Законы Ньютона. Динамика.

Законы Ньютона. Динамика.

Динамика — раздел механики, изучающий причины движения тел и способы определения их ускорения. В нем движение тел описывается с учетом их взаимодействия.

Большой вклад в развитие динамики внес английский ученый Исаак Ньютон. Он первым смог выделить законы движения, которым подчиняются все макроскопические тела. Эти законы называют законами Ньютона, законами механики, законами динамики или законами движения тел.

Внимание! Законы Ньютона нельзя применять к произвольным телам. Они применимы только к точке, обладающей массой — к материальной точке.

Ньютон – что такое? Ньютон – единица измерения чего?

Физика как наука, которая изучает законы нашей Вселенной, использует стандартную методику исследований и определенную систему единиц измерения. Единицу измерения силы принято обозначать Н (ньютон). Что такое сила, как ее найти и измерить? Давайте изучим этот вопрос более подробно.

Сколько килограммов в одном ньютоне

Прежде чем отвечать на вопрос о количестве килограммов в одном ньютоне, необходимо разобраться с предложенными понятиями с точки зрения общепринятой системы СИ, учитывая, что ньютон является не столько базовой единицей системы СИ, сколько единицей метрической.

Что важнее, лошадиные силы или ньютон-метры

Мысли

Автовладельцы часто меряются характеристиками своих машин. Часто в поле зрения попадают лошадиные силы и ньютон-метры, которые так или иначе определяют мощность двигателя. Считается, что большее количество ньютон-метров наблюдается в автомобилях с дизелем, однако в действительности крутящий момент не менее важен и для бензиновых моторов.

Основное утверждение механики

Для описания движения тела можно взять любую систему отсчета. Обычно для этого используется система отсчета, связанная с Землей. Если какое-то тело меняет свою скорость, рядом с ним всегда можно обнаружить другое тело, которое на него действует. Так, если поднять камень и отпустить, он не останется висеть в воздухе, а упадет вниз. Следовательно, на него что-то подействовало. В данном случае сама Земля притянула камень к себе. Отсюда следует основное утверждение механики:

Основное утверждение механики

Изменение скорости (ускорение) тела всегда вызывается воздействием на него других тел.

Согласно утверждению, если на тело не действуют никакие силы, его ускорение будет нулевым, и оно будет либо покоиться, либо двигаться равномерно и прямолинейно (с постоянной скоростью).

Но в нашем мире мы не всегда это наблюдаем. И этому есть объяснение. Если тело покоится, оно действительно не меняет свою скорость. Так, мяч лежит на траве до тех пор, пока его не пнут. После того, как его пнут, он начинает катиться, но затем останавливается. Пока мяч катится, к нему больше не прикасаются. Казалось бы, согласно основному утверждению механики, мяч должен катиться вечно. Но этого не происходит, потому что на мяч действует сила трения, возникающая между его поверхностью и травой.

Основное утверждение механики можно проиллюстрировать в открытом космосе в месте, где сила притяжения космических тел пренебрежимо мала. Если в космосе придать телу скорость и отпустить, оно будет двигаться с такой скоростью по прямой линии до тех пор, пока на него не подействуют другие силы. Ярким примером служат межгалактические звезды, или звезды-изгои. Гравитационно они не связаны ни с одной из галактик, а потому движутся с постоянной скоростью. Так, звезда HE 0437-5439 удаляется от нашей галактики с постоянной скоростью 723 км/с.

Свободное тело — тело, на которое не действуют другие тела. Свободное тело либо покоится, либо движется прямолинейно и равномерно.

Интересное из истории

Исаак Ньютон – это выдающийся английский ученый XVII века, который внес неоценимый вклад в развитие точных математических наук. Именно он является праотцом классической физики. Ему удалось описать законы, которым подчиняются и громадные небесные тела, и мелкие песчинки, уносимые потоком ветра. Одним из главных его открытий считается закон всемирного тяготения и три основных закона механики, которые описывают взаимодействие тел в природе. Позже и другие ученые смогли вывести законы трения, покоя и скольжения только благодаря научным открытиям Исаака Ньютона.

ньютон что такое

Порядок решения задачи

При решении физических задач значения физических величин измерения массы, представленные в единицах, отличных от единиц массы, необходимо перевести в единицы СИ, т. е. в килограммы.

Перевод осуществляем следующим образом:

  • 1 Н = 1 кг x 1 м/с 2 .

Если рассматривать поставленный вопрос буквально, то ответ будет следующим:

  • 1 кг/1 Н = 1 кг/(1 кг x 1 м/с 2 ) = 1/(1 м/с2) = 1 с 2 /м.

Получаем обратную единицу измерения ускорения. В этом нет здравого смысла.

В чем отличие мощности от крутящего момента

Мощность определяет количество работы, которую можно выполнить за определенный промежуток времени. В автомобильной отрасли эта величина традиционно измеряется в лошадиных силах. Что касается крутящего момента, то он представляет собой силу, которая вращает вал двигателя вокруг оси и измеряется в ньютон-метрах.

На первый взгляд, крутящий момент – не важная характеристика. Так, количество Н/м при движении велосипедиста составляет 130–150 Н/м, что равно значению для автомобиля Skoda Fabia. Несмотря на это, машина движется намного быстрее, поскольку крутящий момент связан с числом оборотов в минуту. Велосипедист способен достичь только 30–40 оборотов, а Skoda – около 3500–4000 оборотов.

Таким образом, крутящий момент оказывается одной из величин, которая напрямую определяет ресурс мотора: Р (кВт) = Крутящий момент (Н/м) х Скорость вращения (об/мин) х 9549

Следовательно, мощность зависит от количества ньютон-метров, и нельзя однозначно делать вывод о том, что какая-либо из этих величин важнее. Если по-простому: момент нужен, например, чтобы открутить крышку бутылки с водой, а мощность – чтобы поднять ее.

Первый закон Ньютона

Исаак Ньютон, изучая движение тел, заметил, что относительно одних систем отсчета свободные тела сохраняют свою скорость, а относительно других — нет. Он разделил их на две большие группы: инерциальные системы отсчета и неинерциальные. В этом кроется первый закон динамики.

Первый закон Ньютона

Существуют такие системы отсчета, называемые инерциальными, относительно которых тела движутся равномерно и прямолинейно или находятся в состоянии покоя, если на них не действуют другие тела или их действие компенсировано.

Примером инерциальной системы отсчета служит система отсчета, связанная с Землей (геоцентрическая). Другой пример — гелиоцентрическая система отсчета (связанная с Солнцем).

Неинерциальная система отсчета — система отсчета, в которой тела могут менять свою скорость при отсутствии на них действия других тел.

Примером неинерциальной системы отсчета служит автобус. Когда он движется равномерно и прямолинейно, стоящие внутри пассажиры находятся относительно него в состоянии покоя. Но когда автобус останавливается, пассажиры падают вперед, т. е. меняют свою скорость, хотя на них не действуют другие тела.

Немного теории

В честь ученого была названа физическая величина. Ньютон – единица измерения силы. Само определение силы можно описать так: “сила – это количественная мера взаимодействия между телами, или величина, которая характеризует степень интенсивности или напряженности тел”.

Величина силы измеряется в ньютонах не просто так. Именно этим ученым были созданы три незыблемых “силовых” закона, которые актуальны и по наши дни. Давайте изучим их на примерах.

В каких случаях важнее высокая мощность

Разумеется, большее значение лошадиных сил непосредственно определяет скорость разгона автомобиля. Полную производительность мотора можно достичь только на больших оборотах, которые редко используются при стандартном вождении, так как подобная нагрузка увеличивает износ двигателя.

Вышеупомянутая Skoda Fabia обладает мощностью 26–32 Квт, причем при уплате транспортного налога водитель должен указать максимальное значение – 63 кВт.

Из всего этого можно сделать вывод: число лошадиных сил важно, если вы не заботитесь о продолжительной эксплуатации мотора, а любите погонять, выжимают педаль газа до предела.

Когда предпочтительнее много ньютон-метров

Крутящий момент, как правило, первостепенно определяет характеристики дизельного двигателя. Количество ньютон-метров в таком моторе больше, поэтому при 2–3 тысячах оборотов мощность составит 42–54 кВт. Такая цифра однозначно превышает значение для бензинового ДВС, при этом общее значение лошадиных сил меньше, что выгодно отразится на транспортном налоге.

В целом, лучше иметь мотор с большим крутящим моментом, который достигается даже на малых оборотах. Такими характеристиками обладают и бензиновые, и дизельные двигатели, так что окончательное решение зависит от потенциального автовладельца.

Второй закон

Он описывает взаимосвязь между силой, действующей на тело, и ускорением, которое оно получает вследствие приложенной силы. Исаак Ньютон при формулировке этого закона впервые использовал постоянную величину массы как меру проявления инерции и инертности тела. Инертностью называют способность или свойство тел сохранять свое первоначальное положение, то есть сопротивляться внешним воздействиям.

 ньютон единица измерения чего

Второй закон часто описывают следующей формулой: F = a*m; где F – это равнодействующая всех сил, приложенных к телу, a – ускорение, получаемое телом, и m – масса тела. Сила в конечном итоге выражается в кг*м/с 2 . Данное выражение и принято обозначать в ньютонах.

Что такое ньютон в физике, определение ускорения каково и как оно связано с силой? Вот на эти вопросы отвечает формула второго закона механики. Следует понимать, что этот закон работает только для тех тел, которые движутся со скоростями, намного меньшими скорости света. При значениях скоростей, близких к скорости света, работают уже немного другие законы, адаптированные специальным разделом физики о теории относительности.

Равнодействующая сила

Иногда на тело действуют несколько сил. Тогда при описании его движения вводится понятие равнодействующей силы.

Равнодействующая сила — векторная сумма всех сил, действующих на тело одновременно.

В этом случае второй закон Ньютона формулируется так:

Второй закон Ньютона через равнодействующие силы

Если на тело действует несколько сил, но их равнодействующая R будет равна произведению массы на ускорение этого тела.

Правила сложения сил и их проекций

Сложение двух сил, направленных вдоль одной прямой в одну сторону

Сложение двух сил, направленных вдоль одной прямой во взаимно противоположных направлениях

Сложение двух сил, перпендикулярных друг к другу

Сложение двух сил, расположенных под углом α друг к другу

Сложение трех сил

Сложение проекций сил

Проекция на ось OY:

Что такое ньютон: единица измерения или физическая величина?

Само определение “ньютон” можно описать следующим образом: “это единица измерения силы”. А в чем же заключается его физический смысл? Итак, исходя из второго закона Ньютона, это производная величина, которая определяется как сила, способная всего за 1 секунду изменить скорость тела массой 1 кг на 1 м/с. Получается, что ньютон – это векторная величина, т. е. она имеет свое направление. Когда мы прикладываем силу к предмету, например толкаем дверь, то мы одновременно задаем и направление движения, которое, согласно второму закону, будет таким же, как и направление силы.

что такое ньютон в физике определение

Если следовать формуле, получается, что 1 Ньютон = 1 кг*м/с 2 . При решении различных задач по механике очень часто требуется перевести ньютоны в другие величины. Для удобства при нахождении тех или иных значений рекомендуется запомнить основные тождества, которые связывают ньютоны с другими единицами:

  • 1 Н = 10 5 дин (дина – единица измерения в системе СГС);
  • 1 Н = 0,1 кгс (килограмм-сила – единица силы в системе МКГСС);
  • 1 Н = 10 -3 стен (единица измерения в системе МТС, 1 стен равен силе, которая сообщает ускорение в 1 м/с 2 любому телу массой в 1 тонну).

Закон всемирного тяготения

Одно из самых важных открытий ученого, перевернувшее представление о нашей планете, это закон тяготения Ньютона (что такое тяготение, читайте ниже). Конечно, и до него были попытки разгадать тайну притяжения Земли. Например, Иоганн Кеплер первым предположил, что не только Земля имеет притягательную силу, но также и сами тела способны притягивать Землю.

что такое ньютон единица измерения

Однако только Ньютону удалось математически доказать взаимосвязь силы тяготения и закона движения планет. После множества проведенных опытов ученый понял, что на самом деле не только Земля притягивает к себе предметы, но и все тела примагничиваются друг к другу. Он вывел закон гравитации, который гласит, что любые тела, включая и небесные светила, притягиваются с силой, равной произведению G (гравитационная постоянная) и масс обоих тел m1*m2, разделенной на R 2 (квадрат расстояния между телами).

Все законы и выведенные Ньютоном формулы позволили создать целостную математическую модель, которая до сих пор используется при исследованиях не только на поверхности Земли, но и далеко за пределами нашей планеты.

 ньютон единица измерения силы

Преобразование единиц

При решении задач следует помнить о стандартных приставках СИ, которые используются в том числе и для “ньютоновских” единиц измерения. Например, в задачах о космических объектах, где массы тел велики, очень часто возникает необходимость упрощать большие значения до меньших. Если при решении получается 5000 Н, то ответ удобнее будет записать в виде 5 кН (килоНьютон). Подобные единицы бывают двух видов: кратные и дольные. Вот самые используемые из них: 10 2 Н = 1 гектоНьютон (гН); 10 3 Н = 1 килоНьютон (кН); 10 6 Н = 1 мегаНьютон (МН) и 10 -2 Н = 1 сантиНьютон (сН); 10 -3 Н = 1 миллиНьютон (мН); 10 -9 Н = 1 наноНьютон (нН).

Оцените статью
Рейтинг автора
4,8
Материал подготовил
Максим Коновалов
Наш эксперт
Написано статей
127
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий