2. Законы Ньютона.

Основное утверждение механики состоит в том, что ускорения тел определяются действиями их друг на друга.

Количественную меру действия тел друг на друга, в результате которого тела получают ускорения или испытывают деформацию, называют в механике силой.

Главное утверждение механики можно разделить на два утверждения:

                         1) ускорения тел вызываются силами;

                         2) силы обусловлены действиями на данное тело других тел.

Нужно отчетливо осознавать, что понятие силы относится именно к двум телам, а не к одному. Всегда можно указать тело, на которое действует сила, и тело, со стороны которого она действует. Так, сила тяжести действует на камень со стороны Земли, а на шарик, подвешенный на пружине, действует сила упругости со стороны пружины. Сила имеет направление.                                                               Так, сила упругости растянутой пружины действует вдоль ее оси. Сила трения останавливает скользящую по льду шайбу и направлена против скорости ее движения. Сила — величина векторная.

Для количественного определения силы мы должны уметь ее измерять. Только при этом условии можно говорить о силе как об определенной физической величине.

Законы Ньютона.

Первый закон динамики Исаака Ньютона может быть сформулирован так:

Существуют системы отсчета, называемые инерциальными, относительно которых тело движется прямолинейно и равномерно, если на него не действуют другие тела или действие этих тел скомпенсировано.

Измерение сил.

На практике для измерения сил применяют динамометр. Использование динамометра основано на том, что удлинение пружины прямо пропорционально приложенной к ней силе. Поэтому по длине пружины можно судить о значении силы. 

О силах в механике.

В механике не рассматривается природа тех или иных сил. Не делаются попытки выяснить, вследствие каких физических процессов появляются те или иные силы.

В механике важно лишь знать, при каких условиях возникают силы и каковы их модули и направления, т. е. знать, как силы зависят от расстояний между телами и от скоростей их движения.

В механике в первую очередь имеют дело с тремя типами сил:

1. гравитационными силами;
2. силами упругости;
3. силами трения;

Модули и направления этих сил определяются опытным путем. Важно, что все рассматриваемые в механике силы зависят либо только от расстояний между телами или от расположения частей тела (гравитация и упругость), либо только от относительных скоростей (трение).

СВЯЗЬ МЕЖДУ УСКОРЕНИЕМ И СИЛОЙ.

Возьмем установленную на рельсы тележку с легкими колесами. Сила трения будет сравнительно невелика, а массой колес можно пренебречь по сравнению с массой тележки.

Пусть на тележку действует постоянная сила со стороны нити, к концу которой прикреплен груз. Модуль силы измеряется пружинным динамометром. Эта сила постоянна.

Ускорение тележки можно оценить, измеряя время, затрачиваемое тележкой на прохождение пути s.

Мы знаем, что при действии постоянной силы ускорение тоже постоянно. Поэтому мы можем воспользоваться формулой для равноускоренного движения.

При начальной скорости, равной нулю,

Если на тело одновременно действуют несколько сил, то ускорение тела будет пропорционально геометрической сумме всех этих сил (принципом суперпозиции).

                                              Что такое инерция?                                                                                                                                                                                Согласно механике Ньютона, сила однозначно определяет ускорение тела, но не его скорость. Это нужно очень отчетливо представлять себе. Сила определяет не скорость, а то, как быстро она меняется. Поэтому покоящееся тело приобретает заметную скорость под действием силы лишь за некоторый интервал времени. Ускорение возникает сразу, одновременно с началом действия силы, но скорость нарастает постепенно. Даже очень большая сила не в состоянии сообщить телу сразу значительную скорость. Для этого нужно время.

Чтобы остановить тело, опять-таки нужно, чтобы тормозящая сила, как бы она ни была велика, действовала некоторое время. Именно эти факты имеют в виду, когда говорят, что тела инертны. Пример:

На рисунке изображен массивный шар, подвешенный на тонкой нити. Внизу к шару привязана точно такая же нить. Если медленно тянуть за нижнюю нить, то порвется верхняя нить: ведь на нее действуют и шар своей тяжестью, и сила, с которой мы тянем шар вниз. Однако если за нижнюю нить дернуть, то оборвется именно она.                                                                                                                                         Это легко объяснить.  Когда мы тянем за нить медленно, то шар постепенно опускается, растягивая верхнюю нить до тех пор, пока она не оборвется.

При быстром рывке с большой силой разрывается нижняя нить. Шар получает большое ускорение, но скорость его не успевает увеличиться сколько-нибудь значительно за тот малый промежуток времени, в течение которого нижняя нить сильно растягивается и обрывается. Верхняя нить мало растягивается и остается целой.

• Сила является причиной возникновения не скорости, а ускорения тела. С направлением силы совпадает во всех случаях направление ускорения, но не скорости.
• Установлен главный для динамики факт: ускорение тела прямо пропорционально действующей на него силе.

ВТОРОЙ ЗАКОН НЬЮТОНА. МАССА.

Измерение массы.

Используя второй закон Ньютона, можно определить массу тела, измерив независимо силу и ускорение:

На практике гораздо точнее и удобнее измерять массу иначе, — с помощью весов.

ТРЕТИЙ ЗАКОН НЬЮТОНА.

В третьем законе Ньютона формулируется одно общее свойство всех сил, рассматриваемых в механике: любое действие тел друг на друга носит характер взаимодействия.  Это означает, что если тело А действует на тело В, то и тело В действует на тело А.

Действия тел друг на друга носят характер взаимодействия не только при непосредственном контакте тел. Положите на гладкий стол два сильных магнита разноименными полюсами навстречу друг другу, и вы тут же обнаружите, что они начнут двигаться навстречу друг другу.

Изменения скоростей обоих взаимодействующих тел легко наблюдаются лишь в тех случаях, когда массы этих тел мало отличаются друг от друга. Если же взаимодействующие тела значительно различаются по массе, заметное ускорение получает только то из них, которое имеет меньшую массу.

Формулировка третьего закона Ньютона.

Силы, с которыми тела действуют друг на друга, равны по модулям и направлены по одной прямой в противоположные стороны.

Решить задачи.

1. Какое ускорение приобретет тело массой 500 г под действием силы 0,2 Н?
2. Сила 30 Н сообщает телу ускорение 0,4 м/с. Какая сила сообщит тому же телу ускорение 2 м/с² ?
3. Какую скорость приобретает тело массой 3 кг под действием силы, равной 9 Н, по истечении 5 с?
4. Сколько времени потребуется автомобилю массой 700 кг, чтобы разогнаться из состояния покоя до скорости 72 км/ч, если сила тяги двигателя 1,4 кН?
5. Поезд массой 500 т, трогаясь с места, через 25 с набрал скорость 18 км/ч. Определите силу тяги.
6. Под действием постоянной силы, равной 10 Н, тело движется прямолинейно так, что зависимость координаты тела от времени описывается уравнением х = 3 — 2t + t2. Определите массу тела.
7. Скорость тела массой 2 кг изменяется со временем так, как представлено на графике рисунка.
   
   Найдите силу, действующую на каждом этапе этого движения. Определите по графику, на каком этапе движения тело прошло наибольший путь.