Trzecia zasada dynamiki Newtona – wzajemne oddziaływanie ciał

RifvJdtOagIKo

Zdjęcie przedstawia pływaka w zbliżeniu podczas zawodów sportowych. Kadr zawiera fragment toru pływackiego ograniczony dwoma poziomymi linami: niebieską w górnej części i żółtą bliższą w dolnej. Pomiędzy linami znajduje się pływak w białym czepku i czarnych goglach płynący dynamicznym kraulem w lewo. Lewą ręką sięga w przód, nad wodą, twarz jego jest zwrócona w stronę obserwatora. Nad wodą znajduje się szyja i połowa górnej części tułowia.

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.

RnUN855bOvBfT

Film o wzajemności oddziaływań.

Film o wzajemności oddziaływań.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/RnUN855bOvBfT

Film o wzajemności oddziaływań.

Wykonajmy doświadczenie.

1

Doświadczenie 1

Doświadczalne potwierdzenie wzajemności oddziaływań.

Co będzie potrzebne

• 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.

Instrukcja

R1YZB98x9VI8X

Film dotyczący wzajemności oddziaływań.

Film dotyczący wzajemności oddziaływań.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1YZB98x9VI8X

Film dotyczący wzajemności oddziaływań.

1. 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.

2. Wybierz dwie osoby o zbliżonej masie.

3. Poleć im, by przed przeprowadzeniem doświadczenia założyły ubiór ochronny (kaski i ochraniacze) oraz rolki, wrotki lub, jak na filmiku wyżej, stanęły na deskorolkach.

4. 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.

5. Niech jedna z osób spróbuje się odepchnąć od drugiej lub - jeżeli wybraliście wariant ze sznurem -  spróbuje przyciągnąć do siebie drugą osobę.

Podsumowanie

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.

R1GWSzpQiw7nm

Zdjęcie przedstawia dwie dłonie przyłożone do siebie ich wnętrzem. Zdjęcie jest zrobione z boku, ręce naciskają na siebie, co dodatkowo zostało zilustrowane przez dorysowanie do nich dwóch wektorów o tej samej długości a przeciwnym zwrocie. Jako, że siły te mają różne punkty przyłożenia, nie równoważą się.

W celu utrwalenia wiedzy o siłach wzajemnego oddziaływania (akcji i reakcji) obejrzyj poniższy film.

R1QXhU5IgW3rt

Film dotyczący zasady akcja‑reakcja.

Film dotyczący zasady akcja‑reakcja.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1QXhU5IgW3rt

Film dotyczący zasady akcja‑reakcja.

Trzecia zasada dynamiki Newtona

Jako pierwszy wzajemność oddziaływań opisał żyjący na przełomie $\text{XVII}$ i $\text{XVIII}$ 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).

Doświadczenie 2

Wykazanie, że wartości sił działania i przeciwdziałania są sobie równe

Co będzie potrzebne

• dwa wózki;

• dwa płaskie magnesy o niewielkich rozmiarach (głośnikowe);

• dwa siłomierze;

• plastelina;

• silna nić lub cienki sznurek.

Instrukcja

R1WUOPyyqENrg

Film przedstawiający instruktaż do doświadczenia.

Film przedstawiający instruktaż do doświadczenia.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1WUOPyyqENrg

Film przedstawiający instruktaż do doświadczenia.

1. Przeprowadź doświadczenie na płaskiej powierzchni, np. na ławce o gładkim blacie lub szynach o odpowiednio dobranym rozstawie.

2. Za pomocą plasteliny zamocuj magnesy na przodzie wózków.

3. Wózki zwrócone do siebie przodem (magnesami) powinny się do siebie przyciągać.

4. Do tylnej części każdego z nich przymocuj nić.

5. Do końców obu nici przymocuj siłomierze.

6. 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.

7. Zatrzymaj wózki w niewielkiej odległości od siebie.

8. Odczytaj wartość siły, którą wskazały siłomierze.

9. Doświadczenie powtórz kilkakrotnie.

Podsumowanie

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.

Trzecia zasada dynamiki nazywana jest często zasadą równej akcji i reakcji.

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!

R1Yufl7JDRIqn

Film ukazujący zależność między spacerem, a trzecią zasadą dynamiki Newtona.

Film ukazujący zależność między spacerem, a trzecią zasadą dynamiki Newtona.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1Yufl7JDRIqn

Film ukazujący zależność między spacerem, a trzecią zasadą dynamiki Newtona.

Nie moglibyśmy także pływać!

R1EJ45f7fdHdj

Film przedstawiający pływaka w basenie.

Film przedstawiający pływaka w basenie.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1EJ45f7fdHdj

Film przedstawiający pływaka w basenie.

Gdy pływający porusza rękami, odpycha od siebie wodę, ale jednocześnie woda popycha go do przodu, wprawiając jego ciało w ruch.

Siły akcji i reakcji w przypadku szklanki stojącej na płaskiej powierzchni

R1aAViWkOsfQb

Pokaz slajdów składający się z: 1. szklanka stojąca na stole, 2. szklanka + wektor F g, 3. szklanka + wektor Fg + wektor Fn, 4. szklanka + wektor Fg + wektor Fn + wektor Fs.

R4FP5DislbJaR

Pokaz slajdów składający się z: 1. szklanka stojąca na stole, 2. szklanka + wektor Fg, 3. szklanka + wektor Fg + wektor Fn, 4. szklanka + wektor Fg + wektor Fn + wektor Fs.

RkOfvPRQEtODR

Pokaz slajdów składający się z: 1. szklanka stojąca na stole, 2. szklanka + wektor Fg, 3. szklanka + wektor Fg + wektor Fn, 4. szklanka + wektor Fg + wektor Fn + wektor Fs.

R1LBh8W0qGjH9

Pokaz slajdów składający się z: 1. szklanka stojąca na stole, 2. szklanka + wektor Fg, 3. szklanka + wektor Fg + wektor Fn, 4. szklanka + wektor Fg + wektor Fn + wektor Fs.

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 $F_g$ i $F_s$ 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.

Ćwiczenie 2

Mamy dwa identyczne magnesy o masie $0,5\mathrm{kg}$. 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 $4\mathrm{N}$? Ile wynosi siła nacisku, jaką wywiera na blat stołu drugi z magnesów? Przyjmij przyspieszenie grawitacyjne równe $10\,\frac{\text{m}}{\text{s}^2}$.

R1eqSFs5gSgBH

Grafika przedstawiająca dwa magnesy sztabkowe, jeden wiszący u góry na nitce, drugi położony na stole, w pewnej odległości pod pierwszym. Biegun północny magnesu wiszącego na nitce znajduje się nad biegunem południowym magnesu położonego na stole.

R1WHAAmlK8y8G3

Uzupełnij luki w odpowiedzi, wpisując odpowiednie liczby. Odpowiedź: Wartość siły naciągu nici wynosi $F_n=$Tu uzupełnij$\mathrm{N}$. Wartość siły nacisku na stół wynosi $F_{}=$Tu uzupełnij$\mathrm{N}$

Uzupełnij luki w odpowiedzi, wpisując odpowiednie liczby. Odpowiedź: Wartość siły naciągu nici wynosi $F_n=$Tu uzupełnij$\mathrm{N}$. Wartość siły nacisku na stół wynosi $F_{}=$Tu uzupełnij$\mathrm{N}$

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.

Rn8fiTgdMUL3S

Film dotyczący silnika odrzutowego i rakietowego.

Film dotyczący silnika odrzutowego i rakietowego.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/Rn8fiTgdMUL3S

Film dotyczący silnika odrzutowego i rakietowego.

Podwaliny pod rozwój współczesnej kosmonautyki położył rosyjski uczony polskiego pochodzenia Konstanty CiołkowskiKonstanty 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 $\text{XVII}$ i $\text{XVIII}$ 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 $\mathrm{A}$ działa na ciało $\mathrm{B}$ pewną siłą, to ciało $\mathrm{B}$ oddziałuje na ciało $\mathrm{A}$ siłą o tej samej wartości, tym samym kierunku, lecz przeciwnym zwrocie. Siły te nie mogą się równoważyć, ponieważ przyłożone są do dwóch różnych ciał.

  $${\overrightarrow{F}}_{\mathrm{A}\mathrm{B}}=-{\overrightarrow{F}}_{\mathrm{B}\mathrm{A}}$$

• 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 Ciołkowski19.09.1935Kaługa, Rosja17.09.1857Iżewskoje, Rosja

R10k5QyV2BF7I

Na zdjęciu jest widoczny Konstanty Ciołkowski. Zdjęcie jest czarno‑białe, mężczyzna na nim przedstawiony jest w podeszłym wieku, nosi okulary. Ma wąsy i długą brodę oraz wysokie czoło.

Konstanty Ciołkowski

1857.09.17 Iżewskoje, Rosja – 1935.09.19 Kaługa, Rosja

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.