Trzecia zasada dynamiki Newtona – wzajemne oddziaływanie ciał
Dlaczego rakiety mogą się poruszać? Czy zasada ich lotu ma coś wspólnego z pływaniem i chodzeniem? Odpowiedź znajdziesz w reakcji na działanie siły. Siły zawsze występują bowiem parami, jako akcja i reakcja. Ta lekcja pozwoli ci nie tylko odpowiedzieć na postawione wyżej pytania, ale też zrozumieć podstawowe prawo rządzące wszystkimi oddziaływaniami – trzecią zasadę dynamiki Newtona.
podać definicję siły jako miary oddziaływania;
posługiwać się w obliczeniach jednostką siły – niutonem [N];
wymienić rodzaje oddziaływań i przewidzieć skutki, jakie mogą one wywołać;
stwierdzić, że oddziaływania są wzajemne.
podawać treść trzeciej zasady dynamiki Newtona;
podawać przykłady zastosowania tej zasady w życiu codziennym;
opisywać zasadę działania silników: odrzutowego i rakietowego.
1. Wzajemność oddziaływań
W przyrodzie występuje wiele rodzajów oddziaływań, większość z nich poznałeś już w dotychczasowym toku nauki. Należą do nich między innymi oddziaływania grawitacyjne, magnetyczne, elektryczne i sprężyste. Za miarę oddziaływań przyjmujemy wartość siły. Oddziaływania są wzajemne, to znaczy, że jeśli wywołujemy pewną akcję przy użyciu działającej siły, musimy spodziewać się reakcji układu, na który działamy.
Film dostępny na portalu epodreczniki.pl
Na stole dwa identyczne magnesy.Lężą daleko od siebie (wystarczająco daleko by się nie ruszały). Demonstrator (widać tylko ręce) bierze po jednym magnesie do każdej ręki, ustawia je naprzeciw siebie w takiej odległości by siły były już wystarczające.Demonstartor puszcza jednocześnie oba magnesy. Te przesuwają się ku sobie i przywierają do siebie.
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;
dwoje uczniów o zbliżonej masie.
Film dostępny na portalu epodreczniki.pl
Film na temat wzajemności oddziaływań. Dwaj młodzi mężczyźni stoją przodem do kamery, trzymając przed sobą deski. Gdy mowa o sznurze, jeden z nich demonstruje do kamery zwój linki o długości ok. 10 m. Jeden z mężczyzn kładzie deskorolkę na podłodze stawia na niej stopę i lekko, bez wysiłku przesuwa deskę w tę i z powrotem, a następnie się drugą nogą i odjeżdża bez widocznej straty prędkości. W kolejnej scenie mężczyźni stają obiema nogami na deskorolkach, naprzeciwko siebie, w odległości równej długości sznura (~10 m). Jeden z nich trzyma sznur w rękach, a drugi opasuje się sznurem i wiąże nią węzeł ratowniczy. Jeden z nich ciągnie równomiernie linę. Obie deskorolki jadą ku sobie i spotykają się na środku. Obaj mężczyźni wracają na swoje miejsca i tym razem drugi z nich ma linę w rękach, a pierwszy opasuje się liną i wiąże nią węzeł ratowniczy. Kolejny raz obaj wracają na swoje miejsca i na hasło „start” obaj zaczynają ciągnąć linę. Deskorolki podobnie jak poprzednio zbliżają się do siebie. W następnej scenie obaj mężczyźni stoją na deskorolkach blisko siebie, w rękach trzymają długi, prosty drąg. Jeden odpycha drugiego, przekładając dłonie na drągu. Obie deskorolki odjeżdżają od siebie. Po chwili role odwracają się. Podobnie jak poprzednio, mężczyźni trzymają długi, prosty drąg, ale tym razem obaj odpychają się, przekładając dłonie na drągu. Obie deskorolki odjeżdżają od siebie.
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 spośród kolegów i koleżanek z klasy dwie osoby o zbliżonej masie.
Poleć im, by przed przeprowadzeniem doświadczenia założyły ubiór ochronny (kaski i ochraniacze) oraz rolki (wrotki).
Wybrane osoby ustaw naprzeciw siebie w takiej odległości, aby mogły zetknąć ze sobą płasko dłonie.
Niech jedna z osób spróbuje się odepchnąć od drugiej.
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, a siły zostały przyłożone do dwóch różnych ciał.
W celu utrwalenia wiedzy o siłach wzajemnego oddziaływania (akcji i reakcji) obejrzyj poniższy film.
Film dostępny na portalu epodreczniki.pl
Animacja prezentująca poruszanie się układu Ziemia – Księżyc. Pojawiają się dwa wektory o tej samej długości, kierunku i przeciwnych zwrotach leżące na tej samej prostej. Jeden jest przyłożony do środka Księżyca a drugi do środka Ziemi. Następnie pojawia się człowiek pchający ścianę. Postać zapiera się stopami, ma wyprostowane w łokciach ręce, które opierają się o pionową ścianę. Ściana nagle znika a pchająca postać pada na podłogę. W kolejnej scenie pojawia się wektor prostopadły do ściany umieszczony na wysokości dłoni. Na grafice z Ziemią i Księżycem pojawia się migająca strzałka wskaźnikowa. Strzałka wskazuję na punkt przyłożenia czerwonej siły w środku Ziemi. Dodatkowo pojawia się migająca strzałka wskaźnikowa. Strzałka wskazuję na punkt przyłożenia niebieskiej siły w środku Księżyca4c. Następnie ponownie pojawia się postać wraz ze ścianą oraz migającą strzałką wskaźnikową. Strzałka wskazuje na punkt przyłożenia niebieskiej siły w środku ściany, poczym pojawia się migająca strzałka wskaźnikowa wskazująca na punkt przyłożenia czerwonej siły w środku dłoni.
2. Trzecia zasada dynamiki Newtona
Jako pierwszy wzajemność oddziaływań opisał żyjący na przełomie XVII i XVIII wieku angielski uczony Izaak 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.
Film dostępny na portalu epodreczniki.pl
Najazd kamery na stół z przyrządami: szyna, dwa wózki (na końcach mają haczyki), dwa magnesy trwałe (głośnikowe), dwa identyczne siłomierze (o skali i czułości dobranej do siły oddziaływania użytych magnesów), plastelina. Wózki mają na jednym końcu „łoża” pasujące do posiadanych magnesów (mogą być wykonane z modeliny utwardzonej, magnesy w łożach przykleimy później plasteliną). Przy stole stoi dwoje uczniów/demonstratorów: chłopak i dziewczyna. Demonstratorzy pokazuje, że jeden magnes przyciąga znacznie większą kupkę drobnych śrubek (spinaczy biurowych lub tp.) niż drugi. Każdy trzyma jeden magnes nad stosikiem śrubek. Jeden przyciąga znacznie więcej śrubek niż drugi. Uczniowie ustawiają wózki na szynach. Szyna jest pozioma. Puszczają wózki i trochę się oddalają. Najazd kamery na szynę; wózki nie poruszają się. Uczniowie mocują magnesy, każdy na „swoim” wózku. Kamera pokazuje. Uczniowie puszczają wózki będące w niezbyt wielkiej odległości od siebie (trzeba dobrać doświadczalnie). Widać, że wózki ruszają i zaczynają się przybliżać. Uczniowie nie pozwalają na zderzenie tylko łapią wózki. Uczniowie przymocowują siłomierze do wózków. Mogą bezpośrednio zaczepić o haczyki albo użyć nitki. Uczniowie zbliżają wózki do siebie (nie muszą popychać bo przecież się przyciągają). Uczniowie zatrzymują wózki w jakiejś odległości od siebie (takiej by siły były wystarczająco wysokie i wyraźnie wskazywane przez siłomierze). Każdy z uczniów (po kolei) odczytuje głośno wskazania swojego siłomierza, np. 0,25 N. Przy odczytach najazd kamery na skalę siłomierza. Uczniowie przybliżają wózki. Każdy z uczniów (po kolei) odczytuje głośno wskazania swojego siłomierza, np. 0,5 N. Przy odczytach najazd kamery na skalę siłomierza. Każdy z uczniów (po kolei) odczytuje głośno wskazania swojego siłomierza, np. 1 N. Przy odczytach najazd kamery na skalę siłomierza.
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 A działa na ciało B pewną siłą , to ciało B oddziałuje na ciało A 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.
3. Przykłady zastosowania trzeciej zasady dynamiki
Wpływ trzeciej zasady dynamiki Newtona na nasze życie codzienne odczuwamy prawie 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!
Film dostępny na portalu epodreczniki.pl
Animacja przedstawiająca człowieka idącego po poziomym podłożu. 2a. zbliżenie na stopę (i but) nogi znajdującej się aktualnie z tyłu. Po zbliżeniu na stopę, która znajduje się aktualnie z tyłu animaacja się zatrzymuje i powstaje statyczna grafika lub zdjęcie, która będzie uzupełniana kolejnymi elementami. Pojawia się wektor przyłożony do podłogi w miejscu, w którym styka się z nią but. Kierunek poziomy, zwrot w przeciwną stronę niż idzie człowiek. Na grafice pojawia się wektor przyłożony do podeszwy buta, w miejscu, w którym styka się z podłogą, Kierunek poziomy, zwrot w stronę w którą idzie człowiek. Podeszwa buta, szczególnie ta część stykająca się z podłożem zaznaczona jest grubszą kreską. Migająca strzałka wskaźnikowa pokazuje linii styku podeszwy z podłożem. Następnie przedstawiony jest filmik prezentujący demonstratora usiłującego zrobić krok do przodu na tafli lodowiska. Nie przesuwa się do przodu, a po chwili pada na taflę.
Nie moglibyśmy także pływać!
Film dostępny na portalu epodreczniki.pl
Film przedstawiający pływaka w basenie. Energicznymi poruszeniami rąk i nóg, pływak odpycha wodę do tyłu za siebie, ale jednocześnie woda działa siłą reakcji i popycha pływaka do przodu. Pływak przepływa całą długość basenu różnymi stylami.
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.
Dwa identyczne magnesy o masie m = 0,35 kg, jeden leżący na stole, drugi zawieszony na nitce, umieszczono jeden nad drugim. Ile wynosi wartość siły, jaką rozciągana jest nić, na której zawieszony został jeden z magnesów, jeśli ich wzajemne oddziaływanie wynosi 4 N? Oblicz, ile wynosi siła nacisku, jaką wywiera na blat stołu drugi z magnesów?
4. 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) powstała podczas opuszczania przez substancję roboczą dyszy silnika. Napędza ona samolot lub rakietę.
Film dostępny na portalu epodreczniki.pl
Film przedstawiający start i chwilę lotu rakiety, to przechodzi w scenę startu i lotu samolotu z napędem turboodrzutowym. Pojawia się animacja a w miarę monologu lektora pojawiają się objaśnienia w dymkach. Rysunek nie jest statyczny, gdy lektor mówi o pompach paliwa i tlenu to włącza się animacja paliwo i tlen są pompowane do komory spalania (widać jak przepływają), gdy mówi o komorze spalania to widać zapłon pompowanego paliwa i płomienie, gdy mówi o dyszy wylotowej, to widać ruchomy obłok spalin za dyszą. Pojawiają się kolejne dymki (pompy) z objaśnieniami i zaczyna się animacja (pompowanie). Kolejne dymki (komora spalania) kolejne etapy animacji zapłon i palenie się w komorze spalania. Kolejne dymki ( dysza) i kolejne etapy animacji: gazy spalinowe uchodzą przez dyszę. Widać gazy wylatujące i formujący się obok gazu. W miarę monologu lektora pojawiają się objaśnienia w dymkach. Rysunek nie jest statyczny: powietrze jest zasysane z przodu, w komorze spalania zachodzi spalanie, sprężarka i turbina kręcą się a gazy spalinowe uchodzą dyszą wylotową. Po pojawieniu się wszystkich dymków animacja pracuje a lektor wygłasza dalszą część monologu, pojawia się wektor siły.
Podwaliny pod rozwój współczesnej kosmonautyki położył rosyjski uczony polskiego pochodzenia Konstanty CiołkowskiKonstanty Ciołkowski, który opracował teoretyczne podstawy działania silnika rakietowego.
Podaj trzy inne przykłady zastosowania/wykorzystania trzeciej zasady dynamiki Newtona.
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 XVII i XVIII wieku angielski uczony Izaak Newton. Wyniki swoich badań w tym zakresie sformułował w postaci trzeciej zasady dynamiki.
Trzecia zasada dynamiki Newtona głosi, że gdy ciało A działa na ciało B pewną siłą, to ciało B oddziałuje na ciało A 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. Należy jednak pamiętać, że siły się nie równoważą.
Trzecia zasada dynamiki towarzyszy nam na co dzień podczas chodzenia, pływania, wbijania gwoździa w ścianę i wielu innych czynności. Dzięki niej latają samoloty odrzutowe i możliwe są podróże kosmiczne w najbliższym otoczeniu Ziemi.
Artysta cyrkowy wspina się po linie, po stole toczy się kulka.
Wykonaj rysunek przedstawiający siły działające w układzie lina – artysta oraz kulka – stół. Nazwij te siły i zapisz wniosek dotyczący ich wartości, kierunku i zwrotu oraz punkty przyłożenia. Napisz wyjaśnienie, dlaczego te siły się nie równoważą.
Dwa magnesy, z których jeden jest większy od drugiego, przyciągają się wzajemnie. Narysuj siły, jakimi każdy z magnesów działa na drugi. Uwzględnij podczas rysowania relację między wartościami wektorów sił.
Zadania podsumowujące lekcję
Które informacje są prawdziwe, a które fałszywe?
| Prawda | Fałsz | |
| Gdy uderzysz pięścią w ścianę, działając pewną siłą, to ściana będzie działała w tym samym czasie na pięść siłą o takiej samej wartości. | □ | □ |
| Uderzona przez ciebie ściana się nie poruszy, ponieważ siła jej reakcji równoważy siłę działania (akcji). | □ | □ |
| Pływak może poruszać się dzięki temu, że popycha wodę, a woda popycha pływaka. | □ | □ |
Dwa identyczne baloniki są jednakowo naelektryzowane. Co się stanie, gdy powiesimy je obok siebie na sznurkach o tej samej długości?
Wybierz prawidłowe zakończenie zdania:
Dwa baloniki będą się wzajemnie odpychały, tak że
- odchylą się o taki sam kąt od pionu na zewnątrz.
- odchylą się na zewnątrz, ale kąty odchylenia od pionu będą różne.
- odchyli się tylko jeden z baloników.
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.