В 2024 году ЕГЭ по физике сдали более 90 тысяч человек. В экзамен вошли задания среднего уровня с кратким ответом, а также более сложные, в том числе и задачи на законы Ньютона. «Лента.ру» объясняет три важнейших закона механики простыми словами, приводит формулы и примеры.
Первый закон Ньютона
Формулировка
Этот закон вводит и одновременно объясняет такое понятие, как инерция. А также системы отсчета, называемые инерциальными.
Первый закон Ньютона звучит так: если в инерциальных системах отсчета на тело не действуют никакие силы или сумма всех действующих сил равна нулю, то оно движется равномерно и прямолинейно в неизменном направлении или находится в состоянии покоя
«Систему отсчета, в которой это происходит, называют инерциальной, и в ней справедливы остальные законы Ньютона», — поясняет в беседе с «Лентой.ру» преподаватель физики и математики, научный сотрудник лаборатории лазерных полей в НИЦ «Курчатовский институт», физик Валерий Тепляков.
У первого закона Ньютона нет формулы, но его можно описать кратко с помощью обозначений.
Что такое инерциальные системы отсчета
Инерциальные системы отсчета (ИСО) — это системы отсчета, в которых все свободные тела движутся прямолинейно и равномерно или покоятся. Вокруг нас множество ИСО: это и плавно спускающийся лифт, и движущийся поезд, и даже собака, дремлющая на коврике.
Примеры. На собаку действует сила притяжения Земли, а также сила реакции опоры пола (и коврика). Эти две силы компенсируют друг друга, поэтому собака не двигается, а спокойно спит.
Машинист поезда может выключить двигатель и не тормозить: состав какое-то время продолжит ехать по рельсам. Это и есть инерция.
«Еще один пример реализации первого закона Ньютона — движение парашютиста относительно Земли. Его сила тяжести, направленная вниз, уравновешивается силой сопротивления воздуха, направленной вверх, — как следствие, он спускается с постоянной скоростью», — добавил Валерий Тепляков.
Существуют такие системы отсчета, в которых первый закон Ньютона не выполняется. Они называются неинерциальными. В таких системах отсчета объект не будет сохранять свою скорость постоянной.
В неинерциальных системах отсчета не будут действовать второй и третий законы Ньютона
Второй закон Ньютона
Формулировка
Второй закон тесно связан с первым и описывает изменения в ИСО.
Второй закон Ньютона: в инерциальной системе отсчета ускорение тела прямо пропорционально равнодействующей всех сил и обратно пропорционально массе
«Говоря проще, ускорение тела увеличивается, когда увеличивается и сила внешнего воздействия. Кроме того, в зависимости от направления этой силы меняется и направление движения тела», — пояснил Валерий Тепляков.
В то же время изменения в движении происходят медленно, если тело обладает большой массой (инертностью), добавил эксперт.
Примеры. Для второго закона Ньютона можно привести в пример разгон железнодорожного состава, груженного углем, и после — порожнего. Понятно, что для набора скорости в первом случае локомотиву потребуется больше времени, так как сила тяги двигателя остается одинаковой, а масса в первом случае больше, чем во втором.
Еще один пример — с той самой собакой на коврике. Если хозяину нужно пропылесосить пол под собачьим ковриком, он может подвинуть коврик вместе с питомцем. Процесс перемещения будет зависеть от того усилия, которое приложит человек. Кроме того, повлияет и вес домашнего любимца. Гораздо проще будет переместить спящего чихуахуа, чем ротвейлера. А все потому, что ускорение объекта обратно пропорционально его массе.
Формула второго закона Ньютона
Этот закон обладает формулой для вычислений:
Чтобы рассчитать ускорение поезда, представим, что масса объекта (локомотив + вагоны) составляет 4 000 килограммов. А сила тяги, которую позволяет развить двигатель — 2000 Н.
Получается, что ускорение движения поезда будет равно:
2000/4000 = 0,5 м/с2
Третий закон Ньютона
Формулировка
Третий закон Ньютона: при взаимодействии тела действуют друг на друга с силами, равными по величине, направленными в противоположные стороны вдоль одной прямой и имеющими одну природу
«Перефразируя, скажем, что раз материальные точки действуют друг на друга, то они являются "участниками" какого-то общего для них физического процесса — значит, силы имеют одно происхождение», — пояснил Валерий Тепляков.
Кратко суть закона: сила действия равна силе противодействия
Пример действия третьего закона Ньютона — ощущение, когда вы пытаетесь удержать плечом наклоненный забор. Дело в том, что величина усилия (силы, действующей на тело), с которым мы воздействуем на забор, равна величине силы, с которой забор действует на плечо «в ответ» (равное и противоположное противодействие).
В примере с поездом получается так: стоящий локомотив с вагонами воздействует на рельсы с той же силой, с какой рельсы воздействуют на колеса поезда. Но в противоположном направлении.
Формула третьего закона Ньютона
Получается, раз локомотив «тащит» вагоны с силой 2000Н, то с такой же силой они «тормозят» его.
Третий закон Ньютона работает как с твердыми, так и с жидкими телами. А еще с объектами, которые даже не касаются друг друга, например, с планетами, спутниками и другими космическими телами
Еще один важный момент — силы всегда появляются и исчезают парами, то есть не может быть такого, что хозяин двигает собаку на коврике, а она на него не воздействует (только если собака встанет и уйдет, но это уже другая история).
Открытие законов Исаака Ньютона
В 1678 году английский ученый Исаак Ньютон выпустил книгу «Математические начала натуральной философии». В ней были сформулированы три закона Ньютона, основанные на трудах многих физиков, астрономов, мыслителей и математиков.
«Даже в названии книги прослеживается преемственность традиций Древней Греции в образе мышления, при этом сами мысли и концепции ученого объединяли новейшие на то время теории — работы итальянца Галилео Галилея о законе относительности, труды француза Рене Декарта об инерции, изыскания голландца Христиана Гюйгенса о маятниках и колебаниях», — рассказал Валерий Тепляков.
Заслуга Ньютона — в систематизации и объединении в одну стройную теорию разрозненных наблюдений и закономерностей
Существует популярная в народе легенда, согласно которой один из законов физики Ньютон открыл после того, как ему на голову упало яблоко. Пострадала ли голова ученого, доподлинно неизвестно, а вот яблоко и впрямь сыграло важную роль.
В 1752 году друг и биограф физика Уильям Стакли написал книгу «Воспоминания о жизни Ньютона». Он описал свой диалог с физиком за чаем в яблоневом саду, когда тому в голову пришла новаторская идея о гравитации.
«Он [Ньютон] находился в созерцательном настроении, когда неожиданно с ветки упало яблоко. "Почему яблоки всегда падают перпендикулярно земле?"» — описал Стакли размышления Ньютона.
Книга «Воспоминания о жизни Ньютона» хранится в архиве британского Королевского общества. В 2010 году в честь 350-летия со дня его основания труд Стакли на время опубликовали на сайте общества.