Второй закон Ньютона

Природы строй, её закон

В извечной тьме таился

И бог сказал: «Явись, Ньютон!»

И всюду свет разлился.

(Эпитафия на могиле И. Ньютона)

В соответствии с первым законом Ньютона тело изменяет свое состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если на него действуют другие тела или действие этих тел скомпенсировано. Следовательно, ускорение является результатом воздействия одного тела на другое.

Физическая векторная величина, описывающая и измеряющая воздействие одного тела на другое, в результате которого тела приобретают ускорение или деформируются, называется силой. Сила является векторной величиной. Она характеризуется модулем (численным значением), направлением, точкой приложения. Cила обозначается большой латинской буквой F.

В системе СИ единица измерения сила — ньютон (Н), названая в честь английского ученого Исаака Ньютона.

1 ньютон — это сила, которая за время 1 секунда изменяет скорость тела массой 1 килограмм на 1 метр в секунду.

Линию, вдоль которой направлен вектор силы, называют линией действия силы.

Прибор, предназначенный для измерения силы, назвали динамометром. Каки любой измерительный прибор, динамометр имеет проградуированную шкалу и указатель.

Вспомним отрывок из басни И. А. Крылова «Лебедь, щука и рак».

Однажды Лебедь, Рак, да Щука

Везти с поклажей воз взялись,

И вместе трое все в него впряглись;

Из кожи лезут вон, а возу все нет ходу!

Поклажа бы для них казалась и легка:

Да Лебедь рвется в облака,

Рак пятится назад, а Щука тянет в воду.

Кто виноват из них, кто прав, — судить не нам;

Да только воз и ныне там.

Почему же они не смогли сдвинуть воз?

В физике действие нескольких тел на материальную точку с разными силами эквивалентно действию одной силы, равной векторной сумме этих сил. Такая сила называется равнодействующей.

Найдем равнодействующую сил лебедя, рака и щуки. Для этого поочередно сложим силы, с которыми каждый персонаж тянет воз.

Оказывается, равнодействующая сила лебедя, щуки и рака равна нулю.

Поэтому «воз и ныне там».

Опыт показывает, что под действием одной и той же силы разные тела приобретают неодинаковые ускорения. Говорят, что у них различная инертность.

Физической величиной, характеризующей инертность материального тела, является его масса. При этом следует отметить, что масса характеризует не только инертность тела, но и его гравитационные свойства.

Впервые слово «масса» было введено в науку И. Ньютоном.

Величину массы данного тела определяют путем сравнения с массой эталонного тела (эталона), изготовленного из сплава иридия и платины, и принятой за единицу массы в один килограмм.

Эталон массы находится во французском «Международном бюро мер и весов».

Его копии хранятся в национальных метрологических учреждениях по всему миру.

В практической деятельности человека применяются и другие единицы измерения массы: 1 мг (миллиграмм) = 1×10^–6 кг; 1 г (грамм) = 0,001 кг и 1 т (тонна) = 1000 кг.

Масса обладает следующими свойствами:

1. Она не зависит от скорости его движения (но только при скоростях, намного меньших скорости света);

2. Массе тела присуще свойство аддитивности, т.е. масса тела равна сумме масс всех частиц, из которых состоит тело;

3. Для замкнутой системы тел выполняется закон сохранения массы: при любых процессах, происходящих в системе тел, ее масса остается неизменной.

Определить массу тела можно двумя способами:

Путем взвешивания на рычажных весах.

Путем сравнения ускорений тела неизвестной массы и эталона массы при их взаимодействии.

Отсюда вытекает закон взаимодействия тел: массы двух взаимодействующих тел обратно пропорциональны модулям возникших при этом ускорений.

Так как в результате действия силы на некоторое тело изменяется скорость этого тела и «отзывчивость»тел на действие сил различна, то вполне понятно, что физические величины, такие как сила, ускорениеи масса должны быть взаимосвязаны.

Установить взаимосвязьмежду силой, массой и ускорением можно на опыте с телом массы m, движущимся горизонтально под действием горизонтально направленной силы. Силу измеряют динамометром, массу определяют взвешиванием на весах.

Чтобы определить ускорение движения тела, измеряют модуль вектора его перемещения под действием постоянной силы.

Из формулы s = at²/2 выражают модуль ускорения.

Если теперь удвоить массу всей движущейся системы и повторить вышеописанный опыт, то определив ускорение и сравнив его с ускорением в предыдущем опыте, можно убедиться в том, что при действии одной и той же силы система тел, масса которой стала вдвое больше, чем прежде, приобрела в два раза меньшее ускорение.

Из рассмотренного опыта и ряда подобных следует, что ускорения, сообщаемые телам одной и той же постоянной силой, обратно пропорциональны массам этих тел.

С помощью этой же экспериментальной установки можно поставить опыт, позволяющий установить количественную взаимосвязь между ускорением и силой, сообщающей телу это ускорение.

Для этого подействуем на более тяжелое тело в два раза большей силой.

Как показывают измерения и вычисления, при увеличении силы в два раза ускорение так же увеличивается в два раза.

Т.е. ускорение, приобретаемое телом прямо пропорционально приложенной силе.

Из экспериментальных данных можно сделать вывод, что ускорение тела массой m пропорционально силе, действующей на нее.

С другой стороны, при постоянной силе ускорение тележки обратно пропорционально ее массе.

Взаимосвязь между силой, массой и ускорением устанавливает второй закон Ньютона: ускорение, приобретаемое телом, прямо пропорционально равнодействующей всех сил, действующих на тело, и обратно пропорционально массе этого тела.

На основе второго закона Ньютона можно дать определение единицы силы: 1 ньютон— это сила, сообщающая телу массой 1 килограмм ускорение 1метр, деленный на секунду в квадрате, в направлении действия силы.

Основные выводы:

– Сила — это физическая векторная величина, описывающая и измеряющая воздействие одного тела на другое, в результате которого тела приобретают ускорение или деформируются.

– Масса — количественная мера инертности тел.

– Второй закон Ньютона связывает два понятия — масса и сила— и гласит: ускорение, приобретаемое телом, прямо пропорционально равнодействующей всех сил, действующих на тело, и обратно пропорционально массе этого тела.