki jo nosijo, prav tako kot ločujejo:

Začetna hitrost je 0, saj so bili v mirovanju sredi proge:

v _f = at

v _f1 = a ₁ t = -4 m / s ² . 0,40 s = -1,6 m / s

v _f2 = a ₂ t = +2,5 m / s ² . 0,40 s = +1 m / s

Rezultati

Po pričakovanjih oseba 1 lažja pridobi večji pospešek in s tem večjo hitrost. Zdaj opazite naslednje o masi in hitrosti vsakega drsalca:

m ₁ v ₁ = 50 kg. (-1,6 m / s) = - 80 kg.m / s

m ₂ v ₂ = 80 kg. 1 m / s = +80 kg.m / s

Vsota obeh izdelkov je 0. Produkt mase in hitrosti se imenuje zagon P. Gre za vektor z isto smerjo in občutkom hitrosti. Ko so drsalci počivali in so bile roke v stiku, je mogoče sklepati, da tvorijo isti objekt, katerega zagon je bil:

P _o = (m ₁ + m ₂ ) v _o = 0

Po končanem potiskanju količina gibanja drsalnega sistema ostane 0. Zato se količina gibanja ohrani.

Primeri Newtonovega tretjega zakona v vsakdanjem življenju

Sprehodi se

Hoja je ena najbolj vsakdanjih ukrepov, ki jih je mogoče izvesti. Če ga opazujemo natančno, je potrebno, da hoja potisne nogo ob tla, tako da na nogo sprehajalca vrne enako in nasprotno silo.

Ko hodimo, stalno uporabljamo Newtonov tretji zakon. Vir: Pixabay.

Ravno tista sila omogoča ljudem, da hodijo. V letu ptice izvajajo silo na zraku in zrak potisne krila, tako da se ptica poganja naprej.

Gibanje avtomobila

V avtomobilu kolesa izvajajo sile na pločniku. Zahvaljujoč reakciji pločnika izvaja sile na pnevmatike, ki vozijo avto naprej.

Šport

V športu so sile delovanja in reakcije številne in zelo aktivno sodelujejo.

Na primer, si oglejmo športnika z nogo, ki počiva na startnem bloku. Blok zagotavlja normalno silo kot reakcijo na potisk, ki ga športnik izvaja nanj. Rezultat tega običajnega in teže tekača povzroči vodoravno silo, ki športniku omogoča, da se poganja naprej.

Športnik uporablja začetni blok, da na začetku doda zagon. Vir: Pixabay.

Požarne cevi

Drug primer, v katerem je prisoten tretji zakon Newtona, je pri gasilcih, ki držijo požarne cevi. Na koncu teh velikih cevi ima ročaj na šobi, ki ga mora gasilec držati, ko curek vode priteče, da se prepreči potek, ki nastane, ko voda odteka.

Iz istega razloga je primerno, da čolne privežete na pristanišče, preden jih zapustijo, saj s pritiskom na jadrnico jadrnica daje silo, ki jo odmakne od nje.

Reference

1. Giancoli, D. 2006. Fizika: Načela uporabe. Šesta izdaja. Dvorana Prentice. 80 - 82.
2. Rex, A. 2011. Osnove fizike. Pearson. 73 - 75.
3. Tipler, P. 2010. Fizika. Zvezek 1. 5. izdaja. Uredništvo Reverté. 94 - 95.
4. Stern, D. 2002. Od astronomov do vesoljskih ladij. Vzeto iz: pwg.gsfc.nasa.gov.