Сила, маса та прискорення: Другий закон руху Ньютона

Перший закон руху Ісаака Ньютона стверджує: "Тіло, що перебуває в стані спокою, залишатиметься в спокої, а тіло в русі залишатиметься в русі, якщо на нього не впливатиме зовнішня сила". Що тоді трапляється з тілом, коли до нього прикладена зовнішня сила? Цю ситуацію описує Другий закон руху Ньютона.

За даними НАСА, цей закон говорить: "Сила дорівнює зміні імпульсу за зміну в часі. Для постійної маси сила дорівнює масі, примноженій на прискорення". Це записано в математичній формі як F = мa

F - сила, m - маса і a - це прискорення. Математика цього досить проста. Якщо ти подвоїш силу, ти прискорення подвоїш, але якщо ти подвоїш масу, ти зменшиш прискорення навпіл.

Ньютон опублікував свої закони руху в 1687 р. У своїй фундаментальній праці "Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica" (Математичні принципи природної філософії), в якій він формалізував опис руху масивних тіл під впливом зовнішніх сил.

Ньютон розширив попередні роботи Галілео Галілея, який розробив перші точні закони руху маси, за словами Грега Ботуна, професора фізики в Університеті Орегона. Експерименти Галілея показали, що всі тіла прискорюються з однаковою швидкістю, незалежно від розміру та маси. Ньютон також критикував і розширював роботу Рене Декарта, який також опублікував звід законів природи в 1644 році, через два роки після народження Ньютона. Закони Декарта дуже схожі на перший закон руху Ньютона.

Прискорення та швидкість

Другий закон Ньютона говорить, що коли на масивне тіло діє постійна сила, це змушує його прискорюватися, тобто змінювати свою швидкість, з постійною швидкістю. У найпростішому випадку сила, прикладена до предмета, що перебуває в стані спокою, змушує його прискорюватися у напрямку дії сили. Однак, якщо об'єкт вже перебуває в русі або якщо цю ситуацію розглядають із рухомої інерціальної системи відліку, це тіло може виглядати як пришвидшується, сповільнюється або змінює напрямок залежно від напрямку сили та напрямків, які об'єкт і система відліку рухаються відносно один одного.

Жирними літерами F і a в рівнянні вказують, що сила та прискорення є векторними величинами, що означає, що вони мають як величину, так і напрямок. Сила може бути однією силою, а може бути поєднанням більше однієї сили. У цьому випадку ми записали б рівняння як ∑F = мa

Велика Σ (грецька буква сигма) являє собою векторну суму всіх сил, або чисту силу, що діють на тіло.

Досить важко уявити, як на тіло впродовж невизначеного періоду часу застосовується постійна сила. У більшості випадків сили можуть застосовуватися лише протягом обмеженого часу, виробляючи те, що називається імпульсом. Для масивного тіла, що рухається в інерційній системі відліку без будь-яких інших сил, таких як тертя, що діють на нього, певний імпульс спричинить певну зміну його швидкості. Тіло може пришвидшитися, уповільнитись або змінити напрямок, після чого тіло продовжить рух із новою постійною швидкістю (якщо, звичайно, імпульс не призведе до зупинки тіла).

Однак є одна ситуація, коли ми справді стикаємося з постійною силою - силою, що виникає внаслідок гравітаційного прискорення, яка змушує масивні тіла чинити силу вниз на Землю. У цьому випадку постійне прискорення під дією сили тяжіння записується як g, а Другий закон Ньютона стає F = mg. Зверніть увагу, що в цьому випадку F та g звичайно не пишуться як вектори, оскільки вони завжди спрямовані в одному напрямку вниз.

Добуток маси на гравітаційне прискорення, мг, відомий як вага, що є лише іншим видом сили. Без гравітації масивне тіло не має ваги, а без масивного тіла гравітація не може виробляти силу. Для того, щоб подолати гравітацію і підняти масивне тіло, потрібно створити силу вгору ma це більше, ніж гравітаційна сила вниз мг.

Другий закон Ньютона в дії

Ракети, що рухаються в космосі, охоплюють усі три закони руху Ньютона.

Якщо ракеті потрібно уповільнити, прискорити або змінити напрямок, для її поштовху застосовується сила, яка, як правило, надходить від двигуна. Величина сили та місце, де вона забезпечує поштовх, може змінювати як швидкість (величину, частину прискорення), так і напрямок.

Тепер, коли ми знаємо, як поводиться масивне тіло в інерційній системі відліку, коли воно піддається впливу зовнішньої сили, наприклад, як двигуни, що створюють поштовх, маневрують ракетою, що відбувається з тілом, яке чинить цю силу? Цю ситуацію описує Третій закон руху Ньютона.

Додаткове повідомлення від Рейчел Росс, співавтора Live Science.