В динаміці основними законами, які встановив Ньютон, доводять існування системи відліку, інерціальною. По відношенню до неї тіла рухаються в рівномірному і прямолінійному порядку або перебувають у спокої. За умови відсутності впливу інших тіл, або у разі, коли воно компенсується. У цих положеннях полягає зміст першого закону Ньютона.

З історії

Існування такої закономірності припускав ще Галілей. Він справив досвід з посудиною, за якою швидше може кататися скляну кульку. Якщо його відпустити, він покотиться і зупиниться лише тоді, коли досягне іншого краю посудини на тій же висоті, з якої його опустили. Якщо взяти більш подовжену посудину, результат буде ідентичним.


Якщо уявити нескінченно довгу ємність, у якій немає другого краю, кулька буде здійснювати рух при постійних показниках швидкості, є прямолінійними і рівномірними, нескінченне час, так як інший край просто відсутня. Якщо уявити нескінченно довгу ємність, у якій немає другого краю, кулька буде виконувати рух, маючи постійну швидкість, прямолінійним і рівномірним чином нескінченне число разів, так як інший край просто відсутня. Це спостереження дозволило вченому усвідомити, що це природний стан об'єктів. Рух так само закономірно, як і спокій. До цього вважалося, що всякий рух викликане дією сили.

Більш сучасні дослідження

Уявімо парашутиста, який робить затяжний стрибок. Які сили на нього діють? Насамперед це сила тяжіння, що тягне людину до землі. По-друге, це сила опору повітря, яка протидіє силі тяжіння. Коли ці дві сили рівні, парашутист падає з постійною швидкістю.

Висновки з прикладів

Можна сказати, що в такій системі відліку виявляється фундаментальна властивість. Якщо в ній розглянути деяке тіло, на яке сила не діє, або така дія скомпенсоване, то тіло або мешкає, або рух відбувається рівномірним чином, коли швидкість постійна на одній лінії. Основні закони динаміки проявляються саме в описаному процесі.

Аналіз другого закону Ньютона

Розглянемо велосипедиста, на якого по горизонталі діють дві сили:

натискання на педалі;

опору повітря і тертя.

Коли ці дві сили є рівними, їх сумарна дія –нульове. Тоді, згідно з першим законом Ньютона велосипед рухається прямолінійним і рівномірним чином. Що ж станеться, якщо велосипедист буде сильніше натискати на педалі? Тоді F (т) збільшиться і почне відбуватися прискорення. Якщо прибрати цю силу, залишиться тільки протидіюча сила опору F (сопр), що викликає уповільнення руху.

Підтвердження другого закону динаміки

Ньютон стверджував, що показники сили дорівнюють масі, помноженої на прискорення. Це означає, що розглядаються випадки, коли є рівнодіюча сила і немає рівноваги. F (рівне) – це сума всіх доданих сил. Тоді випливає висновок, що а (прискорення) = F (рівне) /m Звідси випливає, що саме сила викликає прискорення, а не навпаки. При наявності сили є і прискорення.

Приклад

Візьмемо автобус, маса якого становить 2000 кг. По горизонталі на цей транспортний засіб діють дві сили:

тяги двигуна;

опору повітря і тертя.

Нехай сила тяги двигуна автобуса дорівнює 3000 М, а сила опору – 2500 М. Застосування другого закону Ньютона було раціональним, потрібно знайти показник рівнодійної сили.
F (рівне) = 500 Н вправо, так як сила має спрямування. Звідси слідує, що прискорення – це сила, поділена на масу, про що свідчить динаміка своїми основними законами. Для вирішення завдань із застосуванням другого закону Ньютона важливо визначити саме цю рівнодіючу силу.

Доказ вірності законів Ньютона

Розглянемо приклад з коробкою. Коли вона лежить на столі, на цей предмет діють кілька сил:

тяжкості;

реакції опори.

Якщо штовхнути коробку вправо, між нею і столом виникне сила тертя. Займемося обчисленням рівнодійної сили і прискорення. Вертикальні сили тут збалансовані, компенсують один одного. Рівнодіюча сила по вертикалі дорівнює нулю. Вправо і вліво діють сили, різниця яких показує перевагу вправо. Прискорення коробки можна прорахувати при розподілі маси цього предмета на різницю дії сили. Розгляд перших двох тверджень Ньютона допомогло сформулювати правило основного закону динаміки руху.

Про третьому Законі Ньютона

Основним законом динаміки при обертальному русі є факт, що дія дорівнює протидії. Коли одне тіло притягує чи відштовхує інше, то воно притягується і відштовхується від першого з такою ж силою. Уявімо автомобіль, який на швидкості в'їзджає в стіну. При цьому машина тисне на товщу стіни з певною силою. Стіна реагує і виконує рівне вплив на транспортний засіб. Отже, коли машина штовхає стіну вперед, остання штовхає автомобіль назад. Ефект у цих сил абсолютно різний. Стіна залишається в такому ж положенні, а транспорту пощастить набагато менше. Причина такого ефекту – суттєва різниця у масі:
а=F/m Біля стіни маленька маса і велике прискорення. І навпаки, по відношенню до автомобіля. При взаємодії двох тіл виникає дві сили, які повинні відповідати вимогам:

бути рівними за величиною;

протилежними за напрямом;

бути доданими до різних тіл;

мати однакову природу.

Досвід з повітряною кулею

Основний закон динаміки тіла можна розглянути на прикладі надувної кулі. Якщо його відпустити, кулька буде виштовхувати повітря з сопла, що сприяє виштовхуванню вперед. Це і буде доказом третього закону Ньютона. Він просто, але часто викликає труднощі у застосуванні для вирішення завдань.

Про динаміку обертального руху

Знання основного закону динаміки твердого тіла дозволяє розглянути закономірності обертального руху. Для цього необхідно згадати рішення основних задач механіки, коли в будь-який момент часу є можливість вказати положення тіла в просторі відносно інших тел. В даному випадку мова йде про одновимірному русі. Відомо, що існує вид руху, при якому кожна точка рухається по осі обертання. При цьому різні точки тіла рухаються з різною швидкістю по різних траєкторіях. При цьому загальними залишаються вісь і кути повороту. Розглядаючи обертовий рух, краще вважати, що основна задача механіки вирішена, якщо вдалося вказати кут повороту тіла в будь-який момент часу. Це і буде застосуванням основного закону динаміки щодо обертового тіла.

Як обчислити прискорення тіла?

Основний закон динаміки обертального руху тіла вимагає визначення тих сил, які чинять на нього вплив. Знаючи цю інформацію, можна застосувати другий закон Ньютона і знайти прискорення тіла в будь-який момент часу. Знаючи такі дані і застосовуючи закони кінематики, можна знайти координати тіла в даний момент. Така технологія розв'язання основної задачі механіки. Переформулюємо її під обертальний рух, рухаючись у протилежному напрямку від бажаного результату. Для визначення значення кута повороту тіла в будь-який момент часу потрібно згадати кінематику обертального руху, яка включає в себе кутове прискорення. Існує рівняння, що дозволяє дати відповідь на питання про те, яким буде кутове прискорення. Для створення такого рівняння необхідно згадати закони кінематики про обертальному русі. Якщо поступальний вид руху характеризується швидкістю, то аналогічним поняттям при розгляді обертального руху будуть показники кутової швидкості - фізичної величини, що визначають, як ставиться кут, на який повернуто тіло за певний часовий період, до часу протікання цього відношення. Кутову швидкість необхідно помножити на відстань від осі обертання до цієї точки. Найпростіший вид обертального обертання – рівномірний, коли за однаковий час тіло повертається на однакові кути, без прискорення. На тілі, яке обертається рівномірним чином, у кожної точки є своя швидкість руху. Причому вона змінюється в напрямку з доцентровими показниками прискорення. Напрямок такої дії відбувається по дотичній радіусу в центр кола. Нерівномірне обертання - це показники відношення, з яким змінюється кутова швидкість за часовий період стосовно часу дії цього проміжку. Звідси випливає закон про зміну кутової швидкості: W(t) = Wo+Et Складова прискорення може бути спрямоване не тільки по радіусу, але і по дотичній. Це важливо врахувати в процесі виконання вимірювань.

Підведемо підсумки

У відповідності з основними законами динаміки тіло виконує рух рівномірним і прямолінійним способом до моменту впливу на нього інших сил. Якщо тіло спочиває, це буде тривати до початку дії на нього сили. Звідси випливає, що рух так само природно для тіла, як і спокій. Для зміни того чи іншого стану до тіла необхідно прикласти певну силу. Другий пункт основного закону динаміки свідчить, що рівнодіюча сила викликає прискорення. Якщо F (рівне) = 0 отже, і число прискорення буде нульовим. При цьому показники швидкості також будуть постійними або нульовими. Звідси випливає, що правило першого ньютоновского закону плавно перетікає в інший. Для вчених XVII століття ці докази були найбільшим відкриттям. За допомогою третього закону Ньютона вдається успішно вирішувати завдання з розділу «Динаміка».