Реакция (физика)
Как описано в третьем законе движения Ньютона классической механики , все силы действуют парами, так что если один объект оказывает силу на другой объект, то второй объект оказывает равную и противоположную силу реакции на первый. [1] [2] Третий закон также формулируется в более общем виде: «Каждому действию всегда противостоит равное противодействие, или взаимные действия двух тел друг на друга всегда равны и направлены в противоположные части». [3] Приписывание того, какая из двух сил является действием, а какая противодействием, произвольно . Любое из двух можно считать действием, а другое — связанной с ним реакцией.
Примеры
[ редактировать ]Взаимодействие с землей
[ редактировать ]Когда что-то оказывает на землю силу, земля будет отталкиваться с такой же силой в противоположном направлении. В некоторых областях прикладной физики, таких как биомеханика , эта сила со стороны земли называется « силой реакции земли »; сила объекта на земле рассматривается как «действие».
Когда кто-то хочет прыгнуть, он или она прилагает к земле дополнительную силу, направленную вниз («действие»). Одновременно земля оказывает на человека направленную вверх силу («реакция»). Если эта направленная вверх сила превышает вес человека, это приведет к ускорению вверх. Когда эти силы перпендикулярны земле, их также называют нормальной силой .
Аналогично, вращающиеся колеса транспортного средства пытаются скользить назад по земле. Если земля не слишком скользкая, это приводит к возникновению пары сил трения : «действия» колеса на землю в обратном направлении и «реакции» земли на колесо в прямом направлении. Эта передняя сила приводит в движение транспортное средство.
Гравитационные силы
[ редактировать ]
Земля , удерживая , среди других планет , вращается вокруг Солнца , потому что Солнце оказывает гравитационное притяжение, которое действует как центростремительная сила Землю к себе, которая в противном случае улетела бы в космос. Если притяжение Солнца рассматривать как действие, то Земля одновременно оказывает на Солнце реакцию в виде гравитационного притяжения. Притяжение Земли имеет ту же амплитуду, что и Солнце, но в противоположном направлении. Солнца Поскольку масса намного больше массы Земли, обычно кажется, что Солнце не реагирует на притяжение Земли, но на самом деле это так, как показано в анимации (не в точном масштабе). Правильный способ описания совместного движения обоих объектов (на данный момент игнорируя все другие небесные тела) — сказать, что они оба вращаются вокруг центра масс , называемого в астрономии барицентром объединенной системы.
Поддерживаемая масса
[ редактировать ]Любая масса на Земле притягивается силой гравитации Земли; эта сила также называется ее весом . Соответствующая «реакция» — это гравитационная сила, которую масса оказывает на планету.
Если объект поддерживается так, что он остается в покое, например, тросом, на котором он висит, или поверхностью под ним, или жидкостью, на которой он плавает, то также существует поддерживающая сила, направленная вверх ( натяжение). сила, нормальная сила , выталкивающая сила соответственно). Эта поддерживающая сила является «равной и противоположной» силой; мы знаем это не благодаря третьему закону Ньютона, а потому, что объект остается в покое, так что силы должны быть уравновешены.
На эту опорную силу также существует «реакция»: объект тянет вниз поддерживающий трос или давит на опорную поверхность или жидкость. Таким образом, в этом случае существуют четыре силы одинаковой величины:
- Ф 1 . сила гравитации Земли, действующая на объект (вниз)
- Ф 2 . сила гравитации, действующая на объект на Земле (вверх)
- Ф 3 . сила опорой на объект (вверх)
- Ф 4 . сила объекта на опоре (вниз)
Силы F 1 и F 2 равны согласно третьему закону Ньютона; то же самое справедливо и для сил F 3 и F 4 .Силы F 1 и F 3 равны тогда и только тогда, когда объект находится в равновесии и никакие другие силы не приложены. (Это не имеет ничего общего с третьим законом Ньютона.)
Месса на весне
[ редактировать ]Если груз подвешен на пружине, применяются те же соображения, что и раньше. Однако если затем эту систему возмутить (например, массу слегка подтолкнуть вверх или вниз), масса начнет колебаться вверх и вниз. Из-за этих ускорений (и последующих замедлений) на основании второго закона Ньютона мы заключаем, что за наблюдаемое изменение скорости ответственна результирующая сила. Гравитационная сила, тянущая массу вниз, больше не равна восходящей силе упругости пружины. В терминологии предыдущего раздела F 1 и F 3 уже не равны.
Однако по-прежнему верно, что F 1 = F 2 и F 3 = F 4 , поскольку этого требует третий закон Ньютона.
Причинно-следственная неправильная интерпретация
[ редактировать ]Термины «действие» и «реакция» ошибочно подразумевают причинно-следственную связь , как будто «действие» является причиной, а «реакция» — следствием. Поэтому легко думать, что вторая сила существует благодаря первой и даже происходит через некоторое время после первой. Это неверно; силы совершенно одновременны и существуют по той же причине. [4]
Когда силы вызваны волей человека (например, футболист бьет по мячу), эта волевая причина часто приводит к асимметричной интерпретации, где сила игрока, действующая на мяч, считается «действием», а сила мяча на игроке «реакция». Но физически ситуация симметрична. Силы, действующие на мяч и на игрока, объясняются их близостью, что приводит к возникновению пары контактных сил (в конечном итоге из-за электрического отталкивания). То, что эта близость вызвана решением игрока, не имеет никакого отношения к физическому анализу. Что касается физики, то ярлыки «действие» и «реакция» можно поменять местами. [4]
«Равные и противоположные»
[ редактировать ]Одна из проблем, с которой часто сталкиваются преподаватели физики, заключается в том, что студенты склонны применять третий закон Ньютона к парам «равных и противоположных» сил, действующих на один и тот же объект. [5] [6] [7] Это неверно; третий закон относится к силам, действующим на два разных объекта. Напротив, книга, лежащая на столе, подвержена действию нисходящей гравитационной силы (со стороны Земли) и направленной вверх нормальной силы со стороны стола, причем обе силы действуют на одну и ту же книгу. Поскольку книга не ускоряется, эти силы должны быть точно уравновешены, согласно второму закону Ньютона. Следовательно, они «равны и противоположны», но действуют на один и тот же объект, следовательно, они не являются силами действия-противодействия в смысле третьего закона Ньютона. Реальные силы действия-противодействия в смысле третьего закона Ньютона — это вес книги (притяжение Земли к книге) и восходящая гравитационная сила книги, действующая на Землю. Книга также давит на стол вниз, а стол толкает книгу вверх.Более того, силы, действующие на книгу, не всегда одинаково сильны; они будут другими, если книгу толкает вниз третья сила, или если стол наклонен, или если система стол-книга находится в ускоряющемся лифте. Случай любого количества сил, действующих на один и тот же объект, рассматривается путем рассмотрения суммы всех сил.
Возможная причина этой проблемы в том, что третий закон часто формулируется в сокращенной форме: « На каждое действие есть равное и противоположное противодействие». [8] без подробностей, а именно, что эти силы действуют на два разных объекта. Более того, существует причинная связь между весом чего-либо и нормальной силой: если бы объект не имел веса, он не испытывал бы силы поддержки со стороны стола, а вес определяет, насколько сильной будет сила поддержки. Эта причинная связь обусловлена не третьим законом, а другими физическими отношениями в системе.
Центростремительная и центробежная сила
[ редактировать ]Другая распространенная ошибка — утверждать, что «центробежная сила, которую испытывает объект, является реакцией на центростремительную силу, действующую на этот объект». [9] [10]
Если бы на объект одновременно действовала как центростремительная сила , так и равная и противоположная центробежная сила , результирующая сила исчезла бы, и объект не мог бы совершать круговое движение. Центробежную силу иногда называют фиктивной силой или псевдосилой, чтобы подчеркнуть тот факт, что такая сила появляется только тогда, когда расчеты или измерения проводятся в неинерциальных системах отсчета. [11]
См. также
[ редактировать ]- Сила реакции земли
- Реактивная центробежная сила
- Исаак Ньютон
- Ибн Баджа
- Реактивный двигатель / реактивный двигатель
- Сила сдвига
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Тейлор, Джон Р. (2005). Классическая механика . Университетские научные книги. стр. 17–18. ISBN 9781891389221 .
- ^ Шапиро Илья Л.; де Берредо-Пейшото, Гильерме (2013). Конспект лекций по ньютоновской механике: уроки современных концепций . Springer Science & Business Media. п. 116. ИСБН 978-1461478256 . Проверено 28 сентября 2016 г.
- ^ Этот перевод третьего закона и комментарий к нему можно найти в « Началах » на странице 20 первого тома перевода 1729 года .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Браун, Дэвид (1989). «Студенческая концепция силы: важность понимания третьего закона Ньютона». Физ. Образование . 24 (6): 353–358. Бибкод : 1989PhyEd..24..353B . дои : 10.1088/0031-9120/24/6/007 . S2CID 250771986 .
Даже если одно тело может быть более «активным», чем другое тело, и, таким образом, может показаться, что оно инициирует взаимодействие (например, шар для боулинга ударяет по кегле), сила, оказываемая телом А на тело Б, всегда одновременно с силой, воздействующей на А. .
- ^ Колин Терри и Джордж Джонс (1986). «Альтернативные концепции: третий закон Ньютона и концептуальные изменения». Европейский журнал научного образования . 8 (3): 291–298. Бибкод : 1986IJSEd...8..291T . дои : 10.1080/0140528860080305 .
В этом отчете освещаются некоторые трудности, с которыми сталкиваются дети при выполнении третьего закона Ньютона.
- ^ Корнелис Хеллингман (1992). «Возвращение к третьему закону Ньютона». Физическое образование . 27 (2): 112–115. Бибкод : 1992PhyEd..27..112H . дои : 10.1088/0031-9120/27/2/011 . S2CID 250891975 .
... следующий письменный вопрос: Третий закон Ньютона говорит о «действии» и «противодействии». Представьте себе бутылку вина, стоящую на столе. Если гравитационную силу, притягивающую бутылку, назвать действием, то какая сила является реакцией на эту силу согласно третьему закону Ньютона? Чаще всего давался такой ответ: «Нормальная сила, с которой стол давит на бутылку».
- ^ Френч, Энтони (1971), Механика Ньютона , с. 314,
… Третий закон Ньютона о том, что действие и противодействие равны и противоположны.
- ^ Холл, Нэнси. «Третий закон Ньютона в применении к аэродинамике» . НАСА. Архивировано из оригинала 3 октября 2018 г.
на каждое действие (силу) в природе существует равное и противоположное противодействие
- ^ Адэр, Аарон (2013), Заблуждения студентов о ньютоновской механике: истоки и решения через изменения в инструкции , Университет штата Огайо, Bibcode : 2013PhDT.......476A ,
Это подверглось нападкам со стороны Ньютона, который пытался использовать центростремительную силу на планетах (в результате гравитационного взаимодействия) будет действовать центробежная сила, поэтому будет баланс сил, основанный на его третьем законе движения.
- ^ Эйтон, Эрик (1995), Светц, Фрэнк; и др. (ред.), Эпизод из истории небесной механики и ее полезности в преподавании прикладной математики , Учитесь у мастеров, Математическая ассоциация Америки, ISBN 978-0883857038 ,
... в одной из своих нападок на Лейбница, написанной в 1711 году, Ньютон говорит, что центробежная сила всегда равна и противоположна силе тяготения согласно третьему закону движения.
- ^ Сингх, Чандралеха (2009), «Центростремительное ускорение: часто забывают или неправильно интерпретируют», Physics Education , 44 (5): 464–468, arXiv : 1602.06361 , Bibcode : 2009PhyEd..44..464S , doi : 10.1088/0031-9120 /44/5/001 , S2CID 118701050. Другая трудность заключается в том ,
что студенты часто рассматривают псевдосилы, например центробежную силу, как если бы они были реальными силами, действующими в инерциальной системе отсчета.
Библиография
[ редактировать ]- Фейнман, Р.П., Лейтон и Сэндс (1970) Лекции Фейнмана по физике , Том 1, Аддисон Уэсли Лонгман, ISBN 0-201-02115-3 .
- Резник, Р. и Д. Холлидей (1966) Физика, Часть 1 , John Wiley & Sons, Нью-Йорк, 646 стр. + Приложения.
- Уоррен, Дж. В. (1965) Преподавание физики , Баттервортс, Лондон, 130 стр.