Trzecia zasada dynamiki Newtona – wzajemne oddziaływanie ciał
Fizyka towarzyszy nam na co dzień, a jej zasady umożliwiają nam wykonywanie podstawowych czynności. Za każdym razem gdy wbijasz gwoździe, uderzasz ręką o stół czy rozbijasz szybkę w telefonie, poznajesz doświadczalnie trzecią zasadę dynamiki Newtona. Każda akcja bowiem pociąga za sobą reakcję, a siły występują parami.
co to jest siła i jaka jest jej jednostka;
jakie są rodzaje oddziaływań i ich skutki;
jak stwierdzić, że oddziaływania są wzajemne.
Ich opracowanie znajdziesz materiałach:
Siła jako miara oddziaływań. Równowaga sił. Siła wypadkowa. Wyznaczanie siły wypadkowejSiła jako miara oddziaływań. Równowaga sił. Siła wypadkowa. Wyznaczanie siły wypadkowej;
Rodzaje oddziaływań i ich skutki. Wzajemność oddziaływańRodzaje oddziaływań i ich skutki. Wzajemność oddziaływań.
podawać treść trzeciej zasady dynamiki Newtona;
podawać przykłady zastosowania tej zasady w życiu codziennym;
opisywać zasadę działania silników: odrzutowego i rakietowego.
Wzajemność oddziaływań
W przyrodzie występuje wiele rodzajów oddziaływań. Należą do nich między innymi oddziaływania grawitacyjne, magnetyczne, elektryczne czy sprężyste. Oddziaływania opisują przyczynę pewnych zjawisk, zaś ich miarą bardzo często jest wartość siły, jaką wywierają na obiekt w ich zasięgu. Oddziaływania są wzajemne, to znaczy, że jeśli wywołujemy pewną akcję przy użyciu działającej siły, musimy spodziewać się reakcji układu, na który działamy.
Wykonajmy doświadczenie.
Doświadczalne potwierdzenie wzajemności oddziaływań.
dwie pary łyżworolek, wrotek lub dwie deskorolki;
para kasków ochronnych na głowę;
dwie pary ochraniaczy na łokcie i kolana;
gładkie podłoże;
dwie osoby o zbliżonej masie.
Przeprowadź doświadczenie na płaskiej, gładkiej powierzchni, np. na asfaltowym boisku szkolnym lub sali gimnastycznej, tak aby w pobliżu nie znajdowały się żadne przedmioty (ściany, kamienie), które mogą stanowić zagrożenie w razie upadku.
Wybierz dwie osoby o zbliżonej masie.
Poleć im, by przed przeprowadzeniem doświadczenia założyły ubiór ochronny (kaski i ochraniacze) oraz rolki, wrotki lub, jak na filmiku wyżej, stanęły na deskorolkach.
Wybrane osoby ustaw naprzeciw siebie w takiej odległości, aby mogły zetknąć ze sobą płasko dłonie lub analogicznie jak na filmiku, niech trzymają w pewnej odległości dwa końce sznurka.
Niech jedna z osób spróbuje się odepchnąć od drugiej lub - jeżeli wybraliście wariant ze sznurem - spróbuje przyciągnąć do siebie drugą osobę.
Mimo, że tylko jedna z osób w parze podziałała siłą na drugą, skutki tego oddziaływania odczuły obie osoby. Jeśli masy ich ciał były porównywalne, to porównywalna była również odległość, na jaką każda z nich się przesunęła. Przeprowadzone doświadczenie pozwala wyciągnąć wniosek, że jeśli jedno ciało działa na drugie pewną siłą (akcja), to drugie ciało oddziałuje na pierwsze siłą reakcji, która ma ten sam kierunek, lecz przeciwny zwrot. Siły akcji i reakcji nie równoważą się, ponieważ ich punkty przyłożenia są inne - siły zostały przyłożone do dwóch różnych ciał.
W celu utrwalenia wiedzy o siłach wzajemnego oddziaływania (akcji i reakcji) obejrzyj poniższy film.
Trzecia zasada dynamiki Newtona
Jako pierwszy wzajemność oddziaływań opisał żyjący na przełomie i wieku angielski uczony Isaac Newton, który wyniki swoich badań w tym zakresie sformułował w postaci trzeciej zasady dynamiki. W czasach mu współczesnych nie znano jeszcze wszystkich typów oddziaływań. Okazało się jednak, że trzecia zasada dynamiki ma charakter uniwersalny i dotyczy również tych ich rodzajów, które odkryto znacznie później (np. oddziaływań jądrowych).
Wykazanie, że wartości sił działania i przeciwdziałania są sobie równe
dwa wózki;
dwa płaskie magnesy o niewielkich rozmiarach (głośnikowe);
dwa siłomierze;
plastelina;
silna nić lub cienki sznurek.
Przeprowadź doświadczenie na płaskiej powierzchni, np. na ławce o gładkim blacie lub szynach o odpowiednio dobranym rozstawie.
Za pomocą plasteliny zamocuj magnesy na przodzie wózków.
Wózki zwrócone do siebie przodem (magnesami) powinny się do siebie przyciągać.
Do tylnej części każdego z nich przymocuj nić.
Do końców obu nici przymocuj siłomierze.
Przy pomocy kolegi lub koleżanki nie pozwól zbliżyć się do siebie wózkom, ciągnąc za końce siłomierzy. Staraj się, aby siłomierze były (o ile to możliwe) ustawione równolegle do powierzchni blatu.
Zatrzymaj wózki w niewielkiej odległości od siebie.
Odczytaj wartość siły, którą wskazały siłomierze.
Doświadczenie powtórz kilkakrotnie.
Oba siłomierze w naszym doświadczeniu wskazały te same wartości sił. Wózki przyciągały się wzajemnie siłami o tej samej wartości, kierunku, ale o przeciwnych zwrotach. Były to siły działania i przeciwdziałania pochodzące od magnesów (siły magnetyczne). Siły przyłożone były do dwóch różnych magnesów, a więc nie mogły się równoważyć.
Gdy ciało działa na ciało pewną siłą , to ciało oddziałuje na ciało siłą o tej samej wartości, tym samym kierunku, lecz przeciwnych zwrotach. Siły te nie mogą się równoważyć, ponieważ przyłożone są do dwóch różnych ciał.
Trzecia zasada dynamiki nazywana jest często zasadą równej akcji i reakcji.
Każdej akcji towarzyszy reakcja równa co do wartości i kierunku, lecz przeciwnie zwrócona. Należy jednak pamiętać, że siły te nie równoważą się.
Przykłady zastosowania trzeciej zasady dynamiki
Wpływ trzeciej zasady dynamiki Newtona na nasze życie codzienne odczuwamy przy każdej czynności, którą wykonujemy. Przy wbijaniu gwoździ młotek odskakuje, skok z dużej wysokości może spowodować uszkodzenie stopy. Przykładów można by podać znacznie więcej. Gdyby nie zjawiska opisywane trzecią zasadą dynamiki Newtona, nie bylibyśmy w stanie chodzić, spacerować czy biegać!
Nie moglibyśmy także pływać!
Gdy pływający porusza rękami, odpycha od siebie wodę, ale jednocześnie woda popycha go do przodu, wprawiając jego ciało w ruch.
Na szklankę stojącą na stole działa siła ciężkości, która jest źródłem siły nacisku wywieranej przez dno szklanki na powierzchnię blatu stołu. Siła nacisku zawsze jest prostopadła do powierzchni, na którą naciska ciało. Zgodnie z trzecią zasadą dynamiki stół odpowiada reakcją na nacisk szklanki, siłą o tym samym kierunku i wartości co siła nacisku, lecz przeciwnym zwrocie. Siła ta ma związek ze sprężystością blatu i – jak widzisz – jest przyłożona do szklanki. Siły i równoważą się, ponieważ mają ten sam kierunek, te same wartości, przeciwne zwroty i są przyłożone do tego samego ciała. Ciało pozostaje w spoczynku – szklanka spoczywa na blacie stołu.
Mamy dwa identyczne magnesy o masie . Jeden leży na stole, a drugi jest zawieszony na nitce tak, że wisi on nad pierwszym magnesem. Ile wynosi wartość siły, z jaką rozciągana jest nić, na której zawieszony został jeden z magnesów, jeśli ich wzajemne oddziaływanie wynosi ? Ile wynosi siła nacisku, jaką wywiera na blat stołu drugi z magnesów? Przyjmij przyspieszenie grawitacyjne równe .
Silniki odrzutowe i rakietowe
Na podstawie trzeciej zasady dynamiki działają silniki odrzutowe, które znalazły powszechne zastosowanie w współczesnym lotnictwie, a ich odmiana – silniki rakietowe – w kosmonautyce. Silniki tego typu wykorzystują zjawisko odrzutu substancji roboczej, będącej produktem spalania paliwa. Siła reakcji (siła ciągu) powstaje podczas opuszczania przez substancję roboczą dyszy silnika. Napędza ona samolot lub rakietę.
Podwaliny pod rozwój współczesnej kosmonautyki położył rosyjski uczony polskiego pochodzenia Konstanty CiołkowskiKonstanty Ciołkowski, który opracował teoretyczne podstawy działania silnika rakietowego.
Fizyka sportu
Sportowcy podczas każdego swojego startu wykorzystują prawa fizyki. Często nie zdajemy sobie sprawy z tego, jak fizyka pomaga im osiągnąć dużo lepsze wyniki. Jeśli chcesz wiedzieć więcej, zobacz na ilustrację interaktywną poniżej.
Podsumowanie
W przyrodzie występuje wiele rodzajów oddziaływań, ale wszystkie można opisać za pomocą sił. Wielkość siły jest miarą oddziaływania. Oddziaływania są wzajemne, to znaczy jeśli wywołujemy pewną akcję za pomocą działającej siły, musimy się spodziewać reakcji ciała, na które działamy.
Fakt, że oddziaływania są wzajemne, dostrzegł żyjący na przełomie i wieku angielski uczony Isaac Newton. Wyniki swoich badań w tym zakresie sformułował w postaci trzeciej zasady dynamiki.
Trzecia zasada dynamiki Newtona głosi, że gdy ciało działa na ciało pewną siłą, to ciało oddziałuje na ciało siłą o tej samej wartości, tym samym kierunku, lecz przeciwnym zwrocie. Siły te nie mogą się równoważyć, ponieważ przyłożone są do dwóch różnych ciał.
Trzecią zasadę dynamiki Newtona nazywamy też zasadą akcji i reakcji. Każdej akcji towarzyszy reakcja równa co do wartości i kierunku, lecz o przeciwnym zwrocie. Pamiętać należy o tym, że siły te nie równoważą się.
Trzecia zasada dynamiki towarzyszy nam na co dzień podczas chodzenia, pływania, wbijania gwoździa w ścianę i wielu innych czynności. Dzięki niej między innymi latają samoloty odrzutowe i możliwe są podróże kosmiczne w najbliższym otoczeniu Ziemi.
Zadania podsumowujące lekcję
Biogram
Konstanty Ciołkowski
Pomysły techniczne sformułowane przez Ciołkowskiego stanowią podstawę działania wszystkich – historycznych i współczesnych – silników rakietowych, rakiet i statków kosmicznych. Ciołkowski opracował model sterowca, zbudował pierwszy w Rosji tunel aerodynamiczny i podał teoretyczne podstawy funkcjonowania silnika rakietowego na paliwo ciekłe.