Закони на Нютон
🛰️ Почти 2000 години хората вярват на Аристотел: за да се движи едно тяло, нещо трябва постоянно да го бута. Количката спира, щом престанеш да я буташ – нали? Сондата „Вояджър 1“ е изстреляна през 1977 г. Двигателите ѝ отдавна не я тласкат напред, а тя продължава да лети с около 17 km/s и вече е на повече от 20 милиарда километра от нас – главно по инерция. През 1687 г. Исак Нютон обяснява защо: движението не се нуждае от сила. Сила е нужна, за да се промени движението. Количката спира заради триенето, а в празното пространство няма какво да спре „Вояджър“.
1. Първи закон: инерция
Първи закон на Нютон (закон за инерцията)
Свойството на телата да запазват скоростта си се нарича инерция, а мярката за него е масата. Затова в спиращ автобус пътниците „падат“ напред – никой не ги бута, просто тялото им продължава да се движи, докато автобусът спира под тях.
Законът не важи във всяка . В спиращия автобус пътникът се ускорява напред без видима причина. Системите, в които законът важи, се наричат инерциални. За повечето задачи Земята е достатъчно добра инерциална система – както и всяко тяло, което се движи спрямо нея равномерно праволинейно.
2. Втори закон: сила и ускорение
Силата има големина и посока – тя е вектор. Ако на тялото действат няколко сили, ги заместваме с една – тяхната равнодействаща, която е векторната им сума (виж Вектори).
Втори закон на Нютон
Пример
На тяло с маса 2 kg действат сила 6 N на изток и сила 8 N на север. Какво е ускорението му?
- Силите са перпендикулярни:
- по посока на равнодействащата – на североизток, на около 53° от изток
Вторият закон свързва силите с кинематиката от урока Праволинейно движение: намираме от силите, а после от него – скоростта и положението.
3. Трети закон: действие и противодействие
Трети закон на Нютон
Когато ходиш, ти буташ Земята назад, а тя теб – напред. Ракетата изхвърля газове назад, а те я бутат напред. Как тогава конят тегли каруцата, щом каруцата го дърпа назад със същата сила? Дали конят ще ускори, зависи само от силите върху коня: земята го бута напред (той се отблъсква с копитата), а каруцата – назад. Ако първата е по-голяма, конят ускорява.
Пример
Две деца на кънки, с маси 40 kg и 60 kg, се отблъскват едно от друго. По-лекото получава ускорение 3 m/s². Какво е ускорението на другото?
- По третия закон силите са равни:
- в обратна посока – по-масивното дете ускорява по-малко.
4. Силите в механиката
Тегло и маса
Откъде идва – от закона за всеобщото привличане, подробно в урока Гравитация. Освен тежестта в механиката срещаме:
- нормална реакция – сила от опората, перпендикулярна на повърхността; тя е толкова, колкото е нужно, за да не „потъне“ тялото в опората;
- сила на опън – по въже или нишка; лекото въже предава силата без промяна;
- еластична сила – при малки деформации е пропорционална на удължението (закон на Хук);
- сила на триене – действа по повърхността и пречи на плъзгането.
Закон на Хук
Сила на триене
Пример
На пружина с окачваме тяло с маса 0,5 kg. С колко се разтяга пружината?
- В равновесие
5. Как се решават задачи: наклонена равнина
Рецепта
На наклон с ъгъл разлагаме тежестта на съставяща по наклона и перпендикулярна . Перпендикулярно тялото не се движи, затова . Тялото се плъзга, ако , т.е. ако .
tg α = 0,47 > μ – триенето не стига и блокът се плъзга с a = g(sin α − μ cos α).
💡 Тежестта (лилаво) се разлага на две съставящи (пунктир): по наклона и перпендикулярно на него. Нормалната реакция N уравновесява перпендикулярната, а триенето (червено) се противопоставя на плъзгането. Масата е 2 kg, но ускорението от нея не зависи. За простота коефициентът на триене при покой и при плъзгане е един и същ.
Пример
Блок се плъзга по наклон от 30° с коефициент на триене 0,2. Какво е ускорението му?
- По наклона:
- Масата се съкращава – тежкият и лекият блок се плъзгат еднакво.
6. Свързани тела
Когато телата са свързани с въже, пишем втория закон за всяко поотделно. Неизвестни са общото ускорение и опънът на въжето.
Машина на Атууд
Опънът е между двете тегла: 19,6 N < T < 29,4 N. Ускорението е g · (m₁ − m₂)/(m₁ + m₂) – много по-малко от g.
💡 Въжето и макарата са леки, а триенето пренебрегваме. Джордж Атууд построява такава машина през 1784 г., за да „забави“ падането и да може да го измери – идеята е същата като наклона на Галилей.
Пример
В машина на Атууд и . Намерете ускорението и опъна.
- – пет пъти по-малко от
- – между и
7. Тегло в асансьор и безтегловност
Везната не мери масата, а силата, с която я натискаш. Ако асансьорът ускорява нагоре, подът трябва да те бута по-силно, за да ускорява и теб: . Затова в потеглящ нагоре асансьор „натежаваш“, а в потеглящ надолу – „олекваш“.
Тегло при ускорение
При потегляне нагоре и спиране при слизане везната показва повече, при равномерно движение – колкото в покой.
💡 Везната мери силата, с която я натискаш – тя е равна на нормалната реакция N. От втория закон N − mg = ma, т.е. N = m(g + a), където a е положително нагоре. Масата ти не се променя, променя се само показанието.
Пример
Човек с маса 60 kg стои на везна в асансьор, който ускорява нагоре с 2 m/s². Колко показва везната?
- Везната дели на : вместо 60 kg.
Космонавтите на Международната космическа станция също са в безтегловност, въпреки че там е само с около 10% по-малко от това на Земята: станцията и всичко в нея непрекъснато „падат“ около Земята.
8. Тренажор
Пресметни исканата величина. Десетичните отговори въвеждай като 2,5.
9. Силите около нас
🚗 Сила на двигателя
Кола с маса 1200 kg ускорява равномерно от 0 до 100 km/h за 10 s. Каква е равнодействащата сила, която я ускорява?
🛷 Шейна
Дете тегли шейна с маса 15 kg по хоризонтален сняг с постоянна скорост. Въжето е хоризонтално, а коефициентът на триене е 0,1. С каква сила тегли детето? ()
🛗 Везна в асансьора
Човек с маса 60 kg стои на везна в асансьор, който потегля нагоре с ускорение 1,5 m/s². Колко килограма показва везната? ()
🌙 На Луната
Космонавт със скафандъра си има маса 80 kg. Колко е теглото му на Луната, където ? А масата му?
🧳 Динамометър
Пружината на ръчен кантар за багаж има коефициент на еластичност 500 N/m. С колко сантиметра се разтяга, когато на нея виси чанта от 4 kg? ()
⛷️ Скиор
Скиор се спуска по склон с наклон 20°. Коефициентът на триене между ските и снега е 0,05. С какво ускорение се движи, ако пренебрегнем въздуха? ()
Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.
10. ⚠️ Чести грешки
Маса и тегло
✗ „Тежа 60 kg“ – теглото е 60 kg
✓ масата е 60 kg, а силата на тежестта –
Действие и противодействие
✗ двете сили се уравновесяват
✓ действат на различни тела и не се събират
Движение без сила
✗ щом тялото се движи, има сила по посоката на движението
✓ при постоянна скорост равнодействащата е нула
Триене при покой
✗ винаги
✓ в покой триенето е колкото е нужно, но не повече от
Нормалната реакция
✗ винаги
✓ на наклон , в асансьор
Свързани тела
✗
✓ – ускорява се общата маса
11. 🎯 Бърз тест
Равнодействащата на силите върху едно тяло е нула. Какво е вярно?
12. 📝 Задачи за упражнение
Ниво А· Областен кръг
Ниво В· Национален кръг
Ниво С· Международна олимпиада
13. Обобщение
- ✓ I закон: без равнодействаща сила скоростта не се променя; масата е мярка за инерцията
- ✓ II закон: , където е векторната сума на всички сили;
- ✓ III закон: силите на взаимодействие са равни и противоположни и действат на различни тела
- ✓ Тежест , закон на Хук , триене при плъзгане , при покой – до
- ✓ Наклон: ; плъзга се при ; машина на Атууд
- ✓ Тегло при ускорение ; при – безтегловност
💡 Интересен факт
Един нютон е приблизително теглото на малка ябълка от около 100 g. Историята, че ябълка паднала на главата на Нютон, най-вероятно е измислица. Според спомените на приятеля му Уилям Стъкли самият Нютон разказвал само, че падаща в градината ябълка го навела на мисълта за гравитацията. В двора на родната му къща в Улсторп и днес расте ябълково дърво, за което се смята, че е същото.