NEWTONIN KOLMAS LAKI: SOVELLUKSET, KOKEET JA HARJOITUKSET - FYYSINEN - 2026

Kolmas laki Newton, jota kutsutaan myös toiminta ja reaktio oikeuden todetaan, että kun esine kohdistaa voimaa toiseen, jälkimmäinen myös kohdistaa ensin voiman yhtä suuret ja suunnan vastakkaiseen suuntaan.

Isaac Newton antoi kolme lakia tunnetuksi vuonna 1686 kirjassaan Philosophiae Naturalis Principia Mathematica tai luonnonfilosofian matemaattiset periaatteet.

Avaruusraketti vastaanottaa tarvittavan työntövoiman karkotettujen kaasujen ansiosta. Lähde: Pixabay.

Selitys ja kaavat

Newtonin kolmannen lain matemaattinen muotoilu on hyvin yksinkertainen:

F ₁₂ = - F ₂₁

Yksi voimista on nimeltään toiminta ja toinen reaktio. Tämän yksityiskohdan tärkeys on kuitenkin korostettava: molemmat toimivat eri kohteissa. He myös tekevät sen samanaikaisesti, vaikka tämä terminologia viittaa virheellisesti siihen, että toiminta tapahtuu ennen ja reaktio jälkeen.

Koska voimat ovat vektoreita, ne on merkitty lihavoituna. Tämä yhtälö osoittaa, että meillä on kaksi objektia: esine 1 ja objekti 2. Voima F ₁₂ on se, jonka objekti 1 kohdistaa esineeseen 2. Voima F ₂₁ kohdistaa esineen 2 esineeseen 1. Ja merkki (-) osoittaa, että ne ovat vastakkaisia.

Tarkkailemalla tarkkaan Newtonin kolmatta lakia havaitaan tärkeä ero kahdella ensimmäisellä: kun he vetoavat yhteen esineeseen, kolmas laki viittaa kahteen eri esineeseen.

Ja on, että jos mietit huolellisesti, vuorovaikutus vaatii paria esineitä.

Siksi toiminta- ja reaktiovoimat eivät poista toisiaan tai ovat tasapainossa, vaikka niillä on sama suuruus ja suunta, mutta päinvastainen suunta: ne kohdistetaan eri kehoihin.

Sovellukset

Pallo-kentän vuorovaikutus

Tässä on hyvin päivittäinen sovellus Newtonin kolmanteen lakiin liittyvään vuorovaikutukseen: pystysuunnassa putoava pallo ja maa. Pallo putoaa maahan, koska maa kohdistaa houkuttelevan voiman, jota kutsutaan painovoimaksi. Tämä voima aiheuttaa pallon putoamisen vakion kiihtyvyydellä 9,8 m / s ².

Tuskin kukaan ajattelee sitä tosiasiaa, että pallo kohdistaa myös houkuttelevan voiman maapallolle. Maa tietenkin pysyy muuttumattomana, koska sen massa on paljon suurempi kuin pallon massa ja kokee siksi vähäisen kiihtyvyyden.

Toinen huomattava kohta Newtonin kolmannessa laissa on, että kosketus kahden vuorovaikutuksessa olevan objektin välillä ei ole välttämätöntä. Juuri mainitussa esimerkissä käy ilmi: pallo ei ole vielä ollut kosketuksissa maan kanssa, mutta se silti houkuttelee. Ja pallo myös maapallolla.

Voimaa, kuten painovoimaa, joka vaikuttaa epäselvästi riippumatta siitä, onko esineiden välillä kosketusta, kutsutaan "etäisyyden toimintavoimeksi". Toisaalta kitkan ja normaalin kaltaiset voimat vaativat vuorovaikutuksessa olevien esineiden olevan kosketuksissa, siksi niitä kutsutaan "kosketusvoimiksi".

Esimerkit

Paluu pallo - Maa-esinepariin, valitsemalla palloille indeksit P ja maapallolle T ja soveltamalla Newtonin toista lakia jokaiselle järjestelmän jäsenelle, saadaan:

_Tuloksena F = m. että

Kolmannessa laissa todetaan seuraavaa:

m _P a _P = - m _T a _T

a _P = 9,8 m / s ^2, suunnattu pystysuoraan alaspäin. Koska tämä liike tapahtuu pystysuuntaa pitkin, vektorimerkinnästä (lihavoitu) voidaan luopua; ja valitsemalla nouseva suunta positiiviseksi ja alaspäin negatiiviseksi, meillä on:

_P = 9,8 m / s ²

m _T ≈ 6 x 10 ²⁴ kg

Maan kiihtyvyys on nolla riippumatta pallon massasta. Siksi on havaittu, että pallo putoaa kohti maata eikä päinvastoin.

Raketin toiminta

Raketit ovat hyvä esimerkki Newtonin kolmannen lain soveltamisesta. Kuvassa alussa näkyvä raketti nousee kuumien kaasujen työntämisen avulla suurella nopeudella.

Monet uskovat, että näin tapahtuu, koska nämä kaasut "nojaavat" jotenkin ilmakehään tai maahan tukemaan ja kuljettamaan rakettia. Se ei toimi niin.

Aivan kuten raketti kohdistaa voimaa kaasuihin ja karkottaa ne taaksepäin, kaasut kohdistavat voiman rakettiin, jolla on sama moduuli, mutta vastakkainen suunta. Tämä voima antaa raketille sen kiihtyvyyden ylöspäin.

Jos sinulla ei ole sellaista rakettia käsillä, on muita tapoja tarkistaa, että Newtonin kolmas laki toimii työntövoiman tarjoamiseksi. Vesiraketteja voidaan rakentaa, joissa tarvittava työntövoima saadaan paineistetun kaasun avulla poistetun veden avulla.

On huomattava, että vesiraketin laukaisu vie aikaa ja vaatii paljon varotoimenpiteitä.

Luistimien käyttö

Edullinen ja välitön tapa testata Newtonin kolmannen lain vaikutusta on laittaa luistimet ja ajaa itsesi seinää vasten.

Suurin osa kyvystä käyttää voimaa liittyy liikkuviin esineisiin, mutta totuus on, että liikkumattomat esineet voivat myös käyttää voimia. Luistelija ajaa taaksepäin voiman avulla, jonka liikkuva seinä kohdistaa häneen.

Kosketuspinnat aiheuttavat (normaalit) kosketusvoimat keskenään. Kun kirja lepää vaakatasossa, se kohdistaa siihen pystysuuntaisen voiman, jota kutsutaan normaaliksi. Kirja kohdistaa pöydälle pystysuuntaisen voiman, jolla on sama numeerinen arvo ja vastakkainen suunta.

Koe lapsille: luistelijat

Lapset ja aikuiset voivat helposti kokea Newtonin kolmannen lain ja varmistaa, että toiminta- ja reaktiovoimat eivät lopu ja kykenevät tarjoamaan liikkeitä.

Kaksi luistelijaa jäällä tai erittäin sileällä pinnalla voivat ajaa toisiaan ja kokea liikkeitä vastakkaiseen suuntaan riippumatta siitä, onko heillä sama massa vai ei, toiminta- ja reaktiolain ansiosta.

Harkitse kahta luistelijaa, joiden massa on melko erilainen. Ne ovat keskellä jäähalli, jolla on vähäinen kitka, ja ovat aluksi levossa. Tietyllä hetkellä he työntävät toisiaan kohdistamalla jatkuvaa voimaa kämmenineen. Kuinka he molemmat liikkuvat?

Kaksi luistelijaa ajavat toisiaan luistinhallin keskellä. Lähde: Benjamin Crowell (Wikipedian käyttäjä bcrowell)

On tärkeää huomata, että koska se on kitkaamaton pinta, ainoat epätasapainoiset voimat ovat voimat, joita luistelijat kohdistavat toisiinsa. Vaikka paino ja normaali toiminta vaikuttavat molempiin, nämä voimat tasapainottavat, muuten luistelijat kiihdyttävät pystysuunnassa.

Tässä esimerkissä käytetyt kaavat

Newtonin kolmannessa laissa todetaan seuraavaa:

F ₁₂ = - F ₂₁

Toisin sanoen luistelijan 1 2: lle kohdistama voima on yhtä suuri kuin 2: n 1: lle kohdistama voima, samalla suunnalla ja vastakkaisella suunnalla. Huomaa, että nämä voimat kohdistuvat erilaisiin esineisiin samalla tavalla kuin voimat kohdistettiin palloon ja maahan edellisessä käsitteellisessä esimerkissä.

m ₁ - ₁ = -m ₂ - ₂

Koska voimat ovat vastakkaisia, niiden aiheuttamat kiihtyvyydet ovat myös vastakkaisia, mutta niiden voimakkuudet ovat erilaiset, koska jokaisella luistelijalla on eri massa. Tarkastellaan ensimmäisen luistelijan saavuttamaa kiihtyvyyttä:

Joten seuraavaksi tapahtuva liike on molempien luistelijoiden erottaminen vastakkaisiin suuntiin. Periaatteessa luistelijat olivat levossa radan keskellä. Kumpikin kohdistaa toiseensa voiman, joka tarjoaa kiihtyvyyden niin kauan kuin kädet ovat kosketuksissa ja työntövoima kestää.

Sen jälkeen luistelijat siirtyvät toisistaan ​​tasaisella suoraviivaisella liikkeellä, koska epätasapainoiset voimat eivät enää toimi. Kunkin luistelijan nopeus on erilainen, jos niiden massat ovat myös.

Harjoitus ratkaistu

Ongelmien ratkaisemiseksi, joissa Newtonin lakeja on sovellettava, on välttämätöntä vetää huolellisesti esineeseen vaikuttavat voimat. Tätä piirrosta kutsutaan "vapaan kehon kaaviona" tai "eristetyn kehon kaaviona". Kehon muihin esineisiin kohdistamat voimat eivät saisi näkyä tässä kaaviossa.

Jos ongelmaan liittyy useita objekteja, jokaiselle esineelle on tarpeen piirtää vapaan kehon kaavio, muistaen, että toiminta-reaktioparit toimivat eri elimissä.

a) Kiihdytys, jonka kukin luistelija saavuttaa työntämisen ansiosta.

b) Kummankin nopeus, kun ne eroavat toisistaan

Ratkaisu

a) Ota positiivinen vaakasuunta vasemmalta oikealle. Sovelletaan Newtonin toista lakia arvoilla, jotka on annettu lausunnossa, jonka meillä on:

F ₂₁ = m ₁ - ₁

Mistä:

Toiselle luistelijalle:

b) Tasaisesti kiihdytetyn suoraviivaisen liikkeen kinemaattisia yhtälöitä käytetään laskemaan nopeutta, jota ne kantavat, kun ne erottuvat:

Alkuvauhti on 0, koska he olivat levossa radan keskellä:

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

tulokset

Odotetusti henkilö 1, joka on kevyempi, saavuttaa suuremman kiihtyvyyden ja siten suuremman nopeuden. Huomaa seuraavaksi jokaisen luistelijan massan ja nopeuden tulokset:

m ₁ v ₁ = 50 kg. (-1,6 m / s) = - 80 kg / m

m ₂ v ₂ = 80 kg. 1 m / s = +80 kg.m / s

Molempien tuotteiden summa on 0. Massan ja nopeuden tulosta kutsutaan momentiksi P. Se on vektori, jolla on sama suunta ja nopeustunne. Kun luistelijat olivat levossa ja heidän kätensä olivat kosketuksissa, voidaan olettaa, että he muodostivat saman esineen, jonka vauhti oli:

P _o = (m ₁ + m ₂) v _o = 0

Kun työntö on valmis, luistelujärjestelmän liikkeen määrä pysyy 0. Siksi liikkeen määrä säilyy.

Esimerkkejä Newtonin kolmannesta laista jokapäiväisessä elämässä

Kävellä

Kävely on yksi päivittäisimmistä toimista, jotka voidaan suorittaa. Tarkkaillessaan tarkkaan, kävelykäytäntö vaatii jalkan työntämisen maahan niin, että se palauttaa saman ja päinvastaisen voiman kävelijän jalkaan.

Kävellessämme käytämme jatkuvasti Newtonin kolmatta lakia. Lähde: Pixabay.

Juuri se voima antaa ihmisille mahdollisuuden kävellä. Lennon aikana linnut kohdistavat voimaa ilmaan ja ilma työntää siipiä niin, että lintu työntää itsensä eteenpäin.

Auton liikkuminen

Autossa pyörät kohdistavat voiman jalkakäytävälle. Päällysteen reaktion ansiosta se kohdistaa voimia renkaisiin, jotka ajavat autoa eteenpäin.

Urheilu

Urheilussa toiminta- ja reaktiovoimat ovat lukuisia ja osallistuvat erittäin aktiivisesti.

Katsotaan esimerkiksi, että urheilija lepää jalkaan aloituslohkossa. Lohko tuottaa normaalin voiman reaktiona painosta, jonka urheilija kohdistaa siihen. Tämän normaalin tuloksen ja juoksijan painon seurauksena on vaakavoima, jonka avulla urheilija voi ajaa itsensä eteenpäin.

Urheilija käyttää aloituslohkoa lisätäkseen eteenpäin vauhtia alussa. Lähde: Pixabay.

Paloletkut

Toinen esimerkki Newtonin kolmannesta laista on läsnä palomiesissä, jotka pitävät paloletkuja. Näiden suurten letkujen päässä on kahva suuttimessa, jota palomiehen on pidettävä kiinni vesisuihkun poistuessa, jotta vältetään takaisku, joka tapahtuu veden noustessa ulos.

Samasta syystä on mukavaa sitoa veneet laituriin ennen lähtöä, koska kun niitä työnnetään saavuttamaan laituri, veneeseen kohdistetaan voima, joka siirtää sen poispäin.

Viitteet

1. Giancoli, D. 2006. Fysiikka: Periaatteet ja sovellukset. Kuudes painos. Prentice Hall. 80 - 82.
2. Rex, A. 2011. Fysiikan perusteet. Pearson. 73 - 75.
3. Tipler, P. 2010. Fysiikka. Nide 1. 5. painos. Toimituksellinen käännös. 94 - 95.
4. Stern, D. 2002. Tähtitieteilijöistä avaruusaluksiin. Otettu: pwg.gsfc.nasa.gov.