牛顿的运动定律

牛顿运动定律是经典力学的基础，描述了物体与作用在其上的力之间的关系。

例如，当火箭在发射前静止在发射台上时，火箭和地面会对彼此施加相等和相反的力。在起飞时，或者当火箭进入太空时，燃烧燃料中膨胀的气体会推动火箭前进。然而，不太明显的是，火箭同时推着气体。这些简单的现象遵循牛顿运动定律，尽管作用力可能并不明显，因为力并不总是可见的。

本视频将介绍牛顿运动定律的基础知识，然后通过一系列实验来演示该概念，这些实验测量了各种情况下两个轮式手推车之间的力。

牛顿运动定律由三个关键定律组成。第一定律是最简单的，它指出静止的物体保持静止，除非受到力的作用。同样，除非受到力的作用，否则运动中的物体会保持运动状态。具体来说，如果物体上的合力为零，则无论速度是否为零，物体的速度都是恒定的。但是，施加的力（例如踢球或撞墙）会导致物体的速度发生变化。

牛顿第二定律指出，物体速度的变化率（称为加速度）与施加在其上的力成正比。比例因子是物体本身的质量。

换句话说，如果一个物体正在加速，则它上面有一个净力。该定律与第一定律一致，其中当没有施加净力时，物体速度的变化率（其加速度）为零。

最后，牛顿第三定律指出，两个物体作用在彼此上的力在大小上相等，但在方向上相反

这种行为通常很难理解。例如，当两个质量不同的物体碰撞时，通常假设质量较大的物体比质量较小的物体施加的力更大。然而，力是相等的，也是相反的。

牛顿第三定律通常用这句话来表达，"对于每个动作，都有一个相等和相反的反作用力。具体来说，两个相互作用的物体之间的力称为"作用-反作用力对"，它们的大小相等，方向相反。

但是物体的响应（即它们的加速度）可能不相等。这是因为根据牛顿第二定律，加速度与质量成反比。

考虑一下当一辆非常大的卡车与一辆非常小的汽车相撞时会发生什么。如果作用和反作用力是指它们之间的冲击力，那么作用确实会产生相等且相反的反作用力。但是，由于卡车和汽车之间的质量存在显著差异，因此这些力的影响非常不同。这辆车灾难性地反弹，而更大的卡车几乎没有改变路线。

现在，牛顿运动定律的原理已经介绍完毕，让我们看一下运动物体的行为，并将它们的行为与牛顿第三运动定律联系起来。

以下实验使用两个轮式推车，它们在长而低摩擦的轨道上滑动。

每个推车都配备了一个连接到计算机接口的力传感器，用于记录数据。每个传感器的位置都是为了在碰撞过程中撞击另一辆推车的传感器，或者在另一辆推车在轨道上滑动时推拉另一辆推车的传感器。

在开始碰撞实验之前，必须设置力传感器以进行冲击，并针对预期的力水平进行配置。首先，将橡胶缓冲器拧到每个力传感器的柱塞上。找到力传感器顶部的滑动开关。将此开关设置为每个传感器的 50 牛顿位置。

"Collect"（收集）按钮（看起来像一个绿色箭头）开始数据收集。在每次实验之前，按下此绿色箭头旁边的按钮，将力传感器归零。

然后将两个力传感器归零，然后检查它们以确保每个力传感器的正方向都定义在右侧。用指向右侧的柱塞推入传感器。力读数应为正。

用指向左侧的柱塞推入传感器。力读数应为负数。如果两个力读数都错误，则反转推车的位置。

如果只有一个读数错误，请转到"实验"菜单，然后选择"设置传感器"。选择合适的力传感器，然后选择"Reverse Direction"。

正确配置力传感器后，设备就可以进行第一次实验了，该实验使用同等质量的推车。选择一辆在测试开始时保持静止的手推车。

将两个力传感器归零，然后按下"Collect"按钮开始数据记录。推动并释放另一个推车，使其自行滑动并与固定的推车碰撞。

撞击后，计算机会显示每个传感器记录的"力与时间"的图。峰值力的大小应在 8 到 20 牛顿之间。如果峰值力超出此范围，则重复实验并调整推车的力度。

当质量相等的手推车发生碰撞时，此图显示它们所受的力相等且相反。因为加速度等于力除以质量，所以每辆推车的加速度相同，但方向相反。

第二个碰撞实验重复第一个实验，但使用质量不等的推车。选择一辆静止的推车，并为其加载一个或多个砝码，使其质量为移动推车的 2 到 3 倍。

将两个力传感器归零，按下 "收集 "按钮，然后通过将没有重量的推车推入加重的推车来重复碰撞实验

。当质量较小的移动推车与质量较大的静止推车相撞时，它们会以非常不同的速度反弹。尽管表面上如此，但正如情节清楚地表明的那样，力的大小实际上是相等的。这种行为可能令人困惑，但这是因为质量较小的推车比较大的推车承受更大的加速度，同样是因为加速度等于力除以质量。

接下来，将重物从固定推车转移到移动推车，以反转推车的作用。重复实验，使移动的推车更大，而静止的推车质量更小。将两个力传感器归零，然后按下"收集"按钮。通过将加重的推车推入未加重的推车来重复实验。

与之前的实验一样，由于质量不同，两辆推车的反弹速度截然不同。但是，冲击力仍然具有相同的大小。因此，无论手推车的质量是相等还是不同，碰撞力的大小总是相等的，方向相反的。

牛顿第三运动定律不仅适用于碰撞，也适用于两个物体相互作用的所有情况。

牛顿第三定律也适用于两个物体之间的推拉相互作用。为了检查这种现象，对推车实验进行了修改，将力传感器上的橡胶保险杠替换为钩子，然后将推车钩在一起。触发条件在数据采集软件中也被反转。

当质量相等的推车推拉另一个时，尽管运动方向发生了变化，但力是相等且相反的。当推拉两辆质量不等的手推车时，这种现象仍然成立。

试图了解行星形成的物理学家经常研究碰撞。在这个例子中，尘埃粒子被准备来模拟早期太阳系中的碰撞。粒子被丢弃，并记录它们的碰撞。

碰撞的粒子相互施加力，这些力的大小相等，方向相反。当两个物体都保持完整时，冲击力导致它们反弹。

您刚刚观看了 JoVE 对牛顿运动定律的介绍。您现在应该了解这三个定律的基础知识，以及它们如何描述物体上的运动和力。感谢观看！