Объекты сопротивляются изменениям

Первый закон Ньютона

Объект в покое остаётся в покое, а объект в движении остаётся в движении с одной и той же скоростью и в одном и том же направлении — если на него не действует неуравновешенная сила.

Это свойство называется инерция. Всё во вселенной сопротивляется изменению своего движения.

Книга, лежащая на столе, будет лежать там вечно, если её не толкнуть. Шайба хоккея, скользящая по льду без трения, скользила бы вечно по прямой линии, если её не остановить.

Это было революционным. До Ньютона люди предполагали, что объекты естественным образом замедляются. Ньютон понял, что замедление не является естественным — это происходит только из-за сил, таких как трение и сопротивление воздуха.

Инерция в повседневной жизни

Вы испытываете инерцию каждый день

Ремни безопасности существуют из-за инерции. Когда автомобиль внезапно останавливается, вы не останавливаетесь вместе с автомобилем — ваше тело продолжает двигаться вперёд с первоначальной скоростью автомобиля. Ремень безопасности — это неуравновешенная сила, которая останавливает вас.

Трюк со скатертью работает из-за инерции. Тарелки находятся в покое и сопротивляются движению. Если вы протянете скатерть достаточно быстро, трение не будет иметь времени, чтобы ускорить тарелки, и они останутся на месте.

Мяч для футбола на земле остаётся совершенно неподвижным, пока его кто-нибудь не пинает. Он не имеет желания двигаться, нет тенденции к движению. Он полностью безразличен.

Сила равна массе, умноженной на ускорение

Второй закон Ньютона

Сила равна массе, умноженной на ускорение: F = ma

Это самое полезное уравнение во всей физике. Оно говорит вам три вещи одновременно:

1. Чем больше силы вы приложите к объекту, тем больше он ускоряется (ускоряется, замедляется или меняет направление).

2. Чем больше массы имеет объект, тем меньше он ускоряется при одной и той же силе.

3. Если вы знаете любые два из трёх значений — силу, массу или ускорение — вы можете рассчитать третье.

Масса — это количество материи, содержащейся в объекте. Она измеряется в килограммах.

Ускорение — это то, как быстро меняется скорость. Оно измеряется в метрах в секунду в квадрате (м/с²).

Сила измеряется в ньютонах (Н) — да, единица названа в его честь.

Применение F = ma

Толкание тележек

Подумайте об этом сценарии: вы находитесь в продуктовом магазине. Вы толкаете пустую тележку для покупок, и она легко катится. Затем вы заполняете тележку тяжёлыми продуктами и толкаете с той же силой.

На каждое действие есть равное противоположное противодействие

Третий закон Ньютона

На каждое действие есть равное и противоположное противодействие.

Это означает, что силы всегда существуют парами. Вы не можете толкать без того, чтобы вас не толкали в ответ.

Когда вы идите, ваша ступня толкает землю назад, и земля толкает вас вперёд. Это толчок вперёд — это то, что вас движет.

Когда ракета запускается, она не толкается против земли или воздуха. Она выбрасывает горячий газ вниз с огромной скоростью, и газ толкает ракету назад с равной силой — вверх.

Когда вы плывёте, ваши руки толкают воду назад, и вода толкает вас вперёд.

Силы всегда равны по величине и противоположны по направлению. Всегда.

Прыжок на Земле

Вопрос, который ломает мозг

Когда вы прыгаете, ваши ноги толкают Землю вниз. По третьему закону Ньютона, Земля толкает вас вверх с равной силой — это то, что запускает вас в воздух.

Но вот странная часть: если вы толкаете Землю вниз, а Земля толкает вас вверх, то силы равны. Вы летите вверх. Значит, Земля должна двигаться вниз.

Всемирное тяготение

Закон всемирного тяготения Ньютона

Ньютон понял, что та же сила, которая заставляет яблоко падать с дерева, — это та же сила, которая удерживает Луну на орбите вокруг Земли.

Каждый объект с массой притягивает каждый другой объект с массой. Сила притяжения зависит от двух вещей:

1. Масса: более массивные объекты притягивают сильнее.

2. Расстояние: объекты, находящиеся на большем расстоянии, притягивают слабее. Сила уменьшается с квадратом расстояния — в два раза дальше означает одну четверть притяжения.

Вес против массы

Масса — это количество материи в вас. Она не меняется независимо от того, где вы находитесь.

Вес — это сила гравитации, действующей на вашу массу. Она меняется в зависимости от того, где вы находитесь.

На Луне у вас одна и та же масса, но вес в шесть раз меньше, потому что гравитация Луны слабее.

Почему Луна не падает?

Она падает — постоянно. Но она также движется в сторону так быстро, что к моменту, когда она падает немного, поверхность Земли изогнулась под ней. Она продолжает падать и продолжает промахиваться. Вот что такое орбита: падение и постоянное отсутствие земли.

Невесомость, но не без гравитации

Головоломка космической станции

Астронавты на Международной космической станции плывут так, как будто они невесомы. Вы, вероятно, видели видео — они кувыркаются, вода образует плавающие капли, и ничего не падает.

Вот удивительный факт: МКС обращается примерно в 400 км над Землёй. На такой высоте гравитация всё ещё примерно на 90% сильнее, чем на поверхности.

Законы Ньютона в реальном мире

Силы в инженерии и спорте

Каждая структура, транспортное средство и спорт на Земле подчиняются законам Ньютона.

Мосты должны уравновешивать все силы, чтобы оставаться неподвижными (первый закон). Инженеры рассчитывают вес трафика (второй закон) и обеспечивают, чтобы каждая опора толкала назад с равной силой (третий закон).

Ракеты работают исключительно по третьему закону — выбрасывают массу в одном направлении, чтобы ускориться в другом. В космосе нет воздуха, чтобы толкаться против. Выхлоп идёт вниз; ракета идёт вверх.

Спорт — это прикладная физика. Бейсбольная бита передаёт силу мячу (второй закон). Спринтер толкает назад на стартовые блоки, а блоки толкают его вперёд (третий закон). Шайба хоккея скользит по льду с минимальным трением, демонстрируя первый закон.

Каждый раз, когда инженер проектирует автомобиль, мост или космический корабль, он решает уравнения Ньютона.

Физика в вашем любимом спорте

Ваш ход

Теперь примените то, что вы выучили.