NEWTONOV TREĆI ZAKON: PRIMJENE, EKSPERIMENTI I VJEŽBE - FIZIČKA - 2024

Treći zakon Newtona, koji se nazivaju akcije i reakcije zakon propisuje da kad nekog objekta vrši silu na drugi, potonji također vrši na prvom sile jednake veličine i smjera i na smjeru suprotnom.

Isaac Newton svoja je tri zakona učinio poznatim 1686. godine u svojoj knjizi Philosophiae Naturalis Principia Mathematica ili Matematički principi prirodne filozofije.

Svemirska raketa dobiva potreban pogon zahvaljujući izbačenim plinovima. Izvor: Pixabay.

Objašnjenje i formule

Matematička formulacija Newtonovog trećeg zakona vrlo je jednostavna:

F ₁₂ = - F ₂₁

Jedna od sila naziva se akcija, a druga reakcija. No, potrebno je naglasiti važnost ovog detalja: oba djeluju na različite predmete. Oni to rade istovremeno, iako ova terminologija pogrešno sugerira da se radnja događa prije, a reakcija poslije.

Budući da su snage vektori, one se označavaju podebljano. Ova jednadžba označava da imamo dva objekta: objekt 1 i objekt 2. Sila F ₁₂ je sila koju objekt 1 vrši na objekt 2. Sila F ₂₁ djeluje na objekt 2 na objekt 1. I znak (-) označava da su suprotni.

Pažljivo promatranje Newtonovog trećeg zakona pokazuje važnu razliku s prva dva: dok oni prizivaju jedan objekt, treći zakon odnosi se na dva različita objekta.

A je li to ako dobro razmislite, za interakciju su potrebni parovi objekata.

Iz tog razloga, akcije i reakcijske snage se ne poništavaju ili su uravnotežene, iako imaju jednaku veličinu i smjer, ali suprotan smjer: primjenjuju se na različita tijela.

Prijave

Interakcija lopta-zemlja

Ovdje je vrlo svakodnevna primjena interakcije koja se odnosi na Newtonov Treći zakon: okomito padajuća kugla i Zemlja. Kugla pada na zemlju jer Zemlja djeluje privlačno, što je poznato i kao gravitacija. Ova sila uzrokuje pad lopte s konstantnim ubrzanjem od 9,8 m / s ².

Međutim, jedva da itko razmišlja o činjenici da lopta također djeluje na Zemlju privlačnom silom. Naravno, zemlja ostaje nepromijenjena, jer je njena masa puno veća od mase kuglice i zato doživljava zanemarivo ubrzanje.

Još jedna značajna stvar u vezi s Newtonovim trećim zakonom je da kontakt između dva interaktivna objekta nije potreban. To je vidljivo iz upravo navedenog primjera: kugla još nije uspostavila kontakt sa Zemljom, ali svejedno pokazuje svoju privlačnost. I lopta također na Zemlji.

Sila poput gravitacije, koja nejasno djeluje postoji li kontakt između predmeta ili ne, naziva se "sila djelovanja na daljinu". S druge strane, sile poput trenja i normalne zahtijevaju da interaktivni objekti budu u kontaktu, zbog čega se nazivaju "kontaktnim silama".

Formule uzete iz primjera

Vraćajući se lopti - Zemljin par objekata, odabirom indeksa P za loptu i T za zemlju i primjenjujući Newtonov drugi zakon na svakog sudionika u ovom sustavu, dobivamo:

_{Rezultirajući} F = m. do

Treći zakon kaže da:

m _P a _P = - m _T a _T

a _P = 9,8 m / s ² usmjeren okomito prema dolje. Budući da se ovo kretanje događa duž vertikalnog smjera, notacija vektora (podebljano) može se izostaviti; i odabirejući smjer prema gore kao pozitivan, a negativan kao negativan, imamo:

a _P = 9,8 m / s ²

m _T ≈ 6 x 10 ²⁴ Kg

Bez obzira na masu kugle, ubrzanje Zemlje je nula. Zato se opaža kako lopta pada prema Zemlji, a ne obrnuto.

Operacija rakete

Rakete su dobar primjer primjene Newtonovog trećeg zakona. Raketa prikazana na slici na početku se podiže zahvaljujući pogonu vrućih plinova velikom brzinom.

Mnogi vjeruju da se to događa jer se ti plinovi nekako „naslanjaju“ na atmosferu ili na tlo da podupiru i pokreću raketu. Ne djeluje tako.

Baš kao što raketa vrši silu na plinove i tjera ih unatrag, tako i plinovi djeluju na raketu, koja ima isti modul, ali suprotan smjer. Ova sila daje raketi ubrzanje u usponu.

Ako nemate takvu raketu u ruci, postoje i drugi načini za provjeru djeluje li Newtonov Treći zakon da osigura pogon. Mogu se izgraditi vodene rakete, u kojima potreban potisak osigurava voda koja se izbacuje pomoću plina pod pritiskom.

Treba napomenuti da je za lansiranje rakete vode potrebno vrijeme i zahtijeva puno mjera opreza.

Upotreba klizaljki

Pristupačniji i neposredniji način da se testira učinak Newtonovog Trećeg zakona je postavljanje klizaljki i udaranje uza zid.

Većinu vremena sposobnost provođenja sile povezana je s predmetima koji su u pokretu, ali istina je da nepokretni predmeti također mogu nalagati sile. Klizač se pokreće unatrag zahvaljujući sili koju nepokretan zid djeluje na njega.

Površine u kontaktu djeluju (normalno) međusobno. Kad se knjiga odmara na vodoravnom stolu, na njega djeluje okomita sila nazvana normalnom. Knjiga vrši na stol vertikalnu silu iste numeričke vrijednosti i suprotnog smjera.

Eksperimentirajte za djecu: klizači

Djeca i odrasli mogu lako iskusiti Newtonov treći zakon i provjeriti jesu li snage akcije i reakcije ne otkazale i sposobne su osigurati pokrete.

Dva klizača na ledu ili na vrlo glatkoj površini mogu se međusobno pokretati i doživljavati pokrete u suprotnom smjeru, bez obzira imaju li istu masu ili ne, zahvaljujući zakonu akcije i reakcije.

Razmotrimo dva klizača s prilično različitim masama. Nalaze se usred klizališta s zanemarivim trenjem i u početku su u mirovanju. U određenom trenutku guraju jedno drugo primjenjujući stalnu silu dlanovima ruku. Kako će se oboje kretati?

Dvojica klizača postavljaju se usred klizališta. Izvor: Benjamin Crowell (korisnik Wikipedije bcrowell)

Važno je napomenuti da, budući da je riječ o površini bez trenja, jedine neuravnotežene snage su sile koje klizači primjenjuju jedni na druge. Iako težina i normalan učinak na obje strane, ove snage uravnotežuju, inače bi klizači ubrzavali u okomitom smjeru.

Formule primijenjene u ovom primjeru

Newtonov treći zakon kaže da:

F ₁₂ = - F ₂₁

Odnosno, sila koju klizač ima 1 na 2 jednaka je veličini od one koju ima 2 na 1, s istim smjerom i suprotnim smjerom. Imajte na umu da se te sile primjenjuju na različite predmete, na isti način kao što su sile bile primjenjene na loptu i Zemlju u prethodnom konceptualnom primjeru.

m ₁ do ₁ = -m ₂ do ₂

Budući da su sile suprotne, ubrzanja koja uzrokuju također će biti suprotna, ali njihove veličine će biti različite, jer svaki klizač ima različitu masu. Pogledajmo ubrzanje koje je postigao prvi klizač:

Dakle, pokret koji se dogodi sljedeće je razdvajanje oba klizača u suprotnim smjerovima. U principu, klizači su se odmarali na sredini staze. Svaki djeluje na drugu silu koja omogućuje ubrzanje sve dok su ruke u kontaktu i potisak traje.

Nakon toga klizači se odmaku jedni od drugih ujednačenim pravokutnim gibanjem, jer neuravnotežene snage više ne djeluju. Brzina svakog klizača bit će različita ako su i njihove mase.

Vježba riješena

Za rješavanje problema u kojima se Newtonovi zakoni moraju primijeniti, potrebno je pažljivo nacrtati sile koje djeluju na objekt. Ovaj se crtež naziva "dijagram slobodnog tijela" ili "dijagram izoliranog tijela". Sile koje tijelo tjera na druge predmete ne bi trebale biti prikazane na ovom dijagramu.

Ako je u problemu uključeno više objekata, potrebno je za svaki objekt nacrtati dijagram slobodnog tijela, pamteći kako parovi reakcija i reakcija djeluju na različita tijela.

a) Ubrzanje koje svaki klizač postiže zahvaljujući pritisku.

b) brzina svakog od njih kad se razdvoji

Riješenje

a) Krenite u pozitivnom vodoravnom smjeru s lijeva na desno. Primjenjujući Newtonov drugi zakon s vrijednostima koje nam pruža izjava:

F ₂₁ = m ₁ do ₁

Odakle:

Za drugog klizača:

b) Kinematičke jednadžbe ravnomjerno ubrzanog pravokutnog gibanja koriste se za izračunavanje brzine koju nose jednako kao što se odvajaju:

Početna brzina je 0, jer su bili u mirovanju usred staze:

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

Kao što se očekivalo, osoba 1 je lakša postiže veće ubrzanje i samim tim veću brzinu. Sada primjetite sljedeće o masi i brzini svakog klizača:

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

Zbroj oba proizvoda je 0. Proizvod mase i brzine naziva se zamah P. To je vektor s istim smjerom i osjećajem brzine. Kad su klizači bili u mirovanju i ruke su bile u kontaktu, moglo bi se pretpostaviti da su formirali isti objekt čiji je zamah bio:

P _o = (m ₁ + m ₂) v _o = 0

Nakon završetka pritiska, količina kretanja sustava klizanja ostaje 0. Stoga se količina gibanja čuva.

Primjeri Newtonovog trećeg zakona u svakodnevnom životu

Hodati

Hodanje je jedna od najčešće svakodnevnih radnji koje se mogu provesti. Ako se pažljivo promatra, djelovanje hodanja zahtijeva guranje stopala uz zemlju, tako da vraća jednaku i suprotnu silu na stopalo šetača.

Dok hodamo, stalno primjenjujemo Newtonov treći zakon. Izvor: Pixabay.

Upravo ta sila omogućuje ljudima da hodaju. U letu ptice djeluju na silu, a zrak gura krila tako da se ptica sama tjera naprijed.

Kretanje automobila

U automobilu, kotači djeluju na pločnik. Zahvaljujući reakciji kolnika, djeluje na gume koje guraju automobil naprijed.

Sport

U sportu su snage djelovanja i reakcije brojne i vrlo aktivno sudjeluju.

Na primjer, vidimo sportaša kako stopalo odmara na startnom bloku. Blok pruža normalnu silu kao reakciju na pritisak koji sportaš vrši na njega. Rezultat ove normalne težine i težine trkača rezultiraju horizontalnom silom koja omogućuje sportašu da se krene naprijed.

Sportaš koristi starterski blok za dodavanje zamaha na početku. Izvor: Pixabay.

Vatrogasna crijeva

Drugi primjer u kojem je prisutan treći zakon Newtona je u vatrogascima koji drže vatrogasna crijeva. Kraj ovih velikih crijeva ima ručicu na mlaznici koju vatrogasac mora držati kad mlaz vode izlazi kako bi se izbjeglo povlačenje do kojeg dolazi kad voda istječe van.

Iz istog je razloga prikladno vezati čamce za pristanište prije nego što ih napuste, jer se gurajući sebe da dosegnu pristanište, brodu se pruža sila koja ga odmiče od njega.

Reference

1. Giancoli, D. 2006. Fizika: Načela s primjenama. Šesto izdanje. Dvorana Prentice. 80 - 82.
2. Rex, A. 2011. Osnove fizike. Pearson. 73 - 75.
3. Tipler, P. 2010. Fizika. Svezak 1. 5. izdanje. Uredništvo Reverté. 94 - 95.
4. Stern, D. 2002. Od astronoma do svemirskih brodova. Preuzeto sa: pwg.gsfc.nasa.gov.