Современная трактовка законов Ньютона

В текущей жизни приходится решать проблемы оперативной доставки грузов любого назначения, что требует соответствующих средств доставки. В разделе «кинематика» были рассмотрены возможные уравнения движения для средств передвижения, включающие характеристики: путь, скорость, ускорение. Однако в указанном разделе не поднимался вопрос о причинах появления ускорения.

Исаак Ньютон первым осознал, одних кинематических характеристик не достаточно для выяснения причин, вызывающих движение тел. На основе обобщения большого числа экспериментальных данных человечество осознало, тела обладают инертностью; они склонны сохранять состояние покоя или приобретённого движения, если на них не действуют другие тела или действие этих тел скомпенсировано. Так появляется первый закон Ньютона, закон инерции, «всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока воздействие других тел не выведет его из этого состояния».

Обобщение большого числа других опытных фактов показало, одинаковые воздействия вызывают у различных тел различные изменения скорости (ускорения). Эти опыты указывали, инертность у тел разная. Если есть свойство тел инертность, характеризующее их способность изменять свою скорость под воздействием других тел, то должна быть физическая величина, являющаяся мерой этого свойства. Ньютон предложил характеризовать это свойство массой. Так появляется первая физическая величина раздела «динамика» масса тела, её символическое обозначение – m (эм). Масса является мерой инертных свойств тела, мерой способности тел изменять свою скорость при воздействии на них других тел.

Масса является не только мерой инертных свойств тела, но и мерой количества вещества, содержащегося в нём. Всякое тело обладает объёмом V, отсюда естественно появляется характеристика плотности вещества тела r. Математически плотность тела запишется: . Из формулы следует, плотность тела показывает, какая масса вещества содержится в единице объёма тела. Единица измерения плотности вещества .

Введение динамической характеристики «масса тела» позволило перейти к количественным измерениям при изучении взаимодействия тел. Многочисленные экспериментальные исследования показали, отношение абсолютных величин ускорений взаимодействующих тел равно обратному отношению их масс. Аналитически это может быть представлено так: . Эта запись читается так: если есть как минимум два тела и эти тела действуют друг на друга, то в результате этого взаимодействия изменяются скорости обоих тел так, что произведение массы первого тела на его ускорение равно произведению массы второго тела на его ускорение: . Эту несколько витиеватую фразу Ньютон предложил заменить введением нового динамического понятия сила; его принято обозначать символом F. Таким образом, когда мы произносим «на тело действует сила», подразумеваем, что есть два тела как минимум, они действуют друг на друга, результатом этого действия является изменение скорости обоих взаимодействующих тел, а произведение их массы на ускорение равны между собой. Второй закон Ньютона в символической записи имеет вид: и является мерой взаимодействия тел, не раскрывая природы силы взаимодействия. Единицей измерения силы является ньютон (Н) 1Н = кг×м/с2. Сила величина векторная, кроме числового значения имеет направление в пространстве. Ускорение, приобретённое телом под действием силы, совпадает с её направлением.

Если тело взаимодействует с несколькими телами, под символом следует понимать равнодействующую нескольких сил: Можно прочувствовать эту запись на себе. Если Вы находитесь на стуле, читая эти строки, то испытываете действие со стороны Земли, направленное вниз. Чувствуете? В то же самое время испытываете действие со стороны стула, направленное вверх. Чувствуете? Что является результатом этого, осознали? Состояние удобства; равновесия. Его можно нарушить, если кто-то уберёт стул. Пробовать не желательно.

Из второго закона Ньютона следует важный вывод, природа сил взаимодействующих тел единая. Кроме того, равенство произведений массы тела на ускорение позволило Ньютону сформулировать третий закон: при взаимодействии тела действуют друг на друга с силами равными по величине и противоположными по направлению, . Хотите проверить? Сжимайте книгу двумя пальцами, усиливая воздействие, и попробуйте почувствовать мышцами пальцев, как она сопротивляется сжатию. Почувствовали, сила действия равна силе противодействия?

Из второго закона динамики следует ещё одна важная динамическая характеристика. Заменим в этом уравнении ускорение через изменение скорости ; здесь – скорость тела в момент начала действия силы , – скорость, которую приобрело тело под действием силы в течение времени Dt. Проведя преобразования в числителе, второй закон Ньютона примет вид: . Произведение массы тела на скорость принято называть импульсом тела (количество движения) и обозначать буквой , ; это величина векторная (почему и куда направлена?). Второй закон динамики может быть преобразован: ; отсюда следует, сила – физическая величина, характеризующая быстроту изменения импульса тела. Если левую и правую части предыдущего равенства привести к общему знаменателю (проделали самостоятельно?), то , то есть импульс силы определяет изменение импульса тела. Такое математическое выражение второго закона динамики является более строгим и привлекается для случаев, когда масса как свойство тел может изменяться вследствие изменения состояния этих тел. В частности, изменение массы тел при движении со скоростями близкими к скорости света . Здесь масса движущегося тела, масса покоящегося тела, скорость движущегося тела, скорость света.

Единицу измерения для импульса тела установите самостоятельно, воспользовавшись формулой . Сделали?

Завершая экскурс в раздел динамики «Современная трактовка законов Ньютона», перечислим его ключевые слова: масса тела, объём, плотность тела, взаимодействие тел, сила, импульс тела, изменение импульса тела, второй закон Ньютона, импульс силы.