NEWTONS TREDJE LOV: APPLIKASJONER, EKSPERIMENTER OG ØVELSER - FYSISK - 2025

Den tredje loven til Newton , også kalt handlings- og reaksjonslov, sier at når en gjenstand utøver kraft på en annen, utøver den sistnevnte også på den første en styrke med lik størrelse og retning og motsatt retning.

Isaac Newton gjorde sine tre lover kjent i 1686 i sin bok Philosophiae Naturalis Principia Mathematica eller Mathematical Principles of Natural Philosophy.

En romrakett får nødvendig fremdrift takket være de utviste gassene. Kilde: Pixabay.

Forklaring og formler

Den matematiske formuleringen av Newtons tredje lov er veldig enkel:

F ₁₂ = - F ₂₁

En av kreftene kalles handling og den andre er reaksjon. Imidlertid er det nødvendig å understreke viktigheten av denne detalj: begge handler på forskjellige objekter. De gjør det også samtidig, selv om denne terminologien feil antyder at handling skjer før og reaksjon etter.

Siden krefter er vektorer, betegnes de med fet skrift. Denne ligningen indikerer at vi har to objekter: objekt 1 og objekt 2. Kraften F ₁₂ er den som utøves av objekt 1 på objekt 2. Kraften F ₂₁ utøves av objekt 2 på objekt 1. Og tegn (-) indikerer at de er motsatte.

Ved nøye å observere Newtons tredje lov, observeres en viktig forskjell med de to første: mens de påberoper seg et enkelt objekt, refererer den tredje loven til to forskjellige objekter.

Og er at hvis du tenker nøye, krever interaksjoner par gjenstander.

Det er grunnen til at handlings- og reaksjonskreftene ikke avbryter hverandre eller er balanserte, selv om de har samme størrelsesorden og retning, men motsatt retning: De brukes på forskjellige kropper.

applikasjoner

Ball-bakken samhandling

Her er en veldig daglig bruk av et samspill relatert til Newtons tredje lov: en vertikalt fallende ball og jorden. Ballen faller til bakken fordi jorden utøver en attraktiv kraft, som er kjent som gravitasjon. Denne kraften får ballen til å falle med en konstant akselerasjon på 9,8 m / s ² .

Imidlertid tenker nesten ingen på det faktum at ballen også utøver en attraktiv kraft på jorden. Selvfølgelig forblir jorden uendret, fordi massen er mye større enn ballens og derfor opplever ubetydelig akselerasjon.

Et annet bemerkelsesverdig poeng med Newtons tredje lov er at det ikke er nødvendig med kontakt mellom de to samhandlende objektene. Det fremgår av eksemplet som nettopp er sitert: ballen har ennå ikke tatt kontakt med jorden, men den utøver likevel sin tiltrekning. Og ballen på jorden også.

En kraft som tyngdekraft, som virker utydelig om det er kontakt mellom gjenstander eller ikke, kalles en "handlingskraft på avstand". På den annen side krever krefter som friksjon og normal at de samvirkende gjenstandene er i kontakt, det er derfor de kalles "kontaktkrefter".

Formler hentet fra eksemplet

Går tilbake til paret med objekter ball - Jorden, velger indeksene P for ballen og T for jorden og bruker Newtons andre lov på hver deltaker i dette systemet, får vi:

_Resulterer F = m. til

Den tredje loven sier at:

m _P a _P = - m _T a _T

a _P = 9,8 m / s ² rettet loddrett nedover. Siden denne bevegelsen skjer langs den vertikale retningen, kan vektornotasjonen (fet) utelates; og velge den oppadgående retning som positiv og nedover som negativ, har vi:

a _P = 9,8 m / s ²

m _T ≈ 6 x 10 ²⁴ kg

Uansett ballens masse er jordens akselerasjon null. Derfor blir det observert at ballen faller mot jorden og ikke omvendt.

Betjening av en rakett

Raketter er et godt eksempel på anvendelse av Newtons tredje lov. Raketten som er vist på bildet i begynnelsen stiger takket være fremdriften av varme gasser med høy hastighet.

Mange tror at dette skjer fordi disse gassene på en eller annen måte "lener seg" på atmosfæren eller bakken for å støtte og drive raketten. Det fungerer ikke sånn.

Akkurat som raketten utøver kraft på gassene og fordriver dem bakover, utøver gassene en styrke på raketten, som har samme modul, men motsatt retning. Denne kraften er det som gir raketten sin akselerasjon oppover.

Hvis du ikke har en slik rakett på hånden, er det andre måter å sjekke at Newtons tredje lov fungerer for å gi fremdrift. Det kan bygges vannraketter der den nødvendige skyvkraft tilveiebringes av vannet som utvises ved hjelp av en gass under trykk.

Det skal bemerkes at oppskytingen av en vannrakett tar tid og krever mange forholdsregler.

Bruk av skøyter

En mer overkommelig og umiddelbar måte å teste effekten av Newtons tredje lov er ved å sette på et par skøyter og skyve deg selv mot en vegg.

Mesteparten av tiden er evnen til å utøve kraft assosiert med gjenstander som er i bevegelse, men sannheten er at immobile gjenstander også kan utøve krefter. Skøyteløperen blir drevet bakover takket være kraften som den bevegelige veggen utøver på ham.

Overflatene i kontakt utøver (normal) kontaktkrefter med hverandre. Når en bok hviler på et horisontalt bord, utøver den en vertikal kraft som kalles normal på den. Boken utøver på bordet en vertikal kraft med samme numeriske verdi og motsatt retning.

Eksperiment for barn: skaterne

Barn og voksne kan lett oppleve Newtons tredje lov og bekrefte at handlings- og reaksjonskreftene ikke avbryter og er i stand til å gi bevegelser.

To skatere på is eller på en veldig jevn overflate kan drive hverandre og oppleve bevegelser i motsatt retning, enten de har samme masse eller ikke, takket være loven om handling og reaksjon.

Tenk på to skatere med ganske forskjellige masser. De er midt i en skøytebane med ubetydelig friksjon og er i utgangspunktet i ro. I et gitt øyeblikk presser de hverandre ved å bruke konstant kraft med håndflatene. Hvordan vil de begge bevege seg?

To skøyteløpere driver hverandre midt på en skøytebane. Kilde: Benjamin Crowell (Wikipedia bruker bcrowell)

Det er viktig å merke seg at siden det er en friksjonsfri overflate, er de eneste ubalanserte kreftene kreftene som skaterne påfører hverandre. Selv om vekten og den normale handlingen på begge deler balanserer disse kreftene, ellers ville skøyteløpere akselerert i vertikal retning.

Formler brukt i dette eksemplet

Newtons tredje lov sier at:

F ₁₂ = - F ₂₁

Det vil si at kraften som utøves av skøyteløper 1 på 2 er lik i størrelsesorden som den som utøves av 2 på 1, med samme retning og motsatt retning. Legg merke til at disse kreftene påføres forskjellige objekter, på samme måte som kreftene ble påført ballen og jorden i det forrige konseptuelle eksemplet.

m ₁ til ₁ = -m ₂ til ₂

Siden kreftene er motsatte, vil akselerasjonene de forårsaker også være motsatte, men størrelsesordenene deres vil være forskjellige, siden hver skater har en annen masse. La oss se på akselerasjonen skaffet av den første skateren:

Så bevegelsen som skjer videre er separasjonen av begge skatere i motsatte retninger. I prinsippet var skaterne i ro midt i banen. Hver utøver en kraft på den andre som gir akselerasjon så lenge hendene er i kontakt og skyvekraften varer.

Etter det beveger skatere seg bort fra hverandre med ensartet rettlinjet bevegelse, da ubalanserte krefter ikke lenger virker. Hastigheten til hvert skater vil være forskjellig hvis massene også er.

Trening løst

For å løse problemer der Newtons lover må anvendes, er det nødvendig å trekke kreftene som virker på objektet nøye. Denne tegningen kalles et "frigroppsdiagram" eller et "isolert kroppsdiagram." Kreftene som kroppen utøver på andre gjenstander, skal ikke vises i dette diagrammet.

Hvis det er mer enn ett objekt involvert i problemet, er det nødvendig å tegne et frikroppsdiagram for hver av objektene, og husk at handlingsreaksjonsparene virker på forskjellige kropper.

a) Akselerasjonen som hver skater skaffer seg takket være dytten.

b) Farten til hver og en når de skiller seg

Løsning

a) Ta den positive horisontale retningen fra venstre mot høyre. Bruke Newtons andre lov med verdiene gitt i uttalelsen vi har:

F ₂₁ = m ₁ til ₁

Fra hvor:

For den andre skateren:

b) De kinematiske ligningene for jevn akselerert rettlinjet bevegelse brukes til å beregne hastigheten de bærer akkurat som de skiller:

Den første hastigheten er 0, siden de var i ro midt i sporet:

v _f = kl

v _f1 = a ₁ t = -4 m / s ² . 0,40 s = -1,6 m / s

v _f2 = a ₂ t = +2,5 m / s ² . 0,40 s = +1 m / s

resultater

Som forventet får person 1 som er lettere større akselerasjon og derfor større hastighet. Legg nå merke til følgende om massen og hastigheten til hver skater:

m ₁ v ₁ = 50 kg. (-1,6 m / s) = - 80 kg.m / s

m ₂ v ₂ = 80 kg. 1 m / s = +80 kg.m / s

Summen av begge produktene er 0. Produktet av masse og hastighet kalles momentum P. Det er en vektor med samme retning og følelse av hastighet. Når skøyteløperne var i ro og hendene deres var i kontakt, kunne det antas at de dannet den samme gjenstanden hvis fart var:

P _o = (m ₁ + m ₂ ) v _o = 0

Etter at dyttingen er fullført, forblir bevegelsesmengden i skøytesystemet 0. Derfor bevegelsesmengden bevares.

Eksempler på Newtons tredje lov i hverdagen

Gå

Turgåing er en av de mest daglige handlingene som kan utføres. Hvis man observeres nøye, må handlingen ved å skyve foten mot bakken, slik at den gir en lik og motsatt styrke på foten til rullatoren.

Når vi går bruker vi stadig Newtons tredje lov. Kilde: Pixabay.

Det er nettopp den styrken som lar folk gå. I flukt utøver fuglene kraft på luften og luften skyver vingene slik at fuglen driver seg frem.

Bevegelse av en bil

I en bil utøver hjulene krefter på fortauet. Takket være reaksjonen fra fortauet utøver den krefter på dekkene som driver bilen fremover.

Sport

I idrett er kreftene til handling og reaksjon mange og deltar veldig aktivt.

La oss for eksempel se atleten med foten hvile på en startblokk. Blokken gir en normal kraft som reaksjon på dytten atleten utøver på den. Resultatet av denne normale og løperens vekt, resulterer i en horisontal kraft som gjør at utøveren kan drive seg frem.

Idrettsutøveren bruker startblokken for å legge frem fart på starten. Kilde: Pixabay.

Brannslanger

Et annet eksempel der Newtons tredje lov er til stede er brannmenn som holder brannslanger. Enden på disse store slangene har et håndtak på dysen som brannmannen må holde når vannstrålen kommer ut, for å unngå rekylen som oppstår når vannet kommer ut i full fart.

Av samme grunn er det praktisk å binde båtene til kaien før de forlater dem, fordi når de blir presset for å nå kaien, tilføres en styrke til båten som flytter den bort fra den.

referanser

1. Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. Sjette utgave. Prentice Hall. 80 - 82.
2. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson. 73 - 75.
3. Tipler, P. 2010. Fysikk. Bind 1. 5. utgave. Redaksjonell Reverté. 94 - 95.
4. Stern, D. 2002. Fra astronomer til romskip. Hentet fra: pwg.gsfc.nasa.gov.