Керівництво Нової Зеландії в законах Ньютона

Розуміння нових законів руху Ньютона: Повна інструкція з новачків

Закони Ньютона Motion – це построк класичної механіки, що надає правила, які регулюють переміщення об’єктів при дії сил на них. Формується сер Ісаак Ньютон у 17 столітті, ці три закони пояснюють все від того, чому книга залишається на столі, щоб як ракета запускається в космос. Чи варто студенту скористатися першим фізико-фізичним класом або професіоналом, що шукає фундаментальні знання, опанувавши ці принципи є важливим для розуміння фізичного світу. У цьому посібнику ми розірватимемо кожен закон у звичайній мові, досліджуємо реальні приклади, і показати, чому інсайтів Ньютона залишаються незамінними в сучасних науках і в машинобудуванні.

Історичний контекст: Як змінено фізичну фізичну фізичну фізичну фізичну фізичну фізичну фізичну будову

До Ньютона переважаючий погляд руху прибув з Арістоту, який вірив, що предмети природно приходили до відпочинку, якщо сила безперервно просувала їх. Галіло Галілі звернулися до цієї ідеї з експериментами на нахилених площинах, зберігаючи те, що об'єкти в русі, як правило, залишаються в рухах, якщо тертя з мінімумом. Ньютон синтезував ці спостереження і його власну роботу в Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (1687), де він опублікував три закони руху разом з законом універсальної гравітації.

Внесок Newton був революційним, оскільки він надав кількісний, передбачуваний каркас] для руху. Замість опису руху якісно, його закони дозволили науковцям розрахувати, як сила зміни швидкості об'єкта. Цей математичний підхід закладено основу для промислової революції, сучасної фізики та навіть просторового дослідження. Ви можете прочитати більше про життя Ньютона та методи Stanford Енциклопедія філософії] або вивчити інтерактивні імітації в PhET Interactive Симулятори.

Перше право на рух Ньютона: Закон інерції

Перший закон Ньютона: "Одно, що знаходиться на відпочинку, і об'єкт в русі залишається в русі з однаковою швидкістю і в тому ж напрямку, якщо діяли на небалансовану зовнішню силу.". Ця властивість має назву inertia]] - опір будь-якого фізичного об'єкта до зміни його стану руху.

Що таке інерція дійсно означає

У повсякденному досвіді ми бачимо об'єкти, що сповільнюють і зупиняються весь час: прокат кулі зупиняється через тертя, ковзання книги на стіл зупиняється через стійкість повітря і поверхневий тертя. Але Перший Закон говорить нам, що якщо ви могли б видалити всі зовнішні сили (фрикція, перетягування, тяжіння і т.д.), об'єкт буде тримати переміщення назавжди в прямій лінії при постійній швидкості. Це концептуальна ідеалізація], яка підкреслює фундаментальну поведінку матерії.

Інертія безпосередньо пов'язана з масою. Більша маса має об'єкт, більш інерція він має, і важче, щоб почати його переміщення або зупинити його один раз, пересуватися. Наприклад, набагато простіше виштовхувати велосипед, ніж автомобіль, оскільки автомобіль має набагато більшу інерцію.

Щоденні приклади першого закону

Сеятбелтс: Коли автомобіль раптом зупиняється, ваше тіло продовжує рухатися вперед через інерцію. Акрібель забезпечує зовнішню силу, необхідну для того, щоб зупинити вас безпечно.
Аскатертинний трюк: Якщо ви янкли швидко, страви залишаються в місці, тому що сила тертя не встигла діяти— перебування в стані спокою через інерцію.
Подивитися баланс на автобусі: Коли автобус раптом прискорює, ваше тіло прагне залишатися в стані спокою відносно землі, викликаючи вас за кадром.

Основні висновки з першого закону

Об'єкти до не потребувати зусилля для збереження руху їх рух.
Не є силою, це майно, яке має значення.
Закон визначає внутр. посилання] — кадр, де закон має право. У прискорених рамках (як обертається карусель), з'являються хибні сили.

Другий закон Ньютона: Закон про прискорення

Друге право Ньютона передбачає математичні зв’язки між силою, масою та прискоренням: _net = m × a. Тут F_net] - це нетто зовнішня сила, що діє на об’єкт (застрахований в новітони, N), м - маса об’єкта (кг), а це його прискорення (m/s2). Цей закон розповідає нам, як багато об’єкта буде прискорити, уповільнювати або змінити напрямок, коли сила наноситься.

Пориваючи формулу

F_]net] - векторна сума всіх сил, які діють на об'єкті. Якщо багаторазові сили просуваються в різних напрямках, то чиста сила визначає рух.
m] - це інертальна маса об'єкта - вимір того, скільки вона не піддається прискоренню.
a - це прискорення, який вказує на той же напрямок, як нетто сила.

Повідомлення про те, що закон говорить прискорення , прямо пропорційно для чистої сили: подвійний силу, і ви подвійний прискорення (для тієї ж маси). Поперечно, прискорення , по-інверсному пропорційно]] для маси: подвійний масу, а прискорення половинок (для такої ж сили).

Практичні програми

Будівництво: Інженери використовують F = ma для розрахунку сили двигуна, необхідної для прискорення автомобіля від 0 до 60 миль/год в певному часі.
Sports: Бейсбол крокер застосовує сили до кульки на короткій відстані. Збільшуючи силу (сильна рука) або зменшення маси (світловий м'яч), прискорення — і таким чином кінцева швидкість—збільшення.
Айрбагс: Під час зіткнення повітряна сумка розгортається для збільшення часу, над яким наноситься сила, зменшення прискорення (і таким чином сила) на некупе. Це прямий додаток F = ма: довший час означає меншу середню силу для того ж зміни в імпульсі.
Забезпечити об'єкти: Gravity забезпечує постійне зусилля внизу (mg]), тому всі об'єкти прискорюють поверхню Землі g ≈ 9.8 м/с2 незалежно від маси, ігнорування повітряної стійкості. Саме тому перо і молоток знизилися разом на Місяці.

Приклад розрахунку

Припустимо, ви штовхнете 10 кг коробку з чистою горизонтальною силою 50 Н. прискорення є = F / м = 50 N / 10 кг = 5 м / с2. Якщо ви подвійний зусилля до 100 N, прискорення стає 10 м / с2. Якщо ви тримаєте сили на 50 N, але подвойте масу до 20 кг, прискорення падає до 2,5 м / с2.

Для більш глибоких математичних та симуляційних інструментів, перевірте Керівництво Академії від Ньютона Другого Закону.

Третя практика руху Ньютона: Закон про дії та реагування

Законодавство Ньютона: "Для кожної дії існує рівних і протилежних реакцій." Це означає, що сили завжди відбуваються в парах. При об'єкті А видає силу на об'єкті Б, об'єкт Б одночасно виявляє силу рівних величин і протилежного напрямку на об'єкті А.

Складання Дій-відповіді про сходи

Важливо розуміти, що дві сили в дії-відновленій парі діють на діферентні об'єкти]. Вони не скасовують один одного, тому що вони впливають на окремі органи. Наприклад, коли ви відштовхуєте на стіну, стіна відштовхує назад з такою ж силою. Здатність, яку ви наносите до стіни, не викликає вас рухатися; це реакція стіни на вас, що ви відштовхує вас назад.

Приклади реального світу

Прогулянка: Ваша нога виштовхує назад на землі; грунт відштовхує вперед на нозі. Що ви намагаєтесь випробувати пропели.
Свіммінг: Ви відштовхуєте воду назад; вода виштовхує вас вперед.
Пропульсність ракети: Ракетні витяжки вичерпають гази внизу; витяжні гази відштовхують ракету вгору. Це працює в вакуумі простору, оскільки не потрібно зовнішнього повітря, - парі дії між ракетою і власним витяжкою.
Використання кульки: Ваша нога діє сила м'яча, продаючи її вперед; м'яч застосовує рівну силу назад на нозі (що ви відчуваєте як стінг).

Чому не скасовує дії

Багато студентів помилково думають, що якщо кожна дія має однакову протилежну реакцію, то всі сили анулюються і нічого не можуть прискорювати. Похибка полягає в тому, що два сили діють на дивні об'єкти]]. Чистий сила на будь-якому об'єкті є сума сил, що діють , що об'єкт]. Для того, щоб прискорити вас, він повинен натиснути на вас, і ця сила - це реакція на ваш поштовх на землю. Посада не прискорюється, тому що його маса величезна, тому що ж сила на неї виробляє недбалий прискорення.

Загальні випадки та визначення

Закони Ньютона часто не мають сумнівів, оскільки підручники спрощують їх або тому, що наш щоденний досвід включає в себе сили, як тертя і повітряна стійкість, які маскують ідеалізовані поведінки. Ось деякі стійки міфи, виправлені:

Misconception	Correction
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).

Чому закони Ньютона є на сьогодні актуальними

Закони Ньютона не тільки історичні цікавість. Вони формують основу для більшості інженерних дисциплін, від структурного аналізу до робототехніки. При оформленні місту ви розраховуєте сили на кожному балі за допомогою законів Ньютона. При програмі проводиться імітація для відеоігри, фізичний двигун зазвичай використовує механіки Ньютонського. Навіть космічні агентства використовують ці закони для позначення траєкторій для космічних апаратів, хоча вони додають релятивістичні корекції для екстремальної точності.

Крім того, закон Ньютона – це шлюз для глибокої фізики. Вони безпосередньо призводять до принципів збереження імпульсу (порушених з третього закону) та збереження енергії (попередження робочої енергії, яка стебла з другого закону). Розуміння їх полегшує грасп електромагнетизм, термодинаміка та навіть основи особливої релятивності.

Обмеження: коли закони Ньютона не застосовуються

У всіх випадках, коли не є універсальними, законами Ньютона не є універсальними. Вони розбиваються в трьох основних режимах:

Високі швидкості: При підході об'єктів швидкості світла потрібна теорія Ейнштейна особливої релятигності. Час діляції та релятивістські масові ефекти стають значною.
Вери міцні гравітаційні поля: Біля чорних отворів або в всьому Всесвіті на великих масштабах, загальна релятигація описує тяжіння як кривизня простору.
Виробні невеликі ваги: На атомних і субатомних рівнях квантова механіка поведінкових вод. Новатонська механіка не дозволяє пояснити явища, як електрон орбітальні орбіти і квантове тунелювання.

Нездатні, для великої більшості повсякденних явищ— автомобілів, спорту, будівництва, погодних систем, а також супутників, які є точними і достатніми.

Резюме трьох законів

Перше право (Інерція): Об'єкти проти змін руху. Корпус у відпочинку залишається в стані спокою; тіло в рівномірному русі залишається в русі, якщо на ньому не існує ніякої зовнішньої сили.
Second Law (Force & Acceleration): Чистий силу на об'єкті, що дорівнює масі об'єкта, що перемножилася на його прискорення (F = m × a). Цей закон кількісно підтверджує, як сили викликають зміни руху.
Third Law (Action–Reaction): Для кожної сили, що вичерпується об'єктом A на об'єкті B, об'єкт B видає рівну і протилежну силу на об'єкті А. Ці сили діють на різні органи.

Виконуючи ці три закони відкривають двері для розуміння того, як все від падіння яблука до гоночних автомобілів рухається. Чи варто ви заплутаєте проблеми з домашніми роботами, проектування машини або просто цікавіше про те, чому ваша кава заплітає, коли ви гальмуєте раптом, закон Ньютона забезпечують чітке, математичне пояснення.

NASA Glenn Research Center має відмінне початківця зрозуміле пояснення, а Britannica запис пропонує історичну глибину. Щасливий навчання!