NEWTONS TREDJE LOV: APPLIKATIONER, EKSPERIMENTER OG ØVELSER - FYSISK - 2025

Den tredje lov i Newton, også kaldet handlings- og reaktionslov, siger, at når en genstand udøver kraft på en anden, udøver sidstnævnte også på den første en kraft med samme størrelse og retning og den modsatte retning.

Isaac Newton gjorde sine tre love kendt i 1686 i sin bog Philosophiae Naturalis Principia Mathematica eller Mathematical Principles of Natural Philosophy.

En rumraket modtager den nødvendige fremdrift takket være de uddrevne gasser. Kilde: Pixabay.

Forklaring og formler

Den matematiske formulering af Newtons tredje lov er meget enkel:

F ₁₂ = - F ₂₁

En af kræfterne kaldes handling, og den anden reaktion. Det er dog nødvendigt at understrege vigtigheden af ​​denne detalje: begge handler på forskellige objekter. De gør det også samtidig, selvom denne terminologi forkert antyder, at handling sker før og reaktion efter.

Da kræfter er vektorer, betegnes de med fed skrift. Denne ligning indikerer, at vi har to objekter: objekt 1 og objekt 2. Kraften F ₁₂ er den, der udøves af objekt 1 på objekt 2. Kraften F ₂₁ udøves af objekt 2 på objekt 1. Og tegn (-) angiver, at de er modsatte.

Ved nøje at overholde Newtons tredje lov observeres en vigtig forskel med de første to: mens de påberåber sig et enkelt objekt, henviser den tredje lov til to forskellige objekter.

Og er det, at hvis du tænker nøje, kræver interaktioner par genstande.

Det er grunden til, at handlings- og reaktionskræfterne ikke annullerer hinanden eller er afbalancerede, selvom de har samme størrelse og retning, men den modsatte retning: De påføres forskellige kroppe.

Applikationer

Ball-jorden interaktion

Her er en meget dagligdags anvendelse af en interaktion relateret til Newtons tredje lov: en lodret faldende kugle og jorden. Kuglen falder til jorden, fordi Jorden udøver en attraktiv kraft, der er kendt som tyngdekraft. Denne kraft får bolden til at falde med en konstant acceleration på 9,8 m / s ².

Imidlertid tænker næppe nogen på det faktum, at bolden også udøver en attraktiv kraft på Jorden. Naturligvis forbliver jorden uændret, fordi dens masse er meget større end kuglen og derfor oplever en ubetydelig acceleration.

Et andet bemærkelsesværdigt punkt ved Newtons tredje lov er, at kontakt mellem de to interagerende genstande ikke er nødvendig. Det fremgår af det netop nævnte eksempel: bolden har endnu ikke taget kontakt med Jorden, men den udøver alligevel sin tiltrækning. Og bolden på Jorden også.

En kraft som tyngdekraft, der virker utydelig, uanset om der er kontakt mellem genstande eller ej, kaldes en "handlingskraft på afstand". På den anden side kræver kræfter som friktion og normal, at de interagerende genstande er i kontakt, derfor kaldes de "kontaktkrafter".

Formler taget fra eksemplet

Vender tilbage til paret med objekter bold - Jorden, vælger indekserne P for bolden og T for jorden og anvender Newtons anden lov på hver deltager i dette system, vi får:

_Resultat F = m. til

Den tredje lov hedder, at:

m _P a _P = - m _T a _T

a _P = 9,8 m / s ² lodret lodret nedad. Da denne bevægelse finder sted langs den lodrette retning, kan vektornotationen (fed) undgås; og vælge den opadgående retning som positiv og nedad som negativ, har vi:

a _P = 9,8 m / s ²

m _T ≈ 6 x 10 ²⁴ kg

Uanset kuglens masse er jordens acceleration nul. Derfor observeres det, at bolden falder mod Jorden og ikke omvendt.

Betjening af en raket

Raketter er et godt eksempel på anvendelse af Newtons tredje lov. Raketen, der er vist på billedet i starten, stiger takket være fremdrift af varme gasser i høj hastighed.

Mange tror, ​​at dette sker, fordi disse gasser på en eller anden måde "læner" sig på atmosfæren eller jorden for at understøtte og fremdrive raketten. Det fungerer ikke sådan.

Ligesom raketten udøver kraft på gasserne og udviser dem bagud, udøver gasserne en kraft på raketten, der har den samme modul, men modsat retning. Denne kraft er det, der giver raketten dens acceleration.

Hvis du ikke har en sådan raket til rådighed, er der andre måder at kontrollere, at Newtons tredje lov fungerer for at give fremdrift. Der kan bygges vandraketter, hvori den nødvendige drivkraft tilvejebringes af det vand, der udvises ved hjælp af en gas under tryk.

Det skal bemærkes, at opsætning af en vandraket tager lang tid og kræver en masse forholdsregler.

Brug af skøjter

En mere overkommelig og øjeblikkelig måde at teste effekten af ​​Newtons tredje lov er ved at sætte et par skøjter på og skyde dig selv mod en væg.

Det meste af tiden er evnen til at udøve kraft forbundet med genstande, der er i bevægelse, men sandheden er, at immobile objekter også kan udøve kræfter. Skøjteløberen drives frem bagefter takket være den kraft, som den ubevægelige væg udøver på ham.

Overfladerne i kontakt udøver (normal) kontakt kræfter med hinanden. Når en bog hviler på et vandret bord, udøver den en lodret kraft, der kaldes normal på den. Bogen udøver på bordet en lodret kraft med samme numeriske værdi og modsat retning.

Eksperiment for børn: skatere

Børn og voksne kan let opleve Newtons tredje lov og verificere, at handlings- og reaktionskræfterne ikke afbryder og er i stand til at give bevægelser.

To skatere på is eller på en meget glat overflade kan drive hinanden og opleve bevægelser i den modsatte retning, uanset om de har samme masse eller ej, takket være loven om handling og reaktion.

Overvej to skatere med ganske forskellige masser. De er midt i en skøjtebane med ubetydelig friktion og er oprindeligt i ro. På et givet øjeblik skubber de hinanden ved at anvende konstant kraft med håndfladerne. Hvordan vil de begge bevæge sig?

To skatere driver hinanden midt i en skøjtebane. Kilde: Benjamin Crowell (Wikipedia bruger bcrowell)

Det er vigtigt at bemærke, at da det er en friktionsfri overflade, er de eneste ubalancerede kræfter de kræfter, som skatere anvender hinanden. Selv om vægten og den normale virkning på begge sider, er disse kræfter i balance, ellers ville skatebanerne accelerere i lodret retning.

Formler anvendt i dette eksempel

Newtons tredje lov siger, at:

F ₁₂ = - F ₂₁

Det vil sige, at den kraft, der udøves af skater 1 på 2, er lig i størrelse som den, der udøves af 2 på 1, med samme retning og modsat retning. Bemærk, at disse kræfter påføres forskellige objekter på samme måde som kræfterne blev anvendt på bolden og jorden i det forrige konceptuelle eksempel.

m ₁ til ₁ = -m ₂ til ₂

Da kræfterne er modsatte, vil accelerationerne, de forårsager, også være modsatte, men deres størrelsesordener vil være forskellige, da hver skater har en anden masse. Lad os se på den acceleration, der er erhvervet af den første skater:

Så bevægelsen, der sker dernæst, er adskillelsen af ​​begge skatere i modsatte retninger. I princippet var skatere i ro midt i banen. Hver udøver en kraft på den anden, der giver acceleration, så længe hænderne er i kontakt, og skyvekraften varer.

Derefter bevæger skaterne sig væk fra hinanden med ensartet retlinet bevægelse, da ubalancerede kræfter ikke længere virker. Hastigheden af ​​hvert skater vil være forskellig, hvis deres masser også er.

Træning løst

For at løse problemer, hvor Newtons love skal anvendes, er det nødvendigt omhyggeligt at trække de kræfter, der virker på objektet. Denne tegning kaldes et "frit legemsdiagram" eller et "isoleret legemsdiagram." De kræfter, som kroppen udøver på andre genstande, skal ikke vises i dette diagram.

Hvis der er mere end et objekt involveret i problemet, er det nødvendigt at tegne et frit legemsdiagram for hver af objekterne, idet du husker, at handlingsreaktionsparret virker på forskellige kroppe.

a) Den acceleration, som hver skøjter får takket være push.

b) Hastigheden for hver enkelt, når de adskilles

Løsning

a) Tag den positive vandrette retning fra venstre mod højre. Anvendelse af Newtons anden lov til de værdier, der er leveret i den erklæring, vi har:

F ₂₁ = m ₁ til ₁

Hvorfra:

For den anden skater:

b) De kinematiske ligninger af ensartet accelereret, retlinet bevægelse bruges til at beregne hastigheden, de bærer, nøjagtigt som de adskiller:

Den oprindelige hastighed er 0, da de var i ro midt i banen:

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

Resultater

Som forventet får person 1, der er lettere, større acceleration og derfor større hastighed. Bemærk nu følgende om massens produkt og hastigheden for hver skater:

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

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

Summen af ​​begge produkter er 0. Produktet af masse og hastighed kaldes momentum P. Det er en vektor med samme retning og følelse af hastighed. Når skatere var i ro og deres hænder var i kontakt, kunne man antage, at de dannede det samme objekt, hvis fart var:

P _o = (m ₁ + m ₂) v _o = 0

Efter at push er afsluttet, forbliver skøjtesystemets bevægelse 0. Derfor bevares bevægelsesmængden.

Eksempler på Newtons tredje lov i hverdagen

Gå

Walking er en af ​​de mest daglige handlinger, der kan udføres. Hvis man observeres omhyggeligt, kræver handlingen ved at skubbe foden mod jorden, så den returnerer en lige og modsatrettet kraft på fodsens gang.

Når vi går, anvender vi konstant Newtons tredje lov. Kilde: Pixabay.

Det er netop den kraft, der giver folk mulighed for at gå. Under flyvning udøver fuglene kraft på luften, og luften skubber vingerne, så fuglen fremdrager sig fremad.

Bevægelse af en bil

I en bil udøver hjulene kræfter på fortovet. Takket være fortovets reaktion udøver det kræfter på dækkene, der driver bilen fremad.

Sport

I sport er kræfterne af handling og reaktion adskillige og har en meget aktiv deltagelse.

Lad os for eksempel se atleten med foden hviler på en startblok. Blokken giver en normal kraft som reaktion på det skub, som atleten udøver på den. Resultatet af denne normale og vægten af ​​løberen resulterer i en vandret kraft, der tillader atlet at drive sig fremad.

Atleten bruger startblokken til at tilføje fremadrettet fart ved starten. Kilde: Pixabay.

Brandslanger

Et andet eksempel, hvor Newtons tredje lov er til stede, er brandmænd, der holder brandslanger. Enden af ​​disse store slanger har et håndtag på dysen, som brandmanden skal have, når vandstrålen kommer ud, for at undgå rekylen, der opstår, når vandet løber ud.

Af samme grund er det praktisk at binde bådene til kajen, før de forlader dem, fordi ved at skubbe sig selv til at nå dokken, tilvejebringes en styrke til båden, der flytter den væk fra den.

Referencer

1. Giancoli, D. 2006. Fysik: Principper med applikationer. Sjette udgave. Prentice Hall. 80 - 82.
2. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson. 73 - 75.
3. Tipler, P. 2010. Fysik. Bind 1. 5. udgave. Redaktionel Reverté. 94 - 95.
4. Stern, D. 2002. Fra astronomer til rumskibe. Taget fra: pwg.gsfc.nasa.gov.