Другий закон Ньютона: визначення та формула
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Зміст:
– У чому сила брат?
– В Ньютонах брат.
З цього жарту можна почати, а точніше продовжити нашу статтю про закони Ньютона, на яких, немов на трьох слонах стоять основи класичної механіки. Про перший закон Ньютона ми вже писали, і сьогодні черга за другим законом імені великого англійського фізика. У чому його суть, як звучить другий закон Ньютона і яка його формула, про це читайте далі.
Основні поняття: сила, прискорення, маса
Саме з відкриттям другого закону Ньютона його ім’я стало асоціюватися з фізичним поняттям сили. Втім, сила стала не тільки асоціюватися, а й вимірюватися в ньютонах. Та й сам другий закон тісно пов’язаний з поняттям сили, а також швидкості, і прискорення, а ще маси. Але про все по порядку.
Що таке сила у фізиці? Сила це така фізична величина, що обов’язково має свій напрямок (вектор), яка є мірою дії на тіло. Позначається сила літерою F. Виміряти величину сили можна за допомогою спеціального приладу – динамометра. Зазвичай він складається з пружини, пов’язаної зі стрілочним покажчиком. Якщо пружину розтягнути, то відбудеться відхилення стрілки, яка покаже кількісну характеристику сили F.
Ось так виглядає динамометр, вимірювач сили. Втім, існують різні різновиди цього приладу. Зазвичай на тіло при русі діє відразу кілька сил (які до того ж мають різну спрямованість або вектор): сила гравітації, сила тертя і т. д.
У минулій статті про перший закон у нас як приклад фігурував візок. Якщо докласти силу до цього візку він стане котитися, і якщо уявити, що на візок не діють ніякі інші сили, то він буде котитися нескінченно. Нескінченно візки котитися можуть тільки в придуманій Ньютоном інерціальній системі відліку (ІСВ), існуючій лише теоретично. На практиці ж ми прекрасно розуміємо, що візок покотиться лише якийсь час і незабаром зупиниться. А значить, його швидкість зміниться, від якогось значення до нуля.
Те як змінюється швидкість протягом часу, називається прискоренням (його прийнято позначати літерою a). На практиці в реальному житті всі тіла рухаються з прискоренням, причому якщо швидкість наростає, або убуває рівномірно, то такий рух називається рівноприскореним. Прикладом такого руху може бути падіння будь-якого тіла вниз, воно буде падати з однаковим прискоренням, що формується земною гравітацією g.
І наостанок на характеристику руху будь-якого тіла впливає його маса, яку прийнято позначати літерою m. У фізиці маса часто є мірою інертності тіла, тобто чим більше маса того чи іншого тіла, тим важче його зрушити з місця, але вже зсунувши, його знову таки важче зупинити.
Визначення
Якщо перший закон Ньютона свого часу намагався пояснити те, як працює небесна механіка, яким чином планети безперервно рухаються навколо Сонця (і не падають на нього), то другий закон в цьому плані більш приземлений, він пояснює рух тіл тут, на Землі. По суті це основний закон динаміки, базовий закон фізичної природи.
Існує кілька класичних визначень другого закону Ньютона: перше з них говорить: сила, що надає вплив на тіло, дорівнює добутку маси тіла на отримане даною силою прискорення.
Друге визначення йде не від сили, а від прискорення, воно говорить: прискорення тіла прямо пропорційно прикладеній до нього силі і обернено пропорційно масі.
Формула
Перше наведене нами визначення можна записати класичною формулою:
F = ma
Де F – сила, що діє на тіло, m – його маса, а – прискорення.
Для другого визначення рівняння буде наступним:
a = F/m
Іншими словами, чим більша сила, що діє на тіло, тим більше його прискорення, і навпаки, чим більша маса тіла, тим його прискорення буде меншим. По суті, ми переказали суть другого закону Ньютона своїми словами.
Рівнодійна сила
Як ми писали вище, на практиці в реальному житті на кожне фізичне тіло діє не одна, а кілька сил, причому з різними напрямками. Яке ж відображення в другому законі Ньютона знаходять дії різних сил, позначимо їх F1, F2, F3. Так от якщо на тіло діє кілька сил, то у формулі другого Закону фігурує рівнодіюча сила F, яка вираховується за формулою:
F = F1 + F2 + F3.
Якщо ж рівнодіюча сила буде дорівнює нулю, то тіло буде перебувати в стані спокою, або рівномірного прямолінійного руху.
Рекомендована література та корисні посилання
- Єжов С. М., Макарець М. В., Романенко О. В. Класична механіка. — К. : ВПЦ “Київський університет”, 2008. — 480 с.
- Іро Г. Класична механіка. — Л. : ЛНУ ім. Івана Франка, 1999. — 464 с.
- Голдстейн Г. Классическая механика. — М. : Наука, 1975. — 416 с.
- Crowell, Benjamin (2011), Light and Matter (2011, Light and Matter), especially at Section 4.2, Newton’s First Law, Section 4.3, Newton’s Second Law, and Section 5.1, Newton’s Third Law.
- Feynman, R. P. (англ.) Рос.; Leighton, R. B.; Sands, M. The Feynman Lectures on Physics (неопр.). – 2nd. – Pearson / Addison-Wesley, 2005. — Т. Vol. 1. – ISBN 0-8053-9049-9.
Автор: Павло Чайка, головний редактор журналу Пізнавайка
При написанні статті намагався зробити її максимально цікавою, корисною та якісною. Буду вдячний за будь-який зворотний зв'язок та конструктивну критику у вигляді коментарів до статті. Також Ваше побажання/питання/пропозицію можете написати на мою пошту pavelchaika1983@gmail.com або у Фейсбук.