Законы Ньютона
Законы Ньютона — это не три независимых утверждения, а взаимосвязанная система. Экспериментальной проверке поддается не каждый закон в отдельности, а все вместе.
Содержание
Первый закон Ньютона
В разных системах отсчета движение выглядит по-разному. Например, относительно Солнца планеты движутся по эллиптическим орбитам, а наблюдатель на Земле видит, что они описывают на небе сложные петли.
Не во всех системах отсчета движение объясняется одинаково просто. Первый закон Ньютона, по сути, даёт критерий отбора «правильных» систем отсчета — их называют инерциальными. Чтобы выяснить, является ли выбранная система отсчета инерциальной, надо понаблюдать за телом, на которое не действуют никакие другие тела, или же действия других тел скомпенсированы. Закон утверждает, что в инерциальной системе отсчета такое тело будет покоиться или двигаться равномерно прямолинейно. Так что принципиальной разницы между покоем и равномерным движением с точки зрения законов механики нет. Движение свободного от воздействий тела называют движением по инерции, а сам первый закон Ньютона — законом инерции.
Первый закон Ньютона (закон инерции). Существуют такие системы отсчета, относительно которых всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока на него не действую другие тела, или же действия тел скомпенсированы.
На первый взгляд этот закон кажется противоречащим обыденному опыту. Почему, например, катер без мотора не скользит по воде сколь угодно долго? Поразмыслив, понимаем: его тормозит сила трения со стороны воды. Если уменьшить трение, можно увеличить время скольжения.
С античных времен считалось очевидным, что для поддержания движения необходимо внешнее воздействие: нет силы — нет движения. Чтобы прийти к закону инерции, как и к любому другому фундаментальному закону физики, потребовались свобода мысли и богатое воображение. И проверить его напрямую на опыте невозможно: ведь отыскать тело, в точности свободное от внешних воздействий — недостижимая задача.
Второй закон Ньютона
Не для поддержания, а для изменения движения тела требуется воздействие на него других тел. Воздействия характеризуются силами. Огромная часть физики посвящена изучению сил различной природы: гравитационных, электромагнитных и прочих.
Изменить движение — значит создать ускорение. Сила вызывает ускорение тела или его деформацию (что связано с различными ускорениями разных частей тела). Оба эти эффекта можно использовать для измерения сил. Например, простейший прибор для измерения силы — динамометр — использует эффект пропорциональности удлинения пружины приложенной силе. Можно сравнивать силы по ускорениям, сообщаемым разными силами одному и тому же телу: чем больше сила, тем больше ускорение.
Но ускорение зависит не только от силы, имеет значение еще и свойство тел под названием масса. Так, вы легко сообщите ускорение игрушечному кораблику на воде, но почти не сдвинете с места большую лодку. Сравнивая ускорения, сообщаемые равными силами разным телам, мы одновременно сравниваем массы тел: чем больше масса тела, тем меньше ускорение, то есть тем меньше тело изменяет свое движение. Масса является количественной мерой инертных свойств тела.
Второй закон Ньютона постулирует связь силы, массы и ускорения.
Второй закон Ньютона (закон движения). Произведение массы тела (m) на его ускорение (а) равно действующей силе (F):
ma = F
Если на тело действуют одновременно несколько сил, то ускорение будет таким, как если бы действовала одна результирующая сила, равная векторной сумме всех приложенных к телу сил. Это еще один постулат классической механики, проверяемый на опыте (он называется принципом суперпозиции сил).
Второй закон Ньютона называют еще законом движения. Он открывает нам принципиальную возможность полностью предсказать движение тела, если известны все действующие на него силы, а также информация о начальном состоянии тела: где оно находилось и с какой начальной скоростью двигалось. Важный нюанс: такой простой расчет возможен только в инерциальной системе отсчета.
Третий закон Ньютона
Ньютон первым высказал идею о том, что действие тел друг на друга всегда взаимно, поэтому мы говорим не просто о действии, а о взаимодействии тел. Например, когда вы прыгаете с лодки, она получает «отдачу»: лодка подтолкнула вас, а вы подтолкнули лодку.
Третий закон Ньютона. Силы, с которыми два тела действуют друг на друга, равны по величине и противоположны по направлению.
Факт взаимности действия не всегда очевиден. Так, каждому ясно, что Земля притягивает яблоко, но разве очевидно, что и яблоко притягивает Землю, причем с такой же по величине силой? Может возникнуть недоумение: почему сила, действующая на яблоко, заставляет его падать, а такая же по величине сила, действующая на Землю, никак не влияет на ее движение? Ответ прост: масса Земли столь велика, что ускорение от «яблочной» силы исчезающе мало; яблоко же с его малой массой от такой же силы приобретает большое ускорение.
К формулировке третьего закона Ньютона можно еще добавить: силы действия и противодействия всегда имеют одну и ту же природу. Что это значит?
Природа сил в механике
При изучении механики мы встречаем много различных сил. Силы упругости возникают при деформации тел: растяжении пружины или натяжении нити; силы давления на опору и реакции опоры тоже относятся к этому классу сил. Силы трения скольжения появляются при движении тел друг относительно друга (санок по снегу), а силы трения покоя — при попытках вызвать такое движение (стронуть санки с места). Есть еще вязкое трение (при движении в жидкости или газе), трение качения (при качении тел по твердой поверхности). Ну и, конечно, сила тяжести со стороны Земли, Солнца и других массивных тел.
Но если копнуть глубже, оказывается, что все эти «механические» силы, кроме силы тяжести, имеют общую природу — электромагнитную. В конечном итоге их причиной является взаимодействие молекул одного и того же или разных тел друг с другом. Так, при растяжении пружины молекулы разных ее сечений удаляются друг от друга, и из-за этого возникает их электрическое притяжение, которое и проявляется на макроскопическом уровне как сила упругости. Аналогично и с трением: конечная его причина — взаимодействие молекул тел, движущихся относительно друг друга. Взаимодействие же молекул всегда имеет электромагнитную природу.
Итак, все силы в механике, кроме силы тяжести, имеют электромагнитную природу. Природа же силы тяжести иная — гравитационная.
Электромагнитное и гравитационное взаимодействия — это так называемые фундаментальные взаимодействия. На сегодняшний день нам известно всего четыре фундаментальных взаимодействия. Два из них — сильное и слабое — действуют только в масштабах микромира, и о них мы поговорим в следующих статьях.
Итак, чтобы предсказывать движение тел, надо знать всё обо всех возможных силах. Как же получать такие знания?
Изучение различных сил природы стало содержанием физики XVIII-XIX веков. Инструментом служил и служит всё тот же второй закон Ньютона. Наблюдая за движением какого-то тела или тел, по имеющемуся ускорению мы вычисляем результирующую силу. Если среди сил «спряталась» новая, доселе неизвестная, мы ее обнаружим и вычислим. Пример показал сам Ньютон, исследовав гравитационную силу и открыв закон всемирного тяготения.
Книга «Математические начала натуральной философии» Исаака Ньютона в трех томах, изданная в 1687 году, содержит три закона Ньютона плюс закон всемирного тяготения, а также огромное число примеров применения этих законов для объяснения движений тел как на Земле, так и в космосе.
Ньютон в «Началах» сформулировал программу развития физики: «...по явлениям движения распознать силы природы, а затем по этим силам объяснить остальные явления».
Смотрите также
