Концепція другого закону руху Ньютона про фізику системи

Наприкінці цього розділу ви зможете:

Визначте чисту силу, зовнішню силу та систему.
Зрозумійте другий закон руху Ньютона.
Застосуйте другий закон Ньютона для визначення ваги предмета.

Другий закон руху Ньютона тісно пов'язаний з першим законом руху Ньютона. У ньому математично викладено причинно-наслідковий зв’язок між силою та змінами в русі. Другий закон руху Ньютона є більш кількісним і широко використовується для обчислення того, що відбувається в ситуаціях, що включають силу. Перш ніж ми зможемо записати другий закон Ньютона як просте рівняння, що дає точний взаємозв’язок сили, маси та прискорення, нам потрібно загострити деякі ідеї, про які вже згадувалося.

По-перше, що ми маємо на увазі під зміною руху? Відповідь полягає в тому, що зміна руху еквівалентна зміні швидкості. Зміна швидкості за визначенням означає, що відбувається прискорення. Перший закон Ньютона говорить, що чиста зовнішня сила викликає зміну руху; таким чином, ми бачимо, що чиста зовнішня сила викликає прискорення.

Відразу ж виникає інше питання. Що ми маємо на увазі під зовнішньою силою? Інтуїтивне уявлення про зовнішнє є правильним - зовнішня сила діє ззовні системи інтересів. Наприклад, на малюнку 1 (а) система інтересів - це фургон та дитина в ньому. Дві сили, які чинять інші діти, є зовнішніми силами. Внутрішня сила діє між елементами системи. Знову дивлячись на малюнок 1 (а), сила, яку дитина у вагоні докладає, щоб повіситись на вагон, є внутрішньою силою між елементами системи, що нас цікавить. Тільки зовнішні сили впливають на рух системи, згідно з першим законом Ньютона. (Внутрішні сили фактично скасовуються, як ми побачимо в наступному розділі.) Ви повинні визначити межі системи, перш ніж зможете визначити, які сили є зовнішніми. Іноді система очевидна, тоді як інший час визначення меж системи є більш тонким. Поняття системи є фундаментальним для багатьох областей фізики, як і правильне застосування законів Ньютона. Ця концепція буде багато разів переглядатися під час нашої подорожі фізикою.

Рисунок 1. Різні сили, що діють на одну і ту ж масу, виробляють різні прискорення. (а) Двоє дітей штовхають фургон, в якому знаходиться дитина. Показані стрілки, що представляють усі зовнішні сили. Система інтересів - це універсал та його вершник. Вага w системи та опори землі N також показані для повноти та передбачається скасувати. Вектор f являє собою тертя, що діє на вагон, і воно діє вліво, протидіючи руху вагона. (b) Усі зовнішні сили, що діють на систему, складаються разом, створюючи чисту силу, Fnet. Діаграма вільного тіла показує всі сили, що діють на цікавить систему. Точка представляє центр мас системи. Кожен вектор сили простягається від цієї точки. Оскільки праворуч діють дві сили, ми малюємо вектори колінеарно. (c) Більша чиста зовнішня сила призводить до більшого прискорення (a ′> a) коли дорослий штовхає дитину.