Введення
ЗакониНьютона - в залежності від того, під яким кутом на них подивитися, -являють собою або кінець початку, або початок кінця класичної механіки.У будь-якому випадку це поворотний момент в історії фізичної науки -блискуча компіляція всіх накопичених до того історичного моменту знаньпро рух фізичних тіл в рамках фізичної теорії, яку теперприйнято іменувати класичною механікою. Можна сказати, що з законів рухуНьютона пішов відлік історії сучасної фізики і взагалі природничих наук.
Першийзакон Ньютона
Враховуючинастільки серйозний, що історично склався провал, перший закон Ньютонасформульований беззастережно революційним чином. Він стверджує, що якщояку-небудь матеріальну частинку або тіло просто не чіпати, воно будепродовжувати прямолінійно рухатися з незмінною швидкістю саме по собі. Якщотіло рівномірно рухалося по прямій, воно так і буде рухатися по прямій з незмінноюшвидкістю. Якщо тіло покоїлося, воно так і буде спочивати, поки до нього недокладуть зовнішніх сил. Щоб просто зрушити фізичне тіло з місця,до нього потрібно обов'язково прикласти сторонню силу. Візьмемо літак: він ніза що не стронется з місця, поки не будуть запущені двигуни. Здавалося б,спостереження самоочевидне, однак, варто нам відволіктися від прямолінійногоруху, як воно перестає здаватися таким. При інерційному русі тіла позамкнутої циклічної траєкторії його аналіз з позиції першого закону Ньютонатільки й дозволяє точно визначити його характеристики.
Уявітьсобі щось типу легкоатлетичного молота - ядро ​​на кінці струни,розкручує вами навколо вашої голови. Ядро в цьому випадку рухається не попрямій, а по колу - значить, згідно з першим законом Ньютона, йогощось утримує; це В«щосьВ» - і є доцентрова сила, якуви докладаєте до ядра, розкручуючи його. Реально ви й самі можете їївідчути - рукоять легкоатлетичного молота відчутно тисне вам на долоні.Якщо ж ви розтисне руку і випустіть молот, він - за відсутності зовнішніхсил - негайно відправиться в шлях по прямій. Точніше буде сказати,що так молот поведеться в ідеальних умовах (наприклад, у відкритомукосмосі), оскільки під впливом сили гравітаційного тяжіння Землі вінбуде летіти строго по прямій лише в той момент, коли ви його відпустили, анадалі траєкторія польоту буде все більше відхилятися в напрямкуземної поверхні. Якщо ж ви спробуєте дійсно випустити молот,з'ясується, що відпущений з кругової орбіти молот відправиться в шлях строгопо прямій, яка є дотичною (перпендикулярної до радіусу окружності, поякої його розкручували) з лінійною швидкістю, рівної швидкості його обігупо В«орбітіВ».
Тепер замінимоядро легкоатлетичного молота планетою, молотобійця - Сонцем, аструну - силою гравітаційного тяжіння: ось вам і ньютонівська модельСонячної системи.
Такийаналіз того, що відбувається при зверненні одного тіла навколо іншого по круговійорбіті на перший погляд здається чимось само собою зрозумілим, але не вартозабувати, що він увібрав в себе цілий ряд умовиводів кращихпредставників наукової думки попереднього покоління (досить згадатиГалілео Галілея). Проблема тут у тому, що при русі по стаціонарнійкруговій орбіті небесне (і будь-яке інше) тіло виглядає вельми безтурботно іпредставляється перебувають у стані стійкого динамічного ікінематичного рівноваги. Однак, якщо розібратися, зберігається тільки модуль(Абсолютна величина) лінійної швидкості такого тіла, в той час як її напрямокпостійно міняється під впливом сили гравітаційного тяжіння. Це іозначає, що небесне тіло рухається равноускоренно. До речі, сам Ньютон називавприскорення В«зміною рухуВ».
Першийзакон Ньютона грає і ще одну важливу роль з точки зору нашогоестествоіспитательского ставлення до природи матеріального світу. Він підказуєнам, що будь-яка зміна в характері руху тіла свідчить проприсутності зовнішніх сил, що впливають на нього. Умовно кажучи, якщо миспостерігаємо, як залізні ошурки, наприклад, підстрибують і налипають на магніт,або, дістаючи з сушарки пральної машини білизну, з'ясовуємо, що речі злиплися іприсохли одна до іншої, ми можемо відчувати себе спокійно і впевнено: ціефекти стали наслідком дії природних сил (в наведених прикладах цесили магнітного і електростатичного притягання відповідно).
Другийзакон Ньютона
Якщо першийзакон Ньютона допомагає нам визначити, чи знаходиться тіло під впливомзовнішніх сил, то другий закон описує, що відбувається з фізичним тілом підїх впливом. Чим більша сума прикладених до тіла зовнішніх сил, свідчитьцей закон, тим більше прискорення набуває тіло. Це раз. Одночасно, ніжмасивніше тіло, до якого прикладена рівна сума зовнішніх сил, тим меншаприскорення воно набуває. Це два. Інтуїтивно ці два факти представляютьсясамоочевидними, а в математичному вигляді вони записуються так:
F = ma
де F -сила, m - маса, а - прискорення. Це, напевно, найкорисніше ішироко використовуване в прикладних цілях з усіх фізичних рівнянь. Доситьзнати величину і напрямок всіх сил, що діють в механічній системі, імасу матеріальних тіл, з яких вона складається, і можна з вичерпною точністюрозрахувати її поведінку в часі.
Самедругий закон Ньютона додає всій класичній механіці її особливупринадність - починає здаватися, ніби весь фізичний світ влаштований, якнайточніше хронометр, і ніщо в ньому не вислизне від поглядудопитливого спостерігача. Назвіть мені просторові координати і швидкості всіхматеріальних точок у Всесвіті, немов говорить нам Ньютон, вкажіть менінапрямок та інтенсивність всіх діючих в ній сил, і я Передбачвам будь-яке її майбутній стан. І такий погляд на природу речей у Всесвітііснував аж до появи квантової механіки .
Третійзакон Ньютона
За цейзакон, швидше за все, Ньютон і здобув собі шану і повагу з боку нетільки натуралістів, але і вчених-гуманітаріїв і попросту широких мас.Його люблять цитувати (у справі і без діла), проводячи найширші паралелі зтим, що ми змушені спостерігати в нашому повсякденному житті, і притягують малоне за вуха для обгрунтування самих спірних положень в ході дискусій збудь-яких питань, починаючи з міжособистісних і закінчуючи міжнародними відносинамиі глобальної політикою. Ньютон, однак, вкладав у свій названийзгодом третій закон абсолютно конкретний фізичний зміст і навряд чизамишляв його в іншій якості, ніж як точне засіб опису природисилових взаємодій. Закон цей говорить, що якщо тіло А впливає зякоюсь силою на тіло В, то тіло В також впливає на тіло А зрівною за величиною і протилежною за напрямком силою. Іншими словами, стоячина підлозі, ви впливаєте на підлогу з силою, пропорційною масі вашого тіла.Згідно з третім законом Ньютона підлогу в цей же час впливає на вас забсолютно такий же за величиною силою, але спрямованої не вниз, а строговгору. Цей закон експериментально перевірити неважко: ви постійно відчуваєте,як земля тисне на ваші підошви.
Тут важливорозуміти і пам'ятати, що мова у Ньютона йде про двох силах абсолютно різноїприроди, причому кожна сила впливає на В«свійВ» об'єкт. Коли яблуко падаєз дерева, це Земля впливає на яблуко силою свого гравітаційноготяжіння (внаслідок чого яблуко равноускоренно спрямовується до поверхніЗемлі), але при цьому і яблуко притягує до себе Землю з рівною силою.А те, що нам здається, що це саме яблуко падає на Землю, а ненавпаки, це вже наслідок другого закону Ньютона. Маса яблука в порівнянні змасою Землі низька до непорівнянності, тому саме його прискорення помітнодля очей спостерігача. Маса ж Землі, в порівнянні з масою яблука, величезна,тому її прискорення практично непомітно. (У разі падіння яблука центрЗемлі зміщується вгору на відстань менше радіуса атомного ядра.)
Висновок
Засукупності ж три закони Ньютона дали фізикам інструменти, необхідні дляпочатку комплексного спостереження всіх явищ, що відбуваються в нашійВсесвіту. І, незважаючи на всі колосальні зрушення в науці, що відбулися зчасів Ньютона, щоб спроектувати новий автомобіль або відправити космічнийкорабель на Юпітер, ви скористаєтеся все тими ж трьома законами Ньютона.
