Билет 4

1. Вы уже знаете, что второй закон Ньютона устанавливает зависимость ускорения одного из взаимодействующих тел от его массы и действующей на него силы. Однако в результате взаимодействия каждое тело приобретает ускорение, и, следовательно, на каждое из взаимодействующих тел действует сила.

Например, в описанном в § 12 опыте (см. рис. 43) каждая тележка в результате взаимодействия приобретала ускорение и, следовательно, на каждую тележку действовала сила.

Взаимодействуют и лежащая на горизонтальном столе книга и стол. Книга действует на стол с силой P, приложенной к столу и направленной вертикально вниз, и деформирует его (рис. 48). В столе возникает сила упругости, и он действует на книгу с силой Fупр, направленной вертикально вверх и приложенной к книге.

Ударив по столу рукой, можно ощутить взаимодействие тел. При этом рука действует на стол с некоторой силой, а болезненное ощущение, возникающее в руке, свидетельствует о том, что и со стороны стола на руку также действовала некоторая сила.

2. Выясним, как соотносятся между собой силы, с которыми действуют друг на друга взаимодействующие тела. Для этого закрепим в штативе один над другим два демонстрационных динамометра (рис. 49, а). К верхнему динамометру подвесим магнит, а на столик нижнего динамометра положим стальной брусок. Установим стрелки динамометров на нуль. Приблизим магнит и брусок друг к другу (рис. 49, б). Мы увидим, что они притянутся, а стрелки динамометров отклонятся от нуля.

Показания динамометров позволяют сделать следующие выводы: при взаимодействии магнита и бруска сила действует как на брусок, так и на магнит; модуль силы, действующей на брусок, равен модулю силы, действующей на магнит; силы, действующие на магнит и на брусок, направлены в противоположные стороны.

3. Эти выводы можно получить, выполнив математические преобразования. В § 12 опытным путем было установлено, что при взаимодействии двух тел отношение модулей их ускорений равно обратному отношению масс = , или m1a1 = m2a2.

Поскольку ускорения, которые получают тела при взаимодействии, направлены в противоположные стороны, то можно записать

m1a1 = –m2a2.

Но в соответствии со вторым законом Ньютона m1a1 = F1 — сила, действующая на первое тело, а m2a2 = F2 — сила, действующая на второе тело. Следовательно,

F1 = –F2.

Это равенство выражает третий закон Ньютона:

тела действуют друг на друга с силами, равными по модулю и направленными в противоположные стороны.

Эти силы направлены вдоль прямой, соединяющей взаимодействующие тела (материальные точки).

4. Третий закон Ньютона показывает, что силы всегда появляются парами. Эти силы часто называют силами действия и противодействия. При этом безразлично, какую из двух сил назвать силой действия, а какую, силой противодействия.

Следует отметить, что силы действия и противодействия приложены к разным телам и поэтому не компенсируют друг друга. Так, в рассмотренном опыте (см. рис. 49) сила F1 приложена к магниту, а сила F2 — к бруску.

Силы, которые возникают при взаимодействии тел, являются силами одной природы. Например, если тело взаимодействует с Землей, то Земля действует на него с силой тяготения и тело действует на Землю с силой тяготения. Лежащая на столе книга действует на стол с силой упругости, и стол действует на книгу также с силой упругости.

5. Третий закон Ньютона так же, как первый и второй законы, выполняется в инерциальных системах отсчета.

При переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой не изменяются ни ускорение, ни масса тела, ни действующая на него сила. Следовательно, можно утверждать, что законы Ньютона имеют один и тот же вид в любой инерциальной системе отсчета. Обобщим этот вывод и на другие законы механики:

законы механики одинаковы для всех инерциальных систем отсчета т. е. все механические явления протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета при одинаковых начальных условиях.

Это утверждение называют принципом относительности Галилея.