Законы движения Ньютона

Три закона 1687 года, которые до сих пор управляют всем — от падающего яблока до запуска ракеты. Выучите их, рисуйте силы и вычисляйте, что произойдёт дальше.

Около 5 мин чтения
  • Сформулируйте три закона движения Ньютона
  • Используйте F = ma для вычисления силы, массы и ускорения
  • Объясняйте повседневные ситуации с помощью третьего закона
  • Отличайте массу от веса

У вселенной есть правила

В 1687 году Исаак Ньютон опубликовал три закона, описывающих движение тел. Они не очевидны — человечеству понадобились тысячи лет, чтобы прийти к ним, — но, поняв их, можно предсказать всё: от тормозящего автомобиля до орбиты спутника.

Определение: сила

Сила — это толчок или тяга. Она измеряется в ньютонах (Н) и всегда имеет и величину, и направление. Силы изменяют движение: ускоряют тела, замедляют их или меняют их направление.

Ключевая идея всех трёх законов — результирующая сила: то, что получается, если сложить все силы, действующие на тело (как стрелки). Если результирующая сила равна нулю, силы сбалансированы. Если нет — несбалансированы, и движение меняется.

Первый закон Ньютона: продолжай делать то, что делал

1-й закон Ньютона

Тело сохраняет свою скорость, пока на него не действует результирующая сила.

Шайба, скользящая по льду, продолжает скользить — ей не нужна сила, чтобы продолжать движение, а только чтобы изменить его. Это свойство называется инерцией: стремлением тел сопротивляться изменению движения. Больше масса — больше инерция.

Почему пассажир наклоняется вперёд, когда автобус тормозит? Автобус замедляется, а тело пассажира сохраняет скорость (первый закон), пока ремень безопасности не создаст силу, которая замедлит и его.

Второй закон Ньютона: F = ma

2-й закон Ньютона

F = m × a

Результирующая сила, действующая на тело, равна его массе, умноженной на ускорение. Больше сила → больше ускорение. Больше масса → меньше ускорение при той же силе.

Разобранный пример

Тележка массой 2 кг ускоряется с ускорением 3 м/с². Чему равна результирующая сила?

Математика
F = m × a
F = 2 kg × 3 m/s²
F = 6 N

И наоборот: на автомобиль массой 1200 кг действует результирующая сила 3000 Н. Его ускорение a = F/m = 3000/1200 = 2.5 m/s².

Масса и вес — не путайте

Масса (кг) — это количество вещества в теле, она одинакова везде. Вес (Н) — это сила гравитации, действующая на эту массу: вес = масса × напряжённость гравитационного поля. На Земле g ≈ 10 Н/кг, поэтому сумка массой 2 кг весит около 20 Н. На Луне она весила бы меньше, но её масса не изменилась бы.

телореакциявестрениетолчок
Диаграмма свободного тела: перед расчётом изобразите каждую силу, действующую на тело, стрелкой.

Третий закон Ньютона: на каждое действие есть противодействие

3-й закон Ньютона

На каждое действие есть равное и противоположное противодействие.

Толкните стену — и стена толкнёт вас в ответ, поэтому болит ваша рука, а не стена. Эти две силы действуют на разные тела, поэтому они не компенсируют друг друга.

Как работают ракеты

Ракета выбрасывает выхлопные газы назад (действие). Газы толкают ракету вперёд с равной и противоположной силой (противодействие). Обратите внимание: воздух, «от которого можно оттолкнуться», не нужен — ракеты прекрасно работают в вакууме космоса.

Плавание, ходьба, полёт птиц — всё это истории третьего закона. Вы отталкиваете воду назад; вода толкает вас вперёд.

Практика

Сформулируйте три закона Ньютона своими словами.
Думайте так: продолжать / F = ma / действие–противодействие.
  1. Тела сохраняют скорость, пока не действует результирующая сила. 2) F = ma — результирующая сила равна массе × ускорение. 3) На каждое действие есть равное и противоположное противодействие.
Тело массой 5 кг ускоряется с ускорением 4 м/с². Найдите результирующую силу.
F = ma.

F = 5 × 4 = 20 Н.

Объясните, почему ракета может ускоряться в пустом космосе.
От чего она отталкивается?

Ракета выбрасывает газ назад (действие); по третьему закону газ толкает ракету вперёд (противодействие). Окружающий воздух не требуется.

Автомобиль (1200 кг) тормозит с результирующей силой 6000 Н. Найдите его замедление.
Выразите из F = ma: a = F/m.

a = 6000/1200 = 5 м/с² (замедление).

Быстрая проверка

Законы Ньютона — быстрая проверка

Шайба скользит по льду без трения с постоянной скоростью. Результирующая сила, действующая на неё…

Постоянная скорость означает отсутствие изменения движения, значит (1-й закон) результирующая сила равна нулю.

На массу 2 кг действует результирующая сила 10 Н. Ускорение…

a = F/m = 10/2 = 5 м/с².

Когда вы идёте, сила, толкающая вас вперёд, исходит от…

Ваша нога толкает землю назад (действие); земля толкает вас вперёд (противодействие) — третий закон Ньютона.

Масса астронавта на Земле — 80 кг. На Луне она…

Масса измеряет количество вещества — она не меняется. Меняется вес; масса — нет.
Главные выводы
  • 1-й закон: тела сохраняют скорость, пока не действует результирующая сила (инерция).
  • 2-й закон: F = ma — связывайте силу, массу и ускорение и уверенно выражайте нужную величину.
  • 3-й закон: на каждое действие есть равное и противоположное противодействие, действующее на разные тела.
  • Масса (кг) — это вещество; вес (Н) — притяжение гравитации к нему: вес = m × g.
  • Перед расчётом рисуйте диаграммы свободного тела — сначала стрелки, потом числа.
Назад к главам за 8 классСвязанные ресурсы →