Przykład III zasady dynamiki Newtona
Przykład 1 - klocek leżący na poziomej powierzchni
Siła działająca ze strony powierzchni na leżący na niej klocek (siła podtrzymująca klocek przed spadkiem) jest równa sile, jaką ten klocek działa na tę powierzchnię (jest to siła obciążająca powierzchnię - siła nacisku na powierzchnię).
N P->K = - N K->P
Np.
Jeżeli ciężar klocka wynosi 20 N, to jego nacisk na powierzchnię też wynosi 20 N. Z kolei powierzchnia podtrzymuje klocek siłą o tej samej wartości 20 N.
Trzecia zasada dynamiki Newtona
Trzecia zasada dynamiki mówi o wzajemności oddziaływań. Jest ona często nazywana zasadą akcji i reakcji.
Sformułowanie III zasady dynamiki:
Jeżeli ciało A działa na ciało B siłą FAB, to ciało B działa na ciało A siłą FBA, o takim samym kierunku i wartości jak FAB, ale przeciwnym zwrocie.
Da się to zapisać wzorem:
Przykład
Jeżeli ktoś musi działać siłą 50 N w celu podniesienia ciężarka, to wynika stąd, że siła podnosząca ciężarek (skierowana do góry) musi być równa co do wartości sile nacisku ciężarka (skierowanej do dołu) na ręce osoby podnoszącej - owa siła nacisku ciężarka na ręce osoby go podnoszącej wynosi też dokładnie 50 N .
Uwaga: siły występujące w III zasadzie dynamiki nie równoważą się.
Siła FAB, nie równoważy się z siłą FBA , ponieważ działają na różne ciała - siłą FAB działa na ciało B, a siła FBA na ciało A. Równoważenie sił występuje tylko wtedy, gdy przeciwne siły działają na to samo ciało.
Dzięki 3 - ciej zasadzie dynamiki możliwe jest poprawne powiązanie ze sobą sił działających w układzie wielu ciał (czyli przynajmniej 2 ciał).
Zastosowanie II zasady dynamiki Newtona
Przykład 1 - rozpędzanie bryły lodu
Wyobraźmy sobie, że na bardzo gładkiej lodowej powierzchni ktoś położył sporą bryłę lodu o masie 5 kg.
Załóżmy przy tym dla uproszczenia rozważań, że lód jest absolutnie gładki i na nie hamuje bryły gdyby zaczęła się ona poruszać.
Jeśli teraz na bryłę zadziałamy poziomą siłą F = 20 N
Wtedy siła ta zacznie rozpędzać ten kawał lodu, czyli nadawać mu przyspieszenie a.
Wartość tego przyspieszenia będzie dane znanym wzorem:
Tutaj
F - będzie siłą działającą na bryłę (20 N)
m - będzie masą bryły (5 kg)
a - przyspieszenie bryły (niewiadoma)
czyli
a = 4 m/s2
Bryła uzyska przyspieszenie o wartości 4 m/s2
Zastosowanie II zasady dynamiki Newtona
Przykład 2 - hamowanie bryły lodu
Na poniższym rysunku rozpędzona bryła lodu porusza się w lewo. Na bryłę działa hamująca siła tarcia pochodząca od podłoża.
Jeżeli na rozpędzoną bryłę lodu o masie 5 kg działa hamująca o wartości 2 N, to opóźnienie tej bryły będzie miało wartość:
Ponieważ mamy do czynienia z siłą skierowaną przeciwnie do prędkości, to i przyspieszenie będzie przeciwne do prędkości. Dlatego przyspieszenie to będzie wywoływać hamowanie bryły.
Hamowanie bryły lodu będzie odbywać się z opóźnieniem 0,4 m/s2.
Oczywiście w podobny sposób zachowują się inne hamowane ciała - samochody, sanie, pociągi... W każdej sytuacji siła hamująca działa przeciwnie do prędkości
Zastosowanie II zasady dynamiki Newtona
Przykład 3 spadający przedmiot
Przedmiot który wisi wiszący na nici podlega działaniu siły ciężkości o wartości
P = mg
Siła ciężkości jest równoważona przez siłę podtrzymującą ze strony nici.
Jeśli jednak nić przetniemy, to z dwóch sił, ta pochodząca od nici (N) zniknie. W efekcie otrzymamy niezrównoważoną siłę P, która zacznie nadawać ciału przyspieszenie.
W myśl drugiej zasady dynamiki przyspieszenie to będzie równe
Ale ponieważ:
F = P = mg
więc
Przyspieszenie ciała będzie równe przyspieszeniu ziemskiemu g. (przeciętnie g=9,81 m/s2). Dlatego ciało zacznie spadać, zwiększając stale swoją prędkość.
ZASADA ZACHOWANIA PĘDU
Jeżeli na jakiś układ ciał nie działają siły (oddziaływania) zewnętrzne, wtedy układ ten ma stały pęd.
Czyli, zapisując to wzorami:
jeżeli F = 0, to p = const
Lub jeszcze inaczej:
Zmienić pęd układu może tylko siła działająca z zewnątrz układu.
Zasada zachowania pędu może być traktowana jako alternatywna postać (sformułowanie) pierwszej zasady dynamiki Newtona, jako że omawiany przypadek braku siły zewnętrznej rozpatrywany jest w układzie inercjalnym. O tym czym są siły więcej można się dowiedzieć z rozdziału siła.
Prosty przykład zastosowania pojęcia pędu i zasady zachowania pędu
Jeżeli, stojąc sobie na bardzo śliskim lodzie i odepchniemy od siebie stojące też na tym lodzie sanki, to uzyskają one pęd w jedna stronę, ale my z kolei też zaczniemy ślizgać się po lodzie w kierunku przeciwnym.
W układzie My - Sanki obowiązuje zasada akcji i reakcji - my odpychamy sanki, ale sami też odpychamy się od sanek. Pęd niesiony przez odepchnięte sanki jest równoważony przez pęd odpychającego skierowany przeciwnie - w sumie pęd całego układu nie zmienia się.
Pęd niesiony przez sanki (w prawo) jest równy co do wartości pędowi odbieranemu przez człowieka (w lewo).
Opisany przykład ilustruje tzw. zasadę odrzutu.
Chciałbym tu jeszcze raz zwrócić uwagę na to, że powiedziane było o kierunku (choć właściwie precyzyjniej byłoby mówić o "zwrocie") pędu. Bo: pęd, jako wielkość wektorowa, ma zwrot, kierunek i wartość.
Wynika stąd też, że zasadę zachowania pędu powinniśmy raczej zapisać wzorem ze strzałkami nad wektorami pędu i siły: