1.1: Законы движения Ньютона

1. Ситуации столкновений

1. Вкрутите резиновый бампер (рис. 1) в каждый датчик силы.
2. Установите каждый датчик силы на 50-Н.
3. Обнуляйте датчики силы перед каждым испытанием, нажимая кнопку «Ноль» рядом с зеленой стрелкой, с которой начинается сбор данных.
4. Убедитесь, что положительное направление (т. е. вправо) определено правильно для каждого датчика силы.
   1. Нажмите на датчик силы, установленный справа от тележки; это должно привести к положительным показаниям силы. Нажмите на датчик силы, установленный слева от тележки; Это должно привести к отрицательному показанию силы.
   2. Если оба неправильных варианта, просто измените положение тележки.
5. Если ошибается только один, перейдите в «Меню эксперимента» и выберите «Настройка датчиков». Выберите подходящий датчик силы и выберите «Обратное направление».
6. В первом столкновении участвуют тележки равной массы. Назначьте одну тележку, которая будет находиться в неподвижном состоянии до столкновения. Другой тележке будет придана начальная скорость по направлению к неподвижной тележке, так что вагонетки столкнутся.
7. Нажмите кнопку «Собрать» (зеленая стрелка), прежде чем толкать одну тележку к другой. Слегка толкните одну тележку, отпустите тележку и наблюдайте за столкновением. В типичном испытании следует наблюдать пиковые значения силы в диапазоне от 8 до 20 Н. Отрегулируйте толчок, если значения пиковой силы намного меньше или намного больше этого диапазона.
8. После столкновения компьютер отобразит график зависимости силы от времени, записанный каждым датчиком силы.
   1. Если графики не отображаются, отмените срабатывание.
   2. После нажатия кнопки «Собрать» никакие данные фактически не записываются до тех пор, пока один из датчиков силы не зафиксирует значение выше (или ниже) определенного уровня срабатывания. Однако, если уровень запуска установлен на положительное значение, а датчик силы выдает только отрицательные значения силы или наоборот, компьютер никогда не получит сигнал о необходимости записи данных.
   3. Чтобы проверить, или отменить настройку триггера, нажмите значок "Сбор данных" (сразу слева от кнопки "Ноль") и выберите вкладку "Срабатывание".
9. В этом эксперименте используются два варианта: «Увеличение через 0,2 Н» и «Уменьшение через -0,2 Н». Если один из этих параметров не вызывает необходимого срабатывания, переключитесь на другой.
   1. При втором столкновении масса неподвижной тележки должна быть в 2-3 раза больше массы тележки, которая двигалась до столкновения. Чтобы добиться этого, добавьте в стационарную тележку один или несколько грузов. Повторите процесс (см. шаги ниже).
   2. Назначьте тележку с большей массой так, чтобы она находилась в неподвижном состоянии до столкновения.
   3. Нажмите кнопку «Собрать» и толкните тележку с меньшей массой в сторону тележки с большей массой.
   4. Компьютер отобразит два графика зависимости силы от времени.

При третьем столкновении, тележка, которая движется до столкновения, должна иметь массу в 2-3 раза больше неподвижной тележки. Для этого можно переложить лишний груз с одной тележки на другую. Повторите процесс осуществления столкновения и сбора данных.

2. Ситуации толкания и вытягивания

1. Замените резиновые бамперы на каждом датчике силы на крючки.
2. Соедините тележки вместе, чтобы одна тележка могла толкать или тянуть другую.
3. Измените условие срабатывания, как описано в шаге 1.8.
4. Начните с тележек равной массы.
5. Нажмите кнопку "Собрать".
6. Либо тяните, либо толкайте одну из тележек так, чтобы она тянула или толкала другую тележку соответственно, либо раскачивайте ее вперед и назад так, чтобы происходило и тянение, и толкание.
7. Дайте буксируемой тележке в 2-3 раза больше массы другой тележки. Повторите процесс сбора данных.
   1. Запишите данные о зависимости силы от времени для этого сценария выталкивания/вытягивания.
8. Дайте тележке, которая тянет и/или толкает в 2-3 раза больше массы другой тележки. Повторите процесс сбора данных.
   1. Запишите данные о зависимости силы от времени в этом сценарии выталкивания/вытягивания.

Законы движения Ньютона являются основой классической механики и описывают отношения между объектом и действующими на него силами.

Например, когда ракета находится в покое на стартовой площадке перед запуском, ракета и земля оказывают друг на друга равные и противоположные силы. При взлете или когда ракета находится в космосе, расширяющийся газ от горящего топлива давит на ракету и толкает ее вперед. Менее очевидным, однако, является то, что ракета одновременно отталкивается от газа. Эти простые явления подчиняются законам движения Ньютона, хотя действующие силы могут быть неочевидны, потому что силы не всегда видны.

В этом видео мы познакомимся с основами законов движения Ньютона, а затем продемонстрируем эту концепцию с помощью серии экспериментов, измеряющих силы между двумя колесными тележками в различных ситуациях.

Законы движения Ньютона состоят из трех ключевых законов. Первый закон является самым простым и гласит, что объект, находящийся в покое, остается в покое, если на него не действует сила. Точно так же движущийся объект остается в движении, если на него не действует сила. В частности, если суммарные силы на объекте равны нулю, скорость объекта постоянна, независимо от того, равна она нулю или нет. Однако приложенная сила, такая как удар ногой по мячу или удар о стену, приводит к изменению скорости объекта.

Второй закон Ньютона гласит, что скорость изменения скорости объекта, называемая ускорением, прямо пропорциональна приложенной к нему силе. Коэффициент пропорциональности – это масса самого объекта.

Другими словами, если объект ускоряется, на него действует результирующая сила. Этот закон согласуется с первым законом, согласно которому скорость изменения скорости объекта — его ускорение — равна нулю, когда не приложена результирующая сила.

Наконец, третий закон Ньютона гласит, что силы двух объектов, действующих друг на друга, равны по величине, но противоположны по направлению

. Например, когда сталкиваются два объекта разной массы, часто предполагается, что более массивный объект оказывает большее влияние, чем менее массивный объект. Однако силы равны и противоположны.

Третий закон Ньютона обычно выражается фразой: «На всякое действие есть равное и противоположное противодействие». Если быть точным, то силы между двумя взаимодействующими объектами называются парами «действие-противодействие», которые равны по величине и противоположны по направлению.

Но реакции объектов, то есть их ускорения, могут быть неравны. Это связано с тем, что ускорение обратно пропорционально массе в соответствии со вторым законом Ньютона.

Рассмотрим, что происходит, когда очень большой грузовик сталкивается с очень маленьким автомобилем. Если действие и противодействие относятся к силам удара между ними, то действие действительно вызывает равное и противоположное противодействие. Но из-за существенной разницы в массах между грузовиком и автомобилем эффекты этих сил сильно различаются. Автомобиль катастрофически отскакивает, в то время как гораздо более массивный грузовик почти не меняет курс.

Теперь, когда принципы законов движения Ньютона изложены, давайте посмотрим на поведение движущихся объектов и свяжем их поведение с третьим законом движения Ньютона.

В следующих экспериментах используются две колесные тележки, которые скользят по длинной гусенице с низким коэффициентом трения.

Каждая тележка оснащена датчиком силы, подключенным к компьютерному интерфейсу для записи данных. Каждый датчик расположен таким образом, чтобы ударять по датчику другой тележки во время столкновения или толкать или тянуть датчик другой тележки, когда они скользят по рельсам.

Перед началом экспериментов по столкновению датчики силы должны быть настроены на удар и настроены на ожидаемый уровень силы. Сначала накрутите резиновый бампер на поршень каждого датчика силы. Расположите ползунковый переключатель в верхней части датчика силы. Установите этот переключатель в положение 50 Ньютон для каждого датчика.

Кнопка «Собрать», которая выглядит как зеленая стрелка, запускает сбор данных. Перед каждым экспериментом нажимайте кнопку рядом с этой зеленой стрелкой, чтобы обнулить датчик силы.

Обнулите оба датчика силы, затем проверьте их, чтобы убедиться, что положительное направление для каждого из них определено справа. Нажмите на датчик с помощью поршня, направленного вправо. Показания силы должны быть положительными.

Нажмите на датчик поршнем, направленным влево. Показания силы должны быть отрицательными. Если оба показания силы неверны, то поменяйте местами положение тележек.

Если неверно только одно показание, то перейдите в меню «Эксперимент», и выберите «Настройка датчиков». Выберите подходящий датчик силы и выберите «Обратное направление».

После того, как датчики силы были правильно настроены, аппарат готов к первому эксперименту, в котором используются тележки равной массы. Выберите одну тележку, которая будет неподвижна в начале теста.

Обнулите оба датчика силы, затем нажмите кнопку "Collect", чтобы начать запись данных. Толкните и отпустите другую тележку, чтобы она скользила сама по себе и столкнулась с неподвижной тележкой.

После удара компьютер отображает график зависимости силы от времени, зарегистрированный каждым датчиком. Магнитуды пиковой силы должны составлять от 8 до 20 ньютонов. Если пиковая сила находится за пределами этого диапазона, то повторите эксперимент и отрегулируйте, насколько сильно толкают тележку.

Когда вагонетки с одинаковой массой сталкиваются, этот график показывает, что силы, которые они испытывают, равны и противоположны. Поскольку ускорение равно силе, деленной на массу, каждая тележка ускоряется с одинаковой величиной, но в противоположных направлениях.

Второй эксперимент со столкновением повторяет первый, но с вагонетками разной массы. Выберите одну неподвижную тележку и загрузите ее одним или несколькими грузами так, чтобы ее масса была в 2-3 раза больше массы движущейся тележки.

Обнулите оба датчика силы, нажмите кнопку «Собрать» и повторите эксперимент со столкновением, толкая тележку без грузов в утяжеленную тележку

Когда менее массивная движущаяся тележка сталкивается с более массивной, неподвижной, они отскакивают с очень разной скоростью. Несмотря на видимость, величины сил на самом деле равны, как ясно показывают графики. Такое поведение может сбивать с толку, но это потому, что менее массивная тележка испытывает большее ускорение, чем более массивная, опять же потому, что ускорение равно силе, деленной на массу.

Затем перенесите грузы с неподвижной тележки на движущуюся тележку, чтобы поменять роли тележек. Повторите эксперимент, в котором движущаяся тележка будет более массивной, а неподвижная тележка будет менее массивной. Обнулите оба датчика силы, и нажмите кнопку «Собрать». Повторите эксперимент, толкнув утяжеленную тележку в неутяжелительную.

Как и в предыдущем эксперименте, две тележки отскакивают с очень разной скоростью из-за их разной массы. Тем не менее, силы удара по-прежнему имеют равные величины. Таким образом, независимо от того, имеют ли тележки равные или разные массы, силы столкновения всегда равны по величине и противоположны по направлению.

Третий закон движения Ньютона применим не только к столкновениям, но и ко всем ситуациям, в которых два объекта взаимодействуют.

Третий закон Ньютона также применим к выталкивающим и притягивающим взаимодействиям между двумя объектами. Чтобы изучить это явление, эксперимент с тележкой был модифицирован путем замены резиновых бамперов на датчиках силы на крючки, а затем соединения тележек вместе. Условие срабатывания также было изменено в программном обеспечении для сбора данных.

Когда тележки одинаковой массы толкали и тянули друг друга, силы были равны и противоположны, несмотря на изменение направления движения. Когда две тележки разной массы толкали и тянули, это явление остается верным до сих пор.

Физики, пытающиеся понять образование планет, часто изучают столкновения. В этом примере частицы пыли были подготовлены для моделирования столкновений в ранней Солнечной системе. Частицы были отброшены, а их столкновение зафиксировано.

Сталкивающиеся частицы оказывали друг на друга силы, равные по величине и противоположные по направлению. Когда оба объекта оставались неповрежденными, силы удара заставляли их отскакивать.

Вы только что посмотрели введение JoVE в законы движения Ньютона. Теперь вы должны понять основы трех законов, как они описывают движение и действующие на объекты силы. Спасибо за просмотр!