Перший закон Ньютона.Інертність.

Цей закон також має назву закону інерції або принципу Галілея. Строге його формулювання в сучасному викладі таке:

• Існують такі системи відліку, в яких центр мас будь-якого тіла, на яке не діють ніякі сили або рівнодійна діючих на нього сил дорівнює нулю, зберігає стан спокою або рівномірного прямолінійного руху, допоки цей стан не змінять сили, застосовані до нього.

Цей закон є спеціальним випадком другого закону Ньютона (дивись нижче), але його значення полягає в тому, що він визначає системи відліку, в яких справедливі наступні два закони. Ці системи відліку мають назву інерційних або Галілеєвих, тобто таких, які рухаються зі сталою швидкістю одна відносно іншої.

Будь-яке тіло під дією деякої сили змінює стан свого руху (чи відносного спокою) не миттєво. Немиттєвість зміни стану руху тіла під дією сили є проявом інертності тіла.
Інертність — це властивість тіл зберігати незмінною свою швидкість за умови відсутності зовнішньої дії. Явище збереження тілом при цьому своєї швидкості називається інерцією.

Й закон Ньютона як виміряти силу?

Прискорення матеріальної точки прямо пропорційне силі, яка на неї діє, та направлене в сторону дії цієї сили

Математично це формулювання може бути записано так:

або

, якщо m — константа.

де

• F — сила, яка діє на тіло
• m — маса тіла
• a — прискорення
• v — швидкість
• m v — імпульс, який також позначається як

Це рівняння фактично означає, що чим більша за абсолютним значенням сила буде прикладена до тіла, тим більшим буде його прискорення. Параметр m або маса в цьому рівнянні — це насправді коефіцієнт пропорційності, який характеризує інерційні властивості об'єкта.

У рівнянні F = m a прискорення може бути безпосередньо виміряне, на відміну від сили. Тому цей закон має сенс, якщо ми можемо визначити силу F безпосередньо. Одним з таких законів, який визначає правило обчислення гравітаційної сили, є закон всесвітнього тяжіння.

Третій закон Ньютона.Межі застосувань.

Формулювання:

Сили, що виникають при взаємодії двох тіл, є рівними за модулем і протилежними за напрямом.

Математично це записується так

,

де — сила, що діє на перше тіло з боку другого тіла, а — навпаки, сила, що діє з боку першого тіла на друге тіло.

Суперечливого формулювання «на всяку дію є рівна протидія» слід уникати.

Закон у сформульованій формі є справедливим для усіх фізичних сил, хоча існують деякі особливості формулювання цього закону в застосуванні до сил електромагнітного поля.

Вимірювання сил.

Приборы для измерения силы называют динамометрами (от греческого слова: динамис - сила, метрео - измеряю).
Устройство простейшего (пружинного) динамометра основано на сравнении любой силы с силой упругости пружины. Можем попробовать сделать самостоятельно простейший динамометр. На дощечке, оклеенной белой бумагой, укрепляют пружину, заканчивающуюся внизу стержнем с крючком. К верхней части стержня прикрепляют указатель. Положение указателя отмечают на бумаге при нерастянутой пружине, - это нулевое деление, затем к крючку подвешивают груз массой 100 г. на этот груз действует сила тяжести 1 Н. Под влиянием силы 1 Н пружина растянется, указатель опустится вниз. Новое его положение отмечают на бумаге и около этой отметки ставят цифру 1. Затем, подвешивают груз 200 г и ставят отметку 2 и так далее. В качестве грузов мы можем использовать любой подручный материал с известной массой. Хотя бы даже печенье в пачках, конфеты, йогурты и много другое, на что хватит фантазии.
Проградуированная пружина и будет простейшим динамометром (проградуировать прибор - значит снабдить его шкалой с делениями).
Динамометрами можно измерить, конечно, не только силу тяжести, но и другие силы: силу трения, силу упругости и другие.
Для измерения мускульной силы руки при сжатии кисти в кулак применяют ручной динамометр - силомер.
Для измерения больших сил, например силы тяги трактора, используют специальные тяговые динамометры. Ими можно измерять силы до нескольких десятков тысяч ньютонов.

 

Закон всесвітнього тяжіння.

Зако́н всесві́тнього тяжі́ння — фізичний закон, що описує гравітаційну взаємодію в рамках Ньютонівської механіки. Закон стверджує, що сила притягання між двома тілами (матеріальними точками) прямо пропорційна добутку їхніх мас, і обернено пропорційна квадрату відстані між ними.

Закон всесвітнього тяжіння сформулював Ісаак Ньютон у 1687 році у трактаті «Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica».

У математичній формі закон всесвітнього тяжіння записується для матеріальних точок у вигляді:

,

де — сила, що діє на друге тіло (матеріальну точку) з боку першого тіла, G — гравітаційна стала, m ₁ та m ₂ — маси першого та другого тіла, відповідно, — вектор, що сполучає перше тіло з другим. r ₁₂ — відстань між тілами.

Для абсолютної величини сили:

.

Сила притягання, що діє на перше тіло з боку другого тіла однакова за модулем і направлена протилежно:

.

Стала G, яку називають гравітаційною сталою, однакова для всіх тіл, тобто є фундаментальною фізичною константою.

Закон всесвітнього тяжіння справедливий і застосовний для більшості фізичних задач. Однак, він має свої обмеження. Принциповим обмеженням Ньютонівського закону є те, що він спирається на принцип далекодії, тобто, виходячи з нього взаємодія передається від одного тіла до іншого моментально. Сучасна фізика використовує принцип близькодії, за яким будь-яка взаємодія може передаватися тільки зі скінченною швидкістю.

У загальній теорії відносності гравітаційне поле описується викривленою метрикою простору-часу. Ньютонівський закон виводиться із загальних рівнянь Енштейна у разі слабкого гравітаційного поля, на далеких відстанях від масивних тіл. Поблизу масивних тіл необхідний точніший розв'язок.

Гравітаційна стала.

Відповідно до закону всесвітнього тяжіння, сила притягування між двома тілами пропорційна добутку їх мас і обернено пропорційна квадрату відстані між ними.

Стала пропорційності називається , гравітаційною сталою, універсальною гравітаційною сталою, сталою Ньютона та G велике. Гравітаціна стала — це фізична стала, що з'являється у Ньютоновому законі всесвітнього тяжіння і Ейнштейновій загальній теорії відносності.

Гравітаційна стала можливо найскладніше вимірюється з усіх фізичних сталих. У 2006 році, CODATA рекомендував таке значення гравітаційної сталої в одиницях СІ:

м³ кг^-1 с^-2[1]

Н м² кг^-2

см³ г^-1 с^-2

У природній системі одиниць розумно покласти гравітаційну сталу рівній одиниці.

Вперше гравітаційну сталу виміряв Генрі Кавендіш за допомогою вигаданих ним крутильних терезів. Відтоді точність вимірювань зросла лише незначно. Складності вимірювання зумовлені слабкістю гравітаційної взаємодії в порівнянні із електромагнітною.

Сила тяжіння.

Вивчаючи рух небесних тіл і падіння тіл в земних умовах, Ньютон встановив закон всесвітнього тяжіння, згідно якому матеріальні точки притягуються одна до одної з силою F, пропорційної їх масам m₁ і m2 і обернено пропорційної квадрату відстані r між ними:

Закон справедливий також для випадків взаємодії куль і взаємодії великої кулі з малим тілом. При цьому під г слід розуміти відстань між центрами кульок. Коефіцієнт γ = 6,67^. 10^-11 м³/(кг ^. сек²) був визначений експериментально і названий гравітаційною постійною. Згідно формулі (6), гравітаційна постійна рівна вираженою в ньютонах силі тяжіння міждвома точковими масами в 1 кг кожна, що знаходяться на відстані 1 м один від одного.

З формули (6) виходить, що сили тяжіння величезні для небесних тіл і нікчемні для молекул, атомів і інших елементарних частинок. Так, сила тяжіння між Землею і Місяцем має порядок 10²⁰ н, а між двома майже дотичними (r = 3 ^. 10^-8 см) молекулами кисню — порядок 10^-32 н.

Тяжіння між тілами здійснюється через простір, який, здавалося б, не заповнений ніяким матеріальним середовищем. Проте таке уявлення привело б до ідеалізму — до необхідності приписати здійснення взаємодії між тілами якомусь духовному початку. Згідно матеріалістичної філософії, взаємодія між матеріальними тілами може здійснюватися тільки матеріальним посередником. В даному випадку таким посередником є гравітаційне поле (поле сили тяжіння).

Гравітаційне поле є особливий вид матерії, за допомогою якого здійснюється взаємне тяжіння тел. Формально гравітаційне поле можна визначити як простір, в якому діють гравітаційні сили. Проте при цьому треба виразно уявляти, що поле матеріальне.

Все сказане повністю відноситься і до іншого виду взаємодії через простір — до електромагнітної взаємодії, яка буде розглянута пізніше. Взагалі сучасна фізика вважає, що існує два види матерії: речовина і поле. Властивості поля істотно відрізняються від властивостей речовини. Якщо речовина схильна дії деякого поля, то і саме воно здатне створювати таке поле. Тому всяку взаємодію тіл через простір можна схематично представити таким чином: перше тіло створює поле, яке діє на друге тіло; у свою чергу друге тіло діє своїм Шолом на перше тіло. Взаємостосунки поля з речовиною (частинками) досліджені ще далеко не достатньо.

Вивчення цих взаємостосунків складає одну з найважливіших проблем сучасної фізики. Повертаючись до закону всесвітнього тяжіння і застосовуючи його до випадку взаємодії земної кулі з тілами, розташованими поблизу земної поверхні, одержимо:

 

де М — маса Землі, R — її радіус, т — маса тіла, h — його висота над земною поверхнею. Оскільки R»h, той вираз сили тяжіння тіл до Землі можна представити у вигляді:

 

З іншого боку де g — прискорення вільного падіння тіл поблизу земної поверхні. З формул (7) і (8) слідує, що оскільки γ, М і R — постійні величини. Таким чином, із закону всесвітнього тяжіння виходить, що поблизу Землі всі тіла падають з однаковим прискоренням g ≈ 9,8l м/сек².

Строго кажучи, завдяки обертанню Землі навкруги своєї осі величина прискорення g не є постійною, а дещо змінюється залежно від широти і висоти місця. Приведене значення g відповідає широті 45° на рівні моря.

Вага тіла.Перевантаження.

Вага́ — сила, з якою тіло діє на горизонтальну опору або на вертикальний підвіс внаслідок впливу сили тяжіння цього об'єкта. У гравітаційному полі Землі можна вважати з деяким наближенням, що вага тіла зв'язана з його масою співвідношенням F = mg, де F — вага, g — стала прискорення вільного падіння на Землі, а m — маса тіла.

Як будь-яка сила, вага в системі СІ вимірюється в ньютонах, в системі СГС — в динах. Однак в багатьох областях техніки ще збереглося використання кілограм-сили. Вага вимірюється також у позасистемних з означення ваги, як сили, з якою тіло діє на опору, тобто сили реакції, вага тіла залежить від його прискорення. Наприклад, у ліфті, що рушає вгору, вага тіла збільшується на величину прискорення ліфта, а у ліфті, який спускається додолу, вага тіла зменшується на величину прискорення. Тіло, яке вільно падає з висоти, втрачає вагу. Такий стан називається невагомістю.

Відповідно, вага залежить від значення прискорення вільного падіння. Коливання прискорення вільного падіння в межах Землі невелике, але на інших небесних тілах, вага тіла з однаковою масою може сильно змінюватися. Наприклад, на Місяці вага тіл зменшується приблизно в шість разів.

Вага тіла, зануреного в рідину, зменшується на вагу витісненої рідини (закон Архімеда).

одиницях — фунтах, унціях, гранах. Оскільки ці історичні одиниці встановилися давно, вони застосовуються однаковою мірою як до маси так і ваги.

Невагомість.

Невагомість — стан тіла, при якому відсутня внутрішня напруга, обумовлена силою тяжіння. Хоча термін нульова гравітація часто використовується як синонім, невагомість на орбіті не є результатом відсутності сили тяжіння чи навіть її значного зменшення (фактично, сила тяжіння Землі на висоті 100 км тільки на 3 % менше ніж на поверхні). Причина невагомості полягає в тому, що сила тяжіння надає тілу і його опорі однакове прискорення. Цей висновок істинний для всіх тіл, які рухаються тільки під дією сили тяжіння.