Newtons dritte Anwendungen, Experimente und Übungen

Der Newtons drittes Gesetz, auch genannt Handlungsgesetz und Reaktion Er bekräftigt, dass, wenn ein Objekt über einen anderen Kraft ausübt.

Isaac Newton veröffentlichte seine drei Gesetze 1686 in seinem Buch Philosophien Naturalis Principia mathematica oder mathematische Prinzipien der Naturphilosophie.

Eine Weltraumrakete erhält den notwendigen Antrieb dank der ausgewiesenen Gase. Quelle: Pixabay.

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Erläuterung und Formeln

Die mathematische Formulierung von Newtons drittem Gesetz ist sehr einfach:

F₁₂ = -F_{einundzwanzig}

Eine der Kräfte heißt Aktion Und der andere ist das Reaktion. Es ist jedoch notwendig, die Bedeutung dieses Details hervorzuheben: Beide wirken auf verschiedene Objekte. Sie tun es auch gleichzeitig, obwohl diese Terminologie fälschlicherweise darauf hindeutet, dass die Aktion vor und die Reaktion danach erfolgt.

Da Kräfte Vektoren sind, werden sie mit mutig bezeichnet. Diese Gleichung gibt an, dass es zwei Objekte gibt: Objekt 1 und Objekt 2. Die Kraft F₁₂ Es ist derjenige, der Objekt 1 auf Objekt 2 ausübt. Die Kraft F_{einundzwanzig} wird von Objekt 2 auf Objekt 1 ausgeübt. Und das Zeichen (-) weist darauf hin, dass sie sich entgegengesetzt sind.

Wenn das dritte Gesetz von Newton sorgfältig beobachtet wird, gibt es einen wichtigen Unterschied zu den ersten beiden: Während sie sich auf ein einzelnes Objekt berufen, bezieht sich das dritte Gesetz auf zwei verschiedene Objekte.

Und wenn Sie sorgfältig denken, erfordern Interaktionen Gegenstände von Gegenständen.

Deshalb werden die Wirkkräfte und die Reaktion nicht aufgehoben oder ausgeglichen, obwohl sie die gleiche Größe und Richtung haben, aber ansonsten: Sie werden in verschiedenen Körpern angewendet.

Anwendungen

Ballinteraktion - Erde

Hier ist eine sehr tägliche Anwendung einer Interaktion im Zusammenhang mit Newtons drittem Gesetz: einem Ball, der vertikal fällt und die Erde. Der Ball fällt zu Boden, weil die Erde eine Anziehungskraft ausübt, die als Schwerkraft bekannt ist. Diese Kraft lässt den Ball mit einer ständigen Beschleunigung von 9 fallen.8 m/s².

Fast niemand denkt jedoch an die Tatsache, dass der Ball auch eine Anziehungskraft auf der Erde ausübt. Natürlich bleibt die Erde unveränderlich, da ihre Masse viel größer ist als die des Balls und daher eine verabscheuungswürdige Beschleunigung erlebt.

Ein weiteres bemerkenswertes Thema über das dritte Gesetz von Newton ist, dass der Kontakt zwischen den beiden interagierten Objekten nicht erforderlich ist. Es ist offensichtlich mit dem Beispiel, das gerade zitiert wurde: Der Ball nimmt immer noch nicht mit der Erde in Kontakt, aber trotzdem übt er seine Anziehungskraft sowieso aus. Und der Ball auf der Erde auch.

Eine Kraft als Schwerkraft, die synonym wirkt, wenn es den Kontakt zwischen Objekten gibt, als ob es keinen Namen der "Distanzwirkungskraft" gibt. Stattdessen erfordern sie Kräfte wie Reibung und normal, sie erfordern, dass die interagierten Objekte in Kontakt sind, so dass sie als "Kontaktkräfte" bezeichnet werden.

Aus dem Beispiel extrahierte Formeln

Zurück zu den paar Ballobjekten - Erde, die Auswahl der P -Raten für den Ball und T für die Erde und die Anwendung von Newtons zweitem Gesetz auf jeden Teilnehmer an diesem System wird erhalten:

Es kann Ihnen dienen: Diskrete Variable: Eigenschaften und Beispiele

F_resultierend = m.Zu

Das dritte Gesetz besagt, dass:

M_PZu_P = - m_TZu_T

Zu_P = 9.8 m/s² vertikal gerichtet. Da diese Bewegung entlang der vertikalen Richtung stattfindet, kann die Vektornotation (fett) abgegeben werden; Und die Richtung, die die Richtung als positiv und als negativ auszuwählen, haben Sie:

Zu_P = 9,8 m/s²

M_T ≈ 6 x 10 ²⁴ Kg

Unabhängig von der Masse des Balls ist die Beschleunigung der Erde Null. Deshalb wird beobachtet, dass der Ball in Richtung der Erde fällt und nicht umgekehrt.

Betrieb einer Rakete

Die Rockets stellen ein gutes Beispiel für die Anwendung des dritten Gesetzes von Newton dar. Die im Bild zu Beginn gezeigte Rakete steigt dank des Antriebs von heißem Gas bei hoher Geschwindigkeit.

Viele glauben, dass dies geschieht, weil diese Gase die Atmosphäre oder auf dem Boden irgendwie "unterstützen", um die Rakete zu unterstützen und zu schieben. Es funktioniert nicht so.

Wenn die Rakete die Gase ausübt und sie zurück ausstrahlt, üben die Gase eine Kraft auf die Rakete aus, die das gleiche Modul hat, aber entgegengesetzte Richtung. Diese Kraft ist diejenige, die die Rakete mit ihrer Beschleunigung vermittelt.

Wenn Sie von Hand keine Rakete davon haben, gibt es andere Möglichkeiten, um zu überprüfen. Es können Wasserraketen gebaut werden, bei denen der notwendige Schub vom Wasser pro Druckgas angeboten wird.

Es ist zu beachten, dass der Start einer Wasserrakete Zeit in Anspruch nimmt und viele Vorsichtsmaßnahmen erfordert.

Verwendung von Skates

Eine erschwinglichere und unmittelbarere Möglichkeit, die Auswirkungen des dritten Gesetzes von Newton zu überprüfen, besteht darin, ein paar Skates zu setzen und eine Wand zu fördern.

Die meiste Zeit ist die Fähigkeit, mit Objekten in Bewegung Kraft auszuüben, aber die Wahrheit ist, dass unbewegliche Objekte auch Stärke ausüben können. Der Skater wird dank der Kraft, die die bewegungslosen Ausübung darauf ausüben, zurückgefahren.

Kontaktflächen üben Kontaktkräfte (normal) miteinander aus. Wenn ein Buch auf einem horizontalen Tisch getragen wird, übt es eine normale vertikale Kraft darauf aus. Das Buch übt auf der Tabelle eine vertikale Kraft desselben numerischen Wertes und des entgegengesetzten Sinns aus.

Kinderexperiment: Skater

Kinder und Erwachsene können das dritte Gesetz von Newton erleben und überprüfen.

Zwei Skater auf dem Eis oder auf einer sehr glatten Oberfläche können jeweils angetrieben werden.

Betrachten Sie zwei Skater mit ganz anderem Teig. Sie befinden sich inmitten einer Eisbahn mit verabscheuungswürdiger Reibung und ruhen zunächst in Ruhe. In einem bestimmten Moment drücken sie sich gegenseitig, indem sie konstante Festigkeit mit den Handflächen auftragen. Wie wird sich beide bewegen?

Kann Ihnen dienen: Vektor ausbalancieren: Berechnung, Beispiele, ÜbungenZwei Skater werden mitten in einer Eisbahn angetrieben. Quelle: Benjamin Crowell (Wikipedia-Benutzer Bcrowell) [CC BY-SA 3.0 (http: // creativecommons.Org/lizenzen/by-sa/3.0/]]

Es ist wichtig zu betonen, dass die einzigen unausgeglichenen Kräfte die Kräfte sind, die Skater anwenden, da es sich um eine Oberfläche ohne Reibung handelt, die sich gegenseitig anwenden. Während das Gewicht und das Normalwert auf beide wirken, sind diese Kräfte ausgeglichen, was die Skater in vertikaler Richtung beschleunigen würden.

In diesem Beispiel angewendete Formeln

Newtons drittes Gesetz besagt, dass:

F₁₂ = -F_{einundzwanzig}

Das heißt, die von Skater 1 auf der 2 ausgeübte Kraft ist gleich in der Größe, zu der die 2 auf der 1 ausübt, mit der gleichen Richtung und der entgegengesetzten Richtung. Beachten Sie, dass diese Kräfte auf verschiedene Objekte angewendet werden, genauso wie sich die Kräfte auf dem Ball und auf der Erde im vorherigen konzeptionellen Beispiel befanden.

M₁ Zu₁ = -m₂ Zu₂

Da die Kräfte entgegengesetzt sind, werden die Beschleunigungen, die Ursache verursachen, auch sein, aber ihre Größen sind unterschiedlich, da jeder Skater eine andere Masse hat. Schauen wir uns die vom erste Skater erworbene Beschleunigung an:

Wenn die Masse des ersten Skaters größer ist als die des zweiten, wird seine Beschleunigung niedriger sein. Dies ist zu erwarten, weil es eine größere Trägheit hat. Der leichteste Skater erhält eine größere Beschleunigung. Wenn die Massen gleich sind, werden auch die Beschleunigungen sein.

Die Bewegung, die unten auftritt. Im Prinzip waren die Skater in der Mitte der Strecke in Ruhe. Jeder übt eine Kraft auf den anderen aus, die eine Beschleunigung liefert, während die Hände in Kontakt sind und der Schub dauert.

Danach bewegen sich die Skater mit gleichmäßiger gerachter Bewegung voneinander weg, indem sie nicht unausgeglichene Kräfte wirken. Die Geschwindigkeit jedes Skaters ist anders, wenn es sich auch um Massen handelt.

Übung gelöst

Um Probleme zu lösen, bei denen die Gesetze von Newton angewendet werden müssen, ist es notwendig, die Kräfte, die auf das Objekt zu wirken. Diese Zeichnung wird als "freies Körperdiagramm" oder "isoliertes Körperdiagramm" bezeichnet. In diesem Diagramm sollten die Kräfte, die der Körper auf andere Objekte ausübt.

Wenn mehr als ein Objekt an dem Problem beteiligt ist, ist es notwendig.

1- Die Skater des vorherigen Abschnitts haben die jeweiligen Massen m₁ = 50 kg und m₂ = 80 kg. Sie schieben sich mit einer konstanten Kraft von 200 n gegenseitig. Der Schub hat eine Dauer von 0.40 Sekunden. Finden:

a) Die Beschleunigung, die jeder Skater dank des Schubs erworben hat.

b) die Geschwindigkeit jedes einzelnen, wenn sie sich trennen

Lösung

a) Nehmen Sie als horizontale positive Adresse diejenige, die von links nach rechts geht. Die Anwendung von Newtons zweitem Gesetz mit den Werten der Erklärung lautet:

F_{einundzwanzig} = m₁Zu₁

Woher:

Für den zweiten Skater:

b) Um die Geschwindigkeit zu berechnen, die sie gerade tragen, werden die kinematischen Gleichungen der gleichmäßig beschleunigten geradlinigen Bewegung verwendet:

Kann Ihnen dienen: gegenseitige Induktivität: Formel/Koeffizient, Anwendungen, Übungen

Die Anfangsgeschwindigkeit beträgt 0, da sie sich in der Mitte der Strecke in Ruhe befanden:

v_F = At

v_F1 = a₁t = -4 m/s² . 0.40 s = -1.6 m/s

v_F2 = a₂T = +2.5 m/s² . 0.40 s = +1 m/s

Ergebnisse

Wie erwartet erhält Person 1, die leichter ist. Beobachten Sie nun Folgendes über das Produkt des Teigs aufgrund der Geschwindigkeit jedes Skaters:

M₁ v₁ = 50 kg . (-1.6 m/s) = - 80 kg.MS

M₂ v₂ = 80 kg . 1 m/s = +80 kg.MS

Die Summe beider Produkte beträgt 0. Das Produkt der Masse nach Geschwindigkeit wird als Bewegungsmenge P bezeichnet. Es ist ein Vektor mit der gleichen Richtung und dem gleichen Geschwindigkeitsgefühl. Als die Skater in Ruhe waren und ihre Hände in Kontakt waren, konnte angenommen werden, dass sie dasselbe Objekt bildeten, dessen Bewegung war:

P_entweder = (m₁ +M₂) v_entweder = 0

Nach Abschluss des Schubs bleibt die Bewegungsmenge des Skating -Systems 0. Daher bleibt die Bewegungsmenge erhalten.

Beispiele für Newtons drittes Gesetz im Alltag

Gehen

Gehen ist eine der meisten täglichen Aktionen, die ausgeführt werden können. Wenn sorgfältig beobachtet wird, erfordert die Wanderaktion den Fuß gegen den Boden, damit sie eine gleiche und entgegengesetzte Kraft auf den Fuß des Wanderers zurückgibt.

Als wir ständig Newtons drittes Gesetz anwandten. Quelle: Pixabay.

Genau diese Kraft ermöglicht es den Menschen zu laufen. Auf dem Flug üben die Vögel die Luft aus und die Luft drückt die Flügel so, dass der Vogel vorwärts gefahren wird.

Bewegung eines Autos

In einem Auto üben die Räder auf dem Bürgersteig Stärke aus. Dank der Fahrbahnreaktion übt es die Reifenkräfte aus, die das Auto nach vorne fahren.

Sport

In der Sportpraxis sind die Aktions- und Reaktionskräfte zahlreich und haben eine sehr aktive Teilnahme.

Lassen Sie uns zum Beispiel den Athleten mit dem Fuß sehen, der von einem Starterblock unterstützt wird. Der Block liefert eine normale Kraft als Reaktion auf den Schub, den der Athlet darauf ausübt. Das Ergebnis dieser Normalität und des Gewichts des Korridors führt zu einer horizontalen Kraft, die es dem Athleten ermöglicht, vorwärts zu fahren.

Der Athlet benutzt den Starterblock, um beim Ausgang Impuls nach vorne hinzuzufügen. Quelle: Pixabay.

Feuerschläuche

Ein weiteres Beispiel, in dem Newtons drittes Gesetz anwesend ist, sind Feuerwehrleute, die Feuerwehrschläuche halten. Das Ende dieser großen Schläuche hat einen Griff in der Düse, die der Feuerwehrmann bei der Auskunft des Wasserstrahls halten muss, um den Rückschlag zu vermeiden, der auftritt, wenn das Wasser mit voller Geschwindigkeit herauskommt.

Aus dem gleichen Grund ist es bequem.

Verweise

1. Giancoli, d.  2006. Physik: Prinzipien mit Anwendungen. Sechste Ausgabe. Prentice Hall. 80 - 82.
2. Rex, a. 2011. Grundlagen der Physik. Pearson. 73 - 75.
3. Tipler, p. 2010. Physisch. Band 1. 5. Ausgabe. Redaktion zurückgekehrt. 94 - 95.
4. Stern, d. 2002. Astronomen zu Astronaven. Genommen von: pwg.GSFC.Topf.Regierung.