Newtonove zákony

Newtonove pohybové zákony pozostávajú z troch, a to z prvého Newtonovho zákona, druhého Newtonovho zákona a tretieho Newtonovho zákona.

Newtonov prvý zákon

Newtonov prvý zákon hovorí, že každý objekt, ktorý je v pokoji, zostane v pokoji alebo každý objekt, ktorý sa pohybuje priamočiaro konštantnou rýchlosťou, sa bude naďalej pohybovať priamočiaro konštantnou rýchlosťou, ak je celková sila pôsobiaca na objekt nulová.

Predstavte si objekt okolo vás, napríklad stôl, kameň alebo akýkoľvek iný objekt. Stôl, ktorý je v pokoji, zostane v pokoji, ak sa s ním nepohne alebo naň nepôsobí vonkajšia sila, ako je tlaková alebo ťahová sila. Podobne aj iné objekty, ktoré sú v pokoji. Nepôsobia na stôl, kameň alebo akýkoľvek iný objekt, ktorý je v pokoji, žiadne sily? Na objekt pôsobia sily, ale súčet všetkých síl pôsobiacich na objekt alebo celková sila sa rovná nule. Sily pôsobiace na objekt, ktorý je v pokoji na povrchu planéty, ako je Zem, sú gravitácia (w) a normálová sila (N). Smer gravitačnej sily je kolmý nadol smerom k stredu Zeme, smer normálovej sily je kolmý nahor. Veľkosť týchto dvoch síl je rovnaká, ale opačného smeru, preto je celková sila rovná nule.

A čo objekt pohybujúci sa priamočiaro konštantnou rýchlosťou? Aby sme to objasnili, predpokladajme, že tlačíte predmet, napríklad kus kovu, po podlahe. Po zatlačení sa kus kovu spomalí a potom sa zastaví v dôsledku prítomnosti... trecia silaAby sa kovové kusy mohli pohybovať ďalej alebo dlhšie, musíte vyhladiť povrch podlahy a povrch kovových kusov. Čím hladší je povrch podlahy a povrch kovových kusov, tým ďalej sa kovové kusy pohybujú. Ak je povrch podlahy dokonale hladký a nedochádza k treniu, kovové kusy sa budú naďalej pohybovať a nezastavia sa. Nepôsobí na kus kovu, ktorý sa pohybuje po dokonale hladkom povrchu podlahy, žiadna sila? Na kovové kusy pôsobia sily, a to gravitácia a normálové sily. Tieto dve sily pôsobia vo vertikálnom smere a neovplyvňujú pohyb kovových kusov v horizontálnom smere, ak je podlaha dokonale hladká.

Newtonov druhý zákon

Newtonov druhý zákon hovorí, že ak výsledná sila pôsobiaca na objekt nie je nulová, objekt sa bude zrýchľovať. Veľkosť zrýchlenia je úmerná veľkosti výslednej sily a nepriamo úmerná hmotnosti objektu. Smer zrýchlenia je rovnaký ako smer výslednej sily.

ΣF = ma(1.2)

Popis: ΣF = celková sila (kg m/s²), m = hmotnosť (kg), a = zrýchlenie (m/s²)

Rovnica 1.2 je matematickým vyjadrením druhého Newtonovho zákona.

Ak je veľkosť zrýchlenia rovná nule (a = 0), potom sa rovnica 1.2 zmení na rovnicu 1.1. Newtonov prvý zákon je teda špeciálnym prípadom druhého Newtonovho zákona.

Na základe rovnice 1.2 sa dospelo k záveru, že čím väčšia sila, tým väčšie je zrýchlenie. Naopak, čím väčšia je hmotnosť, tým menšie je zrýchlenie. Vzťah medzi silou, hmotnosťou a zrýchlením je lepšie pochopený po vykonaní súvisiacich experimentov. Jeden experiment, ktorý je možné vykonať, je experiment na zrýchlenie dynamického vlaku na koľajniciach pomocou voľne padajúcej hmoty. Na určenie zrýchlenia vlaku použite časovač.

Newtonov tretí zákon

Newtonov tretí zákon hovorí, že ak objekt 1 pôsobí silou na objekt 2, potom súčasne objekt 2 pôsobí silou na objekt 1. Veľkosť oboch síl je rovnaká, ale smer oboch síl je opačný. Jedna sila sa nazýva akcia, druhá sila sa nazýva reakcia (sila akcie a reakcie).

F_opak = – F_reakcia                                      (1.3)

Rovnica 1.3 je matematickým vyjadrením tretieho Newtonovho zákona. Znamienko záporné v rovnici 1.3 označuje smer sily.

Urobte experiment, aby ste lepšie pochopili tretí Newtonov zákon. Ak máte skateboard, zatlačte sa o stenu, zatiaľ čo na nej stojíte. Po zatlačení o stenu sa skateboard pohybuje dozadu. Váš tlak je dopredu, zatiaľ čo skateboard sa pohybuje dozadu. To ukazuje, že stena tlačí aj na vás. Keď tlačíte o stenu, súčasne tlačí aj stena. Vaša tlačná sila pôsobí na stenu, zatiaľ čo tlačná sila steny pôsobí na vás. Tieto dve sily majú rovnakú veľkosť, ale opačný smer. Jednu silu môžete nazvať akciou a druhú reakciou.

Ďalší experiment, ktorý môžete urobiť, je nafúknuť gumený balón a potom ho po nafúknutí a naplnení vzduchom vypustiť. Po vypustení balón „letí“. Smer pohybu balóna je opačný ako smer, ktorým vzduch uniká z balóna. Ako sa to dá vysvetliť? Keď sa uvoľní ústie balóna, balón vytlačí vzduch von. Zároveň vzduch tlačí aj na balón. Tlak vzduchu spôsobuje, že balón letí. Tlak balóna pôsobí na vzduch a ťah vzduchu pôsobí na balón. Tieto dve sily majú rovnakú veľkosť, ale opačný smer.

Príklad problémov

1. Sú 4 predmety, banán = 4 kg, kniha = 0,8 kg, basketbalová lopta = 3,5 kg, mango = 1,2 kg. Košík je ťahaný silou 30 N na drsnom rovnom povrchu (μ = 0,4). Aby sa kôš správne pohyboval (hmotnosť košíka sa zanedbáva), predmet, ktorý sa musí do košíka vložiť, je...

Diskusia

Je známe:

Hmotnosť banánu (m₁) = 4 kg

Hmotnosť knihy (m₂) = 0,8 kg

Hmotnosť gule (m₃) = 3,5 kg

Hmotnosť manga (m₄) = 1,2 kg

Ťahová sila (F) = 30 N

Koeficient statického trenia (μ_s) = 0,4

Zrýchlenie v dôsledku gravitácie (g) = 10 m/s²

Hmotnosť koša zanedbajte

Statická trecia sila (f_s) funguje, keď je objekt stále v pokoji a chystá sa pohybovať, zatiaľ čo kinetické trenie funguje, keď sa objekt pohybuje.

Opýtal sa: Hmotnosť objektu

Džaváb:

Kôš sa bude pohybovať presne vtedy, keď veľkosť ťažnej sily (F) = veľkosť statickej trecej sily (f_s).

Vypočítajte veľkosť statickej trecej sily (f_s):

f_s = μ_s N = μ_s w = μ_s mg = (0,4)(m)(10)

f_s = 4 m

Presný košík sa bude pohybovať:

F = f_s

30 4 = XNUMX XNUMX m

m = 30/4

m = 7,5 XNUMX kg

Hmotnosť banánu 4 kg + hmotnosť gule 3,5 kg = 7,5 kg

Predmety, ktoré musia byť vložené do košíka, sú banány a lopty.

2. Otázka č. 5 z celoštátnej skúšky z fyziky pre SMA/MA a akademický rok 2014/2015

Telesá A s hmotnosťou 6 kg a B s hmotnosťou 4 kg sú spojené lanom a ťahané silou F = 60 N, ako je znázornené na nasledujúcom obrázku.

Ak sa systém pohybuje a koeficient kinetického trenia medzipovrch podlahy s oboma predmetmi 0,5 (tg θ = 3/4) a g = 10 ms^-2, potom je to veľkéáno, napätie v T-šnúrke spájajúcej dva objekty je….

A. 28,8 N

B. 30,0 N

C. 39,6 N

D. 48,0 N

V. 50,0 N

Diskusia

Je známe, že:

Hmotnosť objektu A (m_A) = 6 kg

Hmotnosť objektu B (m_B) = 4 kg

Ťahová sila (F) = 60 Newtonov

Koeficient kinetického trenia medzi predmetom a podlahou (μ_k) = 0,5

Zrýchlenie v dôsledku gravitácie (g) = 10 m/s²

Tangens θ = 3/4

Opýtal sa: Je to veľké?áno napnutie lana T

Odpoveď:

Horizontálna zložka sily F:

F_x = F cos θ

F_x = (60)(4/5) = (4)(12) = 48 N

Vertikálna zložka sily F:

F_y = Fsinθ

F_y = (60)(3/5) = (3)(12) = 36 N

Normálna sila telesa A:

N_A = ž_A = m_A g = (6)(10) = 60 N

Normálna sila telesa B:

N_B + F_y - w_B = 0

N_B + F_y = ž_B

N_B = ž_B - F_y = m_B g – F_y = (4)(10) – 36 = 40 – 36 = 4 N

Kinetická trecia sila medzi objektom A a podlahou:

f_kA = μ_k N_A = (0,5)(60) = 30 N

Kinetická trecia sila medzi objektom B a podlahou:

f_kB = μ_k N_B = (0,5)(4) = 2 N

Vypočítajte zrýchlenie oboch objektov:

ΣF = ma

F_x – T + T – f_kB - f_kA = (m_A +m_B) na

Napínacia sila v strune T má pozdĺž dĺžky struny rovnakú veľkosť a opačný smer, takže je z rovnice vylúčená.

F_x - f_kB - f_kA = (m_A +m_B) na

48 – 2 – 30 = (6 + 4) a

16 = 10 a

a = 16/10

a = 1,6 m/s²

Vypočítajte napínaciu silu lana T:

Uvažujme objekt A. Sily pôsobiace na objekt A v horizontálnom (horizontálnom) smere sú sila napätia lana (T), ktorá smeruje doprava, a kinetická sila trenia (f_kA), ktorý je vľavo.

ΣF = ma

T_A - f_kA = m_A a

T_A - 30 = (6)(1,6)

T_A - 30 = 9,6

T_A = 9,6 + 30 = 39,6 N

Uvažujme objekt B. Sily pôsobiace na objekt B v horizontálnom (horizontálnom) smere sú sila F_x ktorá smeruje doprava, kinetická trecia sila (f_kB) a napínacia sila lana (T), ktorá smeruje doľava.

ΣF = ma

F_x - f_kB - T_B = m_B a

48 – 2 – T_B = (4)(1,6)

46 – T_B = 6,4

46 – 6,4 = T_B

T_B = 39,6 N

Takže sila napätia v strune pôsobiaca na objekt A (T_A) = ťahová sila v lane pôsobiaca na objekt B (T_B) = 39,6 N.

Správna odpoveď je C.

3. Otázka č. 5 z celoštátnej skúšky z fyziky pre akademický rok 2014/2015 SMA/MA

Pozrite sa na nasledujúci obrázok!

V dôsledku sily F sa systém telies pohybuje. Ak je podlaha drsná a koeficient kinetického trenia medzi dvoma blokmi a podlahou je 0,2, aké je zrýchlenie, ktoré tieto dva telesá vykazujú? (cos 37^o = 0,8, hriech 37^o = 0,6)

A. 2,6 ms^-2

B. 4,0 ms^-2

C. 5,2 ms^-2

D. 7,8 ms^-2

E. 10,2 ms^-2

Diskusia

Je známe, že:

Hmotnosť objektu A (m_A) = 4 kg

Hmotnosť objektu B (m_B) = 2 kg

Ťahová sila (F) = 30 Newtonov

Koeficient kinetického trenia medzi predmetom a podlahou (μ_k) = 0,2

Zrýchlenie v dôsledku gravitácie (g) = 10 m/s²

cos 37^o = 0,8

hriech 37^o = 0,6

Opýtal sa: Aké zrýchlenie zažívajú obe telesá?

Odpoveď:

Horizontálna zložka sily F:

F_x = F cos θ

F_x = (30)(0,8) = 24 N

Vertikálna zložka sily F:

F_y = Fsinθ

F_y = (30)(0,6) = 18 N

Normálna sila telesa A:

N_A = ž_A = m_A g = (4)(10) = 40 N

Normálna sila telesa B:

N_B + F_y - w_B = 0

N_B + F_y = ž_B

N_B = ž_B - F_y = m_B g – F_y = (2)(10) – 18 = 20 – 18 = 2 N

Kinetická trecia sila medzi objektom A a podlahou:

f_kA = μ_k N_A = (0,2)(40) = 8 N

Kinetická trecia sila medzi objektom B a podlahou:

f_kB = μ_k N_B = (0,2)(2) = 0,4 N

Vypočítajte zrýchlenie oboch objektov:

ΣF = ma

F_x - f_kB - f_kA = (m_A +m_B) na

24 – 0,4 – 8 = (4 + 2) a

15,6 = 6 a

a = 15,6/6

a = 2,6 m/s²

Správna odpoveď je A.