Что такое второй закон Ньютона, масса и вес тела
Обобщены результаты опытов Галилея по падению тяжелых тел, астрономические законы движения планет Кеплера, данные собственных исследований.
Ньютон сформулировал второй закон динамики, количественно связывающий изменение движения тела с силами, вызывающими это изменение.
Чтобы количественно исследовать взаимосвязь между силой и ускорением, давайте рассмотрим некоторые эксперименты.
Ускорение от величины силы
I. Рассмотрим, как зависит ускорение одного и того же тела от величины силы, действующей на это тело. Предположим, что к тележке прикреплен динамометр, по показаниям которого измеряется сила.
Измерив длину пути, пройденного тележкой за некоторый промежуток времени t, по формуле s = (at2) : 2, найдем ускорение а.
Изменяя величину силы, мы проделаем эксперимент несколько раз. Результаты измерений покажут, что ускорение прямо пропорционально силе, действующей на тележку
Зависимость ускорения от массы
II. Определим зависимость ускорения тела от его массы. Для этого будем воздействовать на тележку с некоторой постоянной силой, изменять массу (размещать на тележке разные грузы).
Определим ускорения тележки так же, как и в первом опыте. Опыт покажет, что ускорение тележки обратно пропорционально массе, т е
(a1/a2) = (m2/m1), или a ~ (1/m)
Обобщая результаты опытов, можно видеть, что ускорение, которое приобретает тело, прямо пропорционально силе, действующей на тело, и обратно пропорционально массе данного тела (формулировка второго закона Ньютона).
Этот вывод называется вторым законом Ньютона. Математически этот закон можно записать следующим образом (формула второго закона Ньютона):
а = Ф/м
где а — ускорение, m — масса тела, F — результат действия всех сил, приложенных к телу. В частном случае на тело может действовать только одна сила.
Результирующая сила F равна векторной сумме всех сил, приложенных к телу;
F = ма.
Следовательно, сила равна произведению массы на ускорение.
Второй закон динамики можно записать в другой, более практичной форме. Учитывая, что ускорение
а = (υ2 — υ1) / (t2 — t1)
подставим это выражение в уравнение второго закона Ньютона. Немного
F = ma = (mυ2 — mυ1) / (t2 — t1) = (∆(mυ))/∆t
Что такое импульс
Импульс, или импульс, представляет собой вектор, равный произведению массы тела на его скорость (tυ).
Тогда основной закон динамики можно сформулировать так: сила равна изменению количества движения в единицу времени (второй закон Ньютона в импульсной форме)
F = (∆(mυ))/∆t
Это самая общая формулировка второго закона Ньютона. Ньютон определял массу тела как количество вещества, содержащегося в данном теле. Это определение несовершенно.
Следующее определение массы следует из второго закона Ньютона. Из равенства
а1/а2= м2/м1
видно, что чем больше масса тела, тем меньшее ускорение получает тело, т е тем труднее изменить скорость этого тела и наоборот.
Следовательно, чем больше масса тела, тем в большей степени это тело способно сохранять неизменной свою скорость, т е тем больше его инерция. Тогда мы можем сказать, что масса является мерой инерции тела.
Эйнштейн доказал, что масса тела остается постоянной только при определенных условиях. В зависимости от скорости тела масса изменяется по следующему закону:
где m — масса тела, движущегося со скоростью υ; m0 — масса того же тела в состоянии покоя; c = 3 • 108 м/с — скорость света в вакууме.
Давайте проанализируем это уравнение:
- Если υ»с, то величиной -, будучи очень малой, можно пренебречь и т = т0, т е при скоростях движения, много меньших скорости света, масса тела не зависит от скорости движения;
- Если υ ≈ с, то υ2/с2 ≈ 1, тогда m = m0/0, откуда следует, что m → ∞.
По мере увеличения скорости тела, чтобы еще больше его разогнать, необходимо будет применять все возрастающие силы.
Но бесконечных сил, которые были бы необходимы для сообщения тела со скоростью, равной скорости света, в природе не существует.
Таким образом, заставить рассматриваемое тело двигаться со скоростью света принципиально невозможно.
Со скоростями, близкими к скорости света, отвечает современная физика: Так, например, разгоняют элементарные частицы в ускорителях.
Определение силы
Начнем с самого главного — со слова «сила» в физике.
Сила — векторная физическая величина, являющаяся мерой воздействия на данное тело со стороны других тел или полей.
Представьте, что вы идете по супермаркету, выбираете продукты и аккуратно складываете их в корзину. Вы перемещаете его силой своих мышц, и чем больше вы используете руки и толкаете тележку, тем дальше она укатится (только убедитесь, что вы не задели киоск с газировкой!).
Или представьте себе урок физкультуры, где они соревнуются в перетягивании каната: команда соперников может даже потерять равновесие, если вы будете тянуть веревку одновременно со своими друзьями.
Мы можем постоянно видеть результаты действия сил: любой брошенный предмет падает на землю, тела плавают на поверхности жидкости, пружины растягиваются под тяжестью груза. Даже Вселенная подчиняется законам сил: астероиды летят по определенным траекториям, а черные дыры изо всех сил поглощают свет далеких звезд.
Обозначение и единица измерения
Каждая физическая величина имеет свое обозначение и единицу измерения. Как определяется сила в физике?
Все просто. Сила обозначается латинской буквой F (кстати по-английски «force» — сила), а измеряется в ньютонах H — в честь великого английского ученого сэра Исаака Ньютона.
Возможно, вы слышали легенду о Ньютоне: как он сидел под деревом и думал о физических законах, как ему на голову упало яблоко, и это породило в нем новые гипотезы… Так что спешим развеять этот миф: в на самом деле этого не произошло. Исаак Ньютон сделал открытия о законах движения и всемирного тяготения, но помогли ему в этом не яблоки!
Вернемся к единице измерения мощности. Интересно, что ньютон является не основной, а производной единицей в международной системе СИ.
1 Н = 1 кг м/с2.
Это означает, что сила, равная одному ньютону, определяется как взаимодействие, изменяющее скорость тела массой 1 кг на 1 м/с в направлении действия силы за 1 секунду.
Ньютона можно дополнить дольными и кратными, чтобы максимально удобно выразить величину без использования большого количества нулей.
Итак, 1 кН = 1000 Н; 1 гН = 100 Н; 1 мН = 0,001 Н.
Классификация сил
Какие виды сил существуют? Давайте разбираться вместе.
На базовом уровне ученые различают четыре типа сил: слабые, сильные, гравитационные и электромагнитные.
- Слабое взаимодействие возникает при распаде атомных ядер и элементарных частиц.
- Сильное взаимодействие отвечает за притяжение между нуклонами — протонами и нейтронами — в атомном ядре.
- Обычно под гравитационными силами понимают тип взаимодействия, происходящего между материальными телами, имеющими массу. Сила тяжести и гравитация по праву относятся к этому типу, так как зависят прямо пропорционально массе тела.
- Электромагнитные силы действуют между всеми частицами, имеющими электрические заряды. К ним относятся сила упругости, трения, веса тела, сила Архимеда и другие.
Сила как физическая величина характеризуется:
- направление;
- точка приложения;
- стоимость (стоимость).
Читайте также: Мегаомметры: как пользоваться?
На все ли тела действуют силы?
От чего зависит. Мы верим, что для вас не секрет, что все тела состоят из молекул и атомов. На этом уровне между частицами существуют силы притяжения и отталкивания, и от них никуда не деться. Если бы не было сил притяжения, молекулы разлетелись бы и не смогли бы образовать тела. Уберите силы отталкивания, и все частицы слипнутся в большой ком.
Все тела на планете Земля подвержены гравитации. Вот почему все предметы, которые вы подбрасываете в воздух, будут лететь вниз, а не вверх. Выйдя в космос, мы окажемся в состоянии невесомости: на нас не будет действовать земное притяжение.
Но не спешите наслаждаться свободой! Во-первых, на космический корабль будет действовать аэродинамическая сила, а во-вторых, мы легко можем попасть в зависимость от гравитации другой планеты, как только приблизимся к ней.
Некоторые способности проявляются только при определенных условиях. Возьмем предмет и начнем его деформировать, растягивать или сжимать — возникнет сила упругости. Погружаем тело в жидкость — появится сила Архимеда, начинаем катиться по дороге — движение будет тормозиться силой трения качения.
Измерение силы
Как можно измерить силу? Есть два правильных пути: практический, с помощью единицы измерения, и через формулы.
Прибор для измерения силы называется динамометром (от латинского «dynamos» — сила). В зависимости от типа конструкции и области применения динамометры бывают ручными, тяговыми, электронными, гидравлическими и пружинными.
В вопросе измерения сил по формулам много нюансов. Какую формулу выбрать? Как научиться выражать неизвестное из формул? Где можно получить дополнительную информацию о величинах, значений которых нет в задаче? Ответы на все эти вопросы вы найдете на онлайн-курсах физики Skysmart School! Уроки на интерактивной платформе проходят увлекательно, живо, с множеством опытов и экспериментов.
Задачи на второй закон ньютона
1. Какая сила F действует на автомобиль массой кгm=1000 кг, если он движется с ускорением msa=1 м/с2.
Данный:
м = 1000 кг
а = 1 м/с2
Найти: F — ?
Решение:
Запишем второй закон Ньютона :
F = ма.
F = 1000 кг • 1 м/с2 = 1000 Н
Ответ: 1000 Н.
2. На мяч действует сила F = 70Н, масса мяча m = 0,2 кг, найти его ускорение a.
Данный:
т = 0,2 кг,
F = 70 Н
Находить:
а — ?
Решение:
Запишем второй закон Ньютона :
F = ма.
Следовательно, а = F/m.
а = 70Н: 0,2 кг = 350 м/с.
Ответ: а = 350 м/с.
