Второй закон Ньютона

В первом законе Ньютона рассматривалось тело, находящееся бесконечно далеко от всех остальных тел Вселенной. Такое тело не может изменить свою скорость относительно Солнца и удаленных звезд и потому сохраняет относительно них либо свое состояние покоя, либо состояние равномерного и прямолинейного движения.

Мы будем связывать систему отсчета с Землей. Рассматривая движение тел вблизи ее поверхности, можно заметить, что скорость тел относительно Земли изменяется лишь тогда, когда на них начинают действовать другие тела. Проиллюстрируем это несколькими примерами.

Толкая вагонетку, ее приводят в движение (рис. 10). В этом случае скорость вагонетки изменяется под действием руки человека.

Опустим на воду пробку, на которой лежит железная скрепка. Магнит, притягивая скрепку, приводит ее и пробку в движение (рис. 11). В этом случае магнит — то тело, которое изменяет скорость скрепки и пробки.

При действии руки на шар витки пружины начинают двигаться, и пружина сжимается (рис. 12, а). Отпустив ее, мы увидим, как пружина, распрямляясь, приводит в движение шар (рис. 12, б). Сначала действующим телом здесь была рука человека. Затем действующим на шар телом стала пружина.

Во всех приведенных примерах причиной изменения скорости тела (и, следовательно, появления у него ускорения) было действие, оказываемое на него другими телами.

Мерой этого действия является векторная физическая величина, называемая силой.

Если сила к телу не приложена (F=0), то это означает, что никакого действия на него не оказывается, и потому скорость такого тела относительно Земли (а также относительно любой другой инерциальной системы отсчета) будет оставаться неизменной. Если же, наоборот, сила F ≠ 0, то тело испытывает некоторое воздействие и его скорость будет изменяться. Ускорение, которое приобретает при этом тело, зависит как от приложенной силы, так и от массы данного тела. Напомним, что масса m характеризует инертность тела.

Связь между ускорением, силой и массой выражает второй закон Ньютона:

Произведение массы тела на его ускорение равно силе, с которой на него действуют окружающие тела.

Математически второй закон Ньютона записывается в виде следующей формулы:

Если к телу (материальной точке) приложено несколько сил, то под F в формуле (8.1) следует понимать их равнодействующую. Когда равнодействующая F приложенных к телу сил равна нулю, скорость тела относительно Земли остается неизменной. Если же эта равнодействующая отлична от нуля, то у тела появляется ускорение, направление которого совпадает с направлением равнодействующей силы.

Выразим из второго закона Ньютона ускорение. Получаем:

Отсюда можно вывести два следствия:

1. Чем больше сила, приложенная к данному телу, тем больше его ускорение и, следовательно, тем быстрее изменяется скорость движения этого тела.
2. Чем больше масса тела, тем меньшее ускорение оно получает в результате действия данной силы и потому тем медленнее изменяет свою скорость.

На основании второго закона Ньютона вводится единица силы — ньютон (1 Н). 1 Н — это сила, с которой нужно действовать на тело массой 1 кг, чтобы сообщить ему ускорение 1 м/с².

На практике применяются и другие единицы силы, например килоньютон и миллиньютон:

1кН= 1000 Н, 1 мН = 0,001 Н.

Второй закон Ньютона иногда называют основным законом динамики. После его открытия стало возможным решать такие задачи о движении тел, которые до Ньютона казались неразрешимыми. Многие, казавшиеся ранее непонятными явления теперь были объяснены на основе ясных и четких законов физики.

После выхода «Математических начал натуральной философии» теория Ньютона стала быстро распространяться по всей Европе. Сочинение Ньютона переводилось на многие языки. Популярность новой теории стала столь велика, что даже были организованы женские курсы «Ньютонизм для дам».

О том, как встретили современники Ньютона его гениальный труд, можно судить из следующих слов его издателя: «Едва ли можно передать словами, сколько света, сколько величия в этом превосходном сочинении нашего знаменитейшего автора. Его величайший и счастливейший гений разрешил такие труднейшие задачи и достиг таких пределов, что не было и надежды, что человеческий ум в состоянии до них возвыситься».

1. Что является причиной изменения скорости тел? Приведите примеры. 2. Мерой чего является сила? 3. Сформулируйте второй закон Ньютона. 4. Что можно сказать о скорости и ускорении тела, к которому не приложена никакая сила (F = 0)? 5. Какие два следствия вытекают из второго закона Ньютона? 6. Как называется единица силы?