Table of Contents

Удобство NUTH . Закони на движението: Ръководство за пълното начало

Нютонските закони на движението са основата на класическата механика, осигурявайки правилата, които уреждат как обектите се движат, когато силите действат върху тях. Формулирани от сър Исак Нютон през 17 век, тези три закона обясняват всичко, защо книгата остава на масата на как ракета стартира в космоса. Независимо дали сте студент, който взема първия си клас по физика или професионален, който търси да освежи фундаменталните знания, овладяването на тези принципи е от съществено значение за разбирането на физическия свят. В това ръководство, ние ще нарушим всеки закон на обикновен език, изследвам реалния свят примери, и да покаже защо Нютон неоткриваем в съвременната наука и инженерство.

Исторически контекст: Как Нютон променил физиката

Преди Нютон, преобладаващата гледна точка на движение дойде от Аристотел, които вярват, че предмети естествено дойде да си почине, освен ако сила непрекъснато ги бута. "Галилео Галилей оспори тази идея с експерименти на наклонени равнини, наблюдавайки, че обекти в движение са склонни да останат в движение, ако триене е минимизиран. Нютон синтезира тези наблюдения и собствената си работа в Философиа Naturalis Principia Mathematica (1687), където той публикува трите закони на движение заедно със закона на универсалната гравитация.

Вместо да описва движението с точност, неговите закони позволиха на учените да изчисляват точно как една сила ще промени дадена обект на скоростта. Този математически подход постави основата на индустриалната революция, съвременната физика и дори изследването на пространството. Можете да прочетете повече за Nutus живот и методи в [[FLT: 2]Stanford Encyclopedia of Philosophy или да изследвате интерактивни симулации на PET Interactive Simulations.

Първият закон на движението: Законът на Инертия

Nuth .

Какво означава в действителност инерцията

В ежедневието виждаме обекти, които забавят и спират през цялото време: въртяща се топка спира поради триене, плъзгаща се книга на бюро спира поради въздушна устойчивост и повърхностно триене. Но Първият закон ни казва, че ако можете да премахнете всички външни сили (фрикция, плъзгане, гравитация и т.н.), обектът ще продължи да се движи вечно в права линия с постоянна скорост. Това е концептуална идеализация, която подчертава фундаменталното поведение на материята.

Инерцията е пряко свързана с масата. Колкото повече маса има един обект, толкова по-интензивна е той притежава, и толкова по-трудно е да се започне да се движи или да се спре след като се движи. Например, тя е много по-лесно да се бута велосипед от кола, защото колата има много по-голяма инерция.

Всеки ден примери за първия закон

  • Когато кола внезапно спре, тялото продължава да се движи напред поради инерция. Коланът осигурява необходимата външна сила, за да ви спре безопасно.
  • А покривка трик: Ако янки покривка бързо, ястията остават на място, защото силата на нефрит hasn го е имал време да действа .Те остават в покой поради инерция.
  • Загубване на баланса си в автобус: Когато автобус внезапно се ускорява, тялото ви тенденция да остане в покой спрямо земята, което ви кара да се отдръпне назад.

Ключови прозрения от първия закон

  • Обектите не се нуждаят от сила, за да продължат да се движат да променят своето движение.
  • Инерцията не е сила, тя е собственост на материята.
  • Законът определя инерална референтна рамка[[[FLT:]]]а рамка, където законът се придържа към истината. В ускоряване рамки (като въртяща се въртележка), се появяват фиктивни сили.

Вторият закон на движението: Законът на ускорението

Nuth . Вторият закон осигурява математическата връзка между силата, масата и ускорението: Fnet[[FLT:]] = m × a. Тук, Fnet[ е нетната външна сила, която действа върху обект (не се прилага в нютони, N), m е обектът на маса (kg), а а е неговото ускорение (m/s2). Този закон ни казва точно колко обект ще ускори, забави или промени посоката, когато се прилага сила.

Разрушаване на формулата

  • Fnet е векторната сума на всички сили, действащи върху обекта. Ако множество сили бутат в различни посоки, нетната сила определя движението.
  • m е обектът на инерцията на масата .
  • a е ускорението, което сочи в същата посока като нетната сила.

Забележете, че законът казва, че ускорението е пряко пропорционално да се удвои силата: и да се удвои ускорението (за същата маса). Обратно, ускорението е обратно пропорционално[ да маса: двойно масата, и ускорение половини (за същата сила).

Практични приложения

  • Дизайн на превозното средство:[ Инженерите използват F = ma, за да изчисляват силата на двигателя, необходима за ускоряване на автомобил от 0 до 60 mph в рамките на определено време.
  • Спорт: Бейзболен питчър прилага сила към топката на кратко разстояние. Чрез увеличаване на силата (по-силна ръка) или намаляване на масата (лека топка), на говедото и по този начин крайната скорост гонят.
  • Въздушна възглавница: По време на сблъсък въздушна възглавница се разполага, за да увеличи времето, през което се прилага силата, като намали ускорението (и по този начин силата) на пътника. Това е пряко прилагане на F = m: по-дълго време означава по-малка средна сила за същата промяна в инерцията.
  • Понижаващи обекти: Гравитацията осигурява постоянна сила надолу ([mg), така че всички обекти близо до Земята . Повърхността ускорява при g . 9.8 m/s2 независимо от масата, игнорирайки съпротивлението на въздуха. Ето защо перото и чукът падат заедно на Луната.

Общ пример за изчисление

Ако натиснете кутия с 10 kg с нетна хоризонтална сила 50 N. Ускорението е a = F/m = 50 N / 10 kg = 5 m/s2. Ако удвоите силата до 100 N, ускорението става 10 m/s2. Ако задържите силата при 50 N, но удвоите масата до 20 kg, ускорението спада до 2,5 m/s2.

За по-дълбоки математически и симулационни инструменти, проверете Hhan Academy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Трети закон на движението: Законът на действие и реакция

Nuth .S трети закон гласи: [ . .За всяко действие има равно и обратно противодействие. . Това означава, че силите винаги се случват по двойки. Когато обект А упражнява сила върху обект Б, обект Б едновременно упражнява сила от еднаква величина и обратна посока на обект А.

Изясняване на двойките действия-реакцион

Това е от решаващо значение, за да се разбере, че двете сили в една двойка действие-реакция действа на различни обекти. Те не се анулират, защото те засягат отделни органи. Например, когато бутате срещу стена, стената се отблъсква обратно със същата сила. Силата, която прилагате към стената не ви кара да се движите; това е силата на реакция на стената върху вас, която ви тласка назад.

Примери за реалния свят

  • Кракът ти се движи назад на земята, земята те тласка напред, това те тласка напред.
  • Плуване: Вие бутате водата назад; водата ви тласка напред.
  • Ракетно задвижване: Ракетата изхвърля отработилите газове надолу; отработилите газове бута ракетата нагоре. Това работи във вакуума на пространството, защото не е необходимо външно въздух действие двойката е между ракетата и собствените си отработили газове.
  • Ритайки топка: Вашият крак прилага сила към топката, като я прокарва напред; топката прилага равна сила обратно на крака си (което се чувствате като ужилване).

Защо действия-реакция двойки Don го отмените

Много ученици погрешно смятат, че ако всяко действие има равно противоположна реакция, тогава всички сили се анулират и нищо не може да се ускори. Грешката се крие в забравянето, че двете сили действат върху различни обекти. Нетната сила върху всеки един обект е сумата от сили, действащи върху този обект. За земята, за да се ускори, тя трябва да ви притиска и тази сила е реакцията на вашия тласък на земята. Земята не се ускорява забележимо, защото масата му е огромна, така че същата сила на него произвежда незначително ускорение.

Общи погрешни схващания и обяснения

Законите на Нютон често са неразбрани, защото те ги опростяват или защото нашият опит включва сили като триене и въздушна устойчивост, които маскират идеализираното поведение. Ето някои устойчиви митове, коригирани:

MisconceptionCorrection
Objects in motion need a force to keep moving. According to the First Law, objects maintain their velocity unless acted on by a net external force. Friction and air resistance are forces that slow them down.
Heavy objects fall faster than light ones. In a vacuum, all objects fall at the same acceleration g because the gravitational force (mg) is proportional to mass, so the masses cancel in F=ma. Air resistance can cause different rates, but that’s a separate force.
Action and reaction forces cancel out, so no net motion is possible. They act on different objects, so they don’t cancel for a single body. The net force on each object determines that object’s acceleration.
Newton’s laws are only true on Earth. They apply anywhere in the universe, though they break down at very high speeds (near light speed) or very strong gravity (requiring relativity) and at atomic scales (requiring quantum mechanics).

Защо законите все още са важни днес

Nuth . Законите не са само исторически любопитни. Те формират основата за повечето инженерни дисциплини, от структурния анализ до роботиката. Когато проектирате мост, изчислявате силите на всеки лъч, използвайки законите на Nuthes. Когато програмирате симулация за видео игра, физиката двигател обикновено използва нютонова механика. Дори космически агенции използват тези закони, за да скроят траекториии за космически кораби, въпреки че те добавят релативистични корекции за изключителна прецизност.

Освен това, законите на Nuths са врата към по-дълбока физика. Те пряко водят до принципите на запазване на инерцията (издадена от Третия закон) и запазване на енергията (чрез теорема на работната енергия, която произтича от Втория закон). Разбирането им улеснява захващането на електромагнетизма, термодинамиката и дори основите на специалната относителност.

Ограничения: Когато Nutus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Макар че невероятно мощни, законите на Нютон не са универсални във всички ситуации. Те се разбиват в три основни режима:

  • Много високи скорости: Когато обекти приближават скоростта на светлината, Айнщайн . Теорията на специалната относителност е необходима.
  • Много силни гравитационни полета: Близо до черни дупки или в цялата вселена на големи мащаби, общата относителност описва гравитацията като кривина на пространственото време.
  • Много малки везни: На атомни и субатомни нива, квантовата механика управлява поведението. Нютонската механика не обяснява явления като електрони орбитали и квантовата тунелиране.

Въпреки това, за по-голямата част от ежедневните явления автомобили, спорт, изграждане на сгради, метеорологични системи, и дори сателитни орбити го Нютон закони са точни и достатъчни.

Резюме на трите закона

  1. Първи закон (Инерция): Обектите се противопоставят на промените в движението. Тялото в покой остава в покой; орган в единно движение остава в движение, освен ако не е налице нетна външна сила върху него.
  2. Втори закон (Force & Accelence): Мрежовата сила върху обект е равна на масата на обекта, умножена по ускорението му (F = m × a). Този закон определя как силите причиняват промени в движението.
  3. Трети закон (Action гонка):[ За всяка сила, упражнявана от обект А върху обект Б, обект Б упражнява равна и противоположна сила върху обект А. Тези сили действат върху различни тела.

Преустройството на тези три закона отваря вратата към разбирането как всичко от падаща ябълка до състезателна кола се движи. Независимо дали сте . .

За по-нататъшно четене NASA Glen Research Center има отлично, щателно обяснение за начинаещите, а Britannica enter предлага историческа дълбочина.