Законы Ньютона в механике¶
Законы Ньютона — три фундаментальных закона классической механики, устанавливающие связь между силой, массой и движением тела. Сформулированы английским физиком и математиком Исааком Ньютоном в труде «Математические начала натуральной философии» (лат. Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica), изданном в 1687 году. Законы лежат в основе ньютоновской (классической) механики и применимы к движению тел со скоростями, значительно меньшими скорости света, в инерциальных системах отсчёта.
¶Первый закон (закон инерции)
Первый закон Ньютона утверждает: существуют такие системы отсчёта, в которых тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если на него не действуют силы либо действие сил скомпенсировано. Такие системы отсчёта называются инерциальными.
Исторически закон опирался на наблюдения Галилео Галилея, установившего, что для поддержания движения не требуется постоянное внешнее воздействие. Ньютон обобщил эти представления, введя понятие силы как причины изменения движения, а не самого движения.
Свойство тел сохранять скорость при отсутствии внешних воздействий называется инерцией, а мера этого свойства — инертная масса. Первый закон фактически постулирует существование инерциальных систем отсчёта, относительно которых формулируются остальные законы.
¶Второй закон (основной закон динамики)
Второй закон Ньютона связывает ускорение тела с действующей на него силой и массой:
F = m·a
где F — вектор равнодействующей всех сил, приложенных к телу, m — масса тела, a — вектор ускорения. В более общей форме закон записывается через импульс: F = dp/dt, где p = m·v — импульс тела. Эта формулировка справедлива и для тел с переменной массой.
Из второго закона следуют важные выводы:
- ускорение прямо пропорционально приложенной силе и обратно пропорционально массе;
- направления силы и ускорения совпадают;
- при равнодействующей силе, равной нулю, ускорение отсутствует, что согласуется с первым законом.
В Международной системе единиц (СИ) сила измеряется в ньютонах (Н): 1 Н — сила, сообщающая телу массой 1 кг ускорение 1 м/с².
¶Третий закон (закон действия и противодействия)
Третий закон Ньютона гласит: два тела действуют друг на друга с силами, равными по модулю, противоположными по направлению и направленными вдоль одной прямой:
F₁₂ = −F₂₁
Силы при этом приложены к разным телам, поэтому они не уравновешивают друг друга. Закон объясняет, например, отдачу при выстреле, реактивное движение, взаимодействие тел при столкновениях.
¶Границы применимости
Законы Ньютона выполняются в инерциальных системах отсчёта для тел, движущихся со скоростями, много меньшими скорости света. При скоростях, близких к скорости света, применяется специальная теория относительности; в микромире — квантовая механика. В неинерциальных системах отсчёта вводятся силы инерции (например, центробежная сила, сила Кориолиса), формально дополняющие второй закон.
¶Значение и применение
Законы Ньютона — основа инженерных расчётов в механике, астрономии, технике. На них опираются:
- расчёт движения транспортных средств, летательных аппаратов, космических зондов;
- баллистика и артиллерийское дело;
- строительная механика и сопротивление материалов;
- небесная механика — предсказание движения планет, открытие Нептуна;
- теория упругости, гидродинамика, теория колебаний.
В России законы Ньютона изучаются в школьном курсе физики (обычно 9–10 класс) и составляют базовый раздел вузовских курсов теоретической механики и общей физики.
¶Интересные факты
- Ньютон ввёл понятия абсолютного пространства и времени, которые позднее были пересмотрены в теории относительности.
- Второй закон в форме через импульс универсален и используется в релятивистской механике.
- Третий закон иногда называют «законом Ньютона о равенстве действия и противодействия».
- Законы сформулированы на латыни; русские переводы «Начал» выполнены А. Н. Крыловым.
Источники: И. Ньютон, «Математические начала натуральной философии»; учебники общей физики (И. В. Савельев, Д. В. Сивухин); энциклопедические словари по физике.