Три закона классической механики Ньютона
Ньютон был величайшим ученым, которому удалось объединить накопленные к тому времени знания о движении физических тел и на этой основе сформулировать простые и удивительно точные законы.
Тела покоящиеся и тела движущиеся
Ученые и мыслители на протяжении многих веков пытались вывести универсальные законы движения, которые были бы применимы к любым объектам, от песчинок до планет, но эта задача казалась неразрешимой. Как же это удалось Ньютону? Он сумел увидеть мир как нечто цельное, состоящее из мельчайших частиц. А все разнообразие этого мира, считал Ньютон, — результат различий в их движении.
Главная идея законов классической механики заключается в том, что тела взаимодействуют друг с другом, и все изменения в их состоянии (уменьшение или увеличение скорости, начало или прекращение движения) зависят от этих взаимодействий.
Уже первый закон, сформулированный Ньютоном, звучал революционно для своего времени. По утверждению ученого, если какой-то объект оставить в покое и не трогать, то он будет продолжать равномерно и прямолинейно двигаться (если до этого двигался) или останется на месте (если до этого был неподвижен). Это называется инерцией. В чем же революционность этого закона? Все предшественники ученого, начиная с Аристотеля, считали, что для постоянного движения нужно постоянное применение силы. Ньютон первым смог доказать, что это не так.
На первый взгляд, наш повседневный опыт опровергает этот закон. Если велосипедист перестанет крутить педали, то его транспортное средство остановится. Это действительно так, но не нужно забывать, что на велосипед воздействуют внешние силы: трение, сопротивление воздуха. Если бы их не было, то велосипед двигался бы по прямой линии бесконечно долго.
Если на объект начнет действовать сила, он изменит свою скорость и направление движения. Это называется ускорением. При помощи таких понятий, как сила и ускорение, можно объяснить движение небесных тел, например обращение Земли вокруг Солнца. То, что планета перемещается по искривленной орбите (то есть меняет направление, отклоняясь от прямой линии), означает, что она движется с постоянным ускорением, направленным к центру орбиты. Сила, которая на нее при этом воздействует, — это сила гравитации.
Законы движения Ньютона справедливы для любых механических систем, от маятника до космической ракеты, и для любых природных объектов, от молекул до звезд.
Яблоко притягивает землю — и наоборот
Чем больше сила, воздействующая на объект, тем большее ускорение он приобретает. Но не все так просто. Если толкнуть пластмассовый кубик, он продвинется достаточно далеко. Если же воздействовать с той же самой силой на кирпич, он переместится всего на пару миллиметров. В чем тут дело, понятно любому: кирпич тяжелее. Так вводится новое понятие— масса. Чем больше масса тела, тем меньше будет его ускорение под воздействием заданной силы. Это и есть второй закон Ньютона. В упрощенной математической форме он выглядит так: F = ma, где F— сила, m— масса, а— ускорение.
Этот закон открыл новые горизонты в физике и естественных науках в целом. Ведь если знать любые две характеристики из формулы, легко можно вычислить третью, будь то скорость падения тела на землю, сила, воздействующая на электрон, или масса небесного объекта.
Действие равно противодействию — это третий закон Ньютона, который находит самые широкие сферы применения. Если какое-либо тело (назовем его телом А) воздействует на тело Б, то тело Б в ответ воздействует на тело А. Причем силы их воздействий имеют противоположное направление. Созревшее яблоко падает на Землю, потому что она притягивает его силой гравитации. Но яблоко тоже притягивает к себе Землю, хотя эта попытка и обречена на провал из-за несопоставимой разницы в массе.
"При изучении наук примеры полезнее правил." Исаак Ньютон