Законы Ньютона простыми словами
Законы Ньютона объясняют, почему тела движутся именно так, а не иначе. В 9 классе их три, и каждый отвечает на свой вопрос.
- Первый закон. Если на тело не действуют силы или они уравновешены, оно покоится или движется равномерно и прямолинейно.
- Второй закон. Ускорение тела прямо пропорционально равнодействующей силе и обратно пропорционально массе: a = F / m, или F = ma.
- Третий закон. Два тела действуют друг на друга с силами, равными по модулю и противоположными по направлению: F₁ = −F₂.
Короче всего это запоминается так: первый закон говорит, что бывает без сил, второй считает, что бывает с силой, третий напоминает, что сила всегда возникает парой. Единица силы называется ньютон: 1 Н = 1 кг × 1 м/с².
Первый закон Ньютона и инерциальные системы отсчёта
Первый закон Ньютона описывает инерцию: тело само по себе не меняет скорость. Чтобы скорость изменилась, нужна сила. Скорость при этом может быть любой, в том числе нулевой. Поэтому тело, которое катится равномерно, не нуждается в постоянном толчке. Силы в этом случае просто компенсируют друг другу: тяга двигателя уравновешена сопротивлением.
С первым законом связано понятие инерциальной системы отсчёта. Это система, в которой тело при скомпенсированных силах сохраняет скорость. Поверхность Земли в задачах считают инерциальной системой. Автомобиль, который равномерно и прямолинейно едет по ровной дороге, тоже можно считать такой системой. А тормозящий мотоцикл, разгоняющийся поезд или автобус на повороте инерциальными не являются, потому что они движутся с ускорением.
Отсюда объяснение задач про автобус. Когда он резко тормозит, пассажиры наклоняются вперёд: их тела продолжают двигаться с прежней скоростью, а автобус замедляется. На повороте налево пассажиры отклоняются вправо по той же причине: они стремятся сохранить прямолинейное движение. Это не противоречит первому закону, если смотреть из системы «Земля», а не из самого автобуса.
Второй закон Ньютона: формула и порядок решения задач
Второй закон Ньютона записывают как a = F / m или F = ma. Здесь F означает равнодействующую, то есть сумму всех сил, действующих на тело, с учётом направлений. Ускорение направлено так же, как равнодействующая. Чем больше масса, тем меньше ускорение при той же силе.
Большинство задач решается по одной схеме:
- Запиши, что дано, и переведи всё в СИ: тонны в килограммы, км/ч в м/с.
- Нарисуй тело и все силы, действующие на него: тяжесть, опору, тягу, трение, натяжение нити.
- Выбери направление оси вдоль движения и найди равнодействующую.
- Подставь в F = ma и найди ускорение или массу.
- Если спрашивают про путь или скорость, подключи формулы равноускоренного движения.
Разбор. Тележка массой 40 кг стоит на месте. Её тянут вперёд с силой 300 Н, а трение равно 100 Н. Какой путь она пройдёт за 5 с?
Равнодействующая: F = 300 − 100 = 200 Н, потому что трение направлено против движения. Ускорение: a = F / m = 200 / 40 = 5 м/с². Тележка начинает с нулевой скорости, поэтому s = at² / 2 = 5 × 5² / 2 = 62,5 м.
Похожим образом решаются задания, где даны график скорости, вес груза в лифте или связанные нитью тела. Виды сил и их направления подробно разобраны в теме силы в механике.
Третий закон Ньютона: силы всегда парные
Третий закон Ньютона говорит, что сила не появляется в одиночку. Если ты давишь на стену, стена давит на тебя с такой же по модулю силой в противоположную сторону. Эти две силы одной природы: обе упругие, обе гравитационные или обе трения.
Главное свойство пары: силы приложены к разным телам. Поэтому они не складываются и не уравновешивают друг друга. Уравновешиваться могут только силы, действующие на одно и то же тело.
Хороший пример даёт всемирное тяготение. Земля притягивает летающую тарелку, а тарелка притягивает Землю с силой такой же величины. Просто ускорение Земли из-за огромной массы настолько мало, что его не заметить. Сила одна и та же, различается ускорение: a = F / m.
Где ошибаются чаще всего
- Забывают перевести единицы. Масса автомобиля 1,5 т означает 1500 кг, а не 1,5 кг. Скорость 54 км/ч равна 15 м/с.
- Берут одну силу вместо равнодействующей. Если у тепловоза или автомобиля есть сила тяги и трение, в формулу F = ma подставляют их разность, а не силу тяги.
- Думают, что для равномерного движения нужна сила. По первому закону равномерное движение возможно и без сил, и при скомпенсированных силах. Сила нужна, чтобы изменить скорость.
- Считают, что силы третьего закона уравновешивают друг друга. Они действуют на разные тела. Книга лежит на столе потому, что уравновешены сила тяжести и сила упругости стола, а это другая пара.
- Путают натяжение троса с весом груза. При подъёме вверх с ускорением a натяжение равно T = m(g + a), а не просто mg.
Какие задания по теме присылают ученики
По законам Ньютона чаще всего присылают расчётные задачи на второй закон: найти силу, ускорение, скорость или путь. Много заданий на связанные тела, блоки и движение с трением. Отдельная группа вопросов касается инерции и инерциальных систем отсчёта, например про автобус, трамвай или скатерть на столе. Реже встречаются задачи на третий закон и на чтение графиков.
Найди в списке выше задание, похожее на твоё, и посмотри ход решения: обрати внимание, как выбраны оси и записана равнодействующая. Если похожего нет, сфотографируй своё условие и получи решение с пояснениями по шагам.