Newtonov drugi zakon v primerjavi s tretjim zakonom
Ta primerjava preučuje razliko med Newtonovim drugim zakonom, ki opisuje, kako se gibanje posameznega predmeta spremeni, ko nanj deluje sila, in tretjim zakonom, ki pojasnjuje recipročno naravo sil med dvema medsebojno delujočima telesoma. Skupaj tvorita temelj klasične dinamike in strojništva.
Poudarki
Drugi zakon povezuje silo s spremembo hitrosti telesa.
Tretji zakon določa, da se sile vedno pojavljajo v enakih in nasprotnih parih.
Pospešek je ključni izhod enačbe drugega zakona.
Vzajemna interakcija je temeljno načelo tretjega zakona.
Kaj je Newtonov drugi zakon?
Osredotoča se na razmerje med silo, maso in pospeškom posameznega predmeta.
Splošno ime: Zakon pospeška
Ključna formula: F = ma
Sistemski fokus: Analiza posameznega objekta
Merska enota: Newtoni (N)
Osnovna spremenljivka: Pospešek (a)
Kaj je Newtonov tretji zakon?
Opisuje interakcijo med dvema telesoma in trdi, da sile vedno obstajajo v parih.
Splošno ime: Zakon akcije in reakcije
Ključni koncept: Pari sil
Sistemski fokus: Interakcija med dvema telesoma
Smernost: Enaka in nasprotna
Osnovna spremenljivka: Sila interakcije
Primerjalna tabela
Funkcija
Newtonov drugi zakon
Newtonov tretji zakon
Primarni fokus
Vpliv sile na en predmet
Narava interakcije med dvema objektoma
Matematična predstavitev
Sila je enaka masi pomnoženi s pospeškom
Sila A na B = -Sila B na A
Število vključenih predmetov
Ena (predmet, ki se pospešuje)
Dva (izmenjujoča se telesa)
Rezultat zakona
Predvidi gibanje telesa
Zagotavlja ohranitev zagona
Vzrok proti posledici
Pojasnjuje 'učinek' (pospešek)
Pojasnjuje 'izvor' sile (interakcije)
Smer vektorja
Pospešek je v isti smeri kot neto sila
Sile delujejo v popolnoma nasprotnih smereh
Podrobna primerjava
Individualno gibanje v primerjavi z medsebojno interakcijo
Newtonov drugi zakon se uporablja za sledenje obnašanja določenega predmeta. Če poznate maso avtomobila in silo njegovega motorja, vam drugi zakon pove, kako hitro bo pospešil. Tretji zakon pa obravnava širšo sliko interakcije; pojasnjuje, da ko pnevmatike avtomobila pritiskajo na cesto, cesta pritiska nazaj na pnevmatike z enako silo.
Kvantitativni izračun v primerjavi s simetrijo
Drugi zakon je po naravi matematičen in s formulo F=ma zagotavlja natančne vrednosti, potrebne za inženirstvo in balistiko. Tretji zakon je izjava o fizični simetriji, ki trdi, da se ne morete dotakniti nečesa, ne da bi se vas to dotaknilo nazaj. Medtem ko nam drugi zakon omogoča izračun, koliko sile je potrebno za določen rezultat, tretji zakon zagotavlja, da ima vsaka sila dvojnika.
Notranje in zunanje perspektive
izoliranem sistemu drugi zakon opisuje notranji pospešek, ki ga povzroči zunanja neto sila. Tretji zakon pojasnjuje, zakaj se predmet ne more premikati samo z notranjimi silami. Ker vsak notranji sunek ustvari enak notranji vlek v nasprotni smeri, tretji zakon pokaže, zakaj se oseba ne more dvigniti za lastne lase ali dvigniti avtomobila od znotraj.
Uporaba v pogonu
Pogonski sistemi, kot so rakete, se hkrati zanašajo na oba zakona. Tretji zakon pojasnjuje mehanizem: raketa potiska izpušne pline navzdol, plin pa potiska raketo navzgor. Drugi zakon nato določi nastalo zmogljivost in izračuna, kako hitro bo raketa pospešila, glede na maso ladje in potiska (sile), ki ga ustvari ta interakcija.
Prednosti in slabosti
Newtonov drugi zakon
Prednosti
+Bistveno za izračune trajektorij
+Kvantificira fizični napor
+Predvidi vedenje predmetov
+Temelji strojništva
Vse
−Zahteva natančne podatke o masi
−Matematika lahko postane zapletena
−Omejeno na osredotočenost na eno samo telo
−Zahteva identifikacijo vseh sil
Newtonov tretji zakon
Prednosti
+Pojasnjuje, kako se gibanje začne
+Zagotavlja ohranitev zagona
+Poenostavi analizo interakcij
+Univerzalno uporabna narava
Vse
−Ne zagotavlja vrednosti gibanja
−Študenti pogosto napačno razlagajo
−Z lahkoto zamenjati z ravnovesjem
−Opisuje samo pare sil
Pogoste zablode
Mit
Akcijske in reakcijske sile se medsebojno izničijo.
Resničnost
Sile se izničijo le, če delujejo na isti predmet. Ker akcijske in reakcijske sile delujejo na različne predmete (A na B in B na A), se nikoli ne izničijo, temveč povzročijo premikanje ali deformacijo predmetov.
Mit
Sila 'reakcije' se pojavi nekoliko po sili 'akcije'.
Resničnost
Obe sili delujeta hkrati. Med akcijo in reakcijo ni časovnega zamika; gre za dve strani iste interakcije, ki obstajata, dokler telesa medsebojno delujejo.
Mit
Pri F=ma je sila tisto, kar predmet 'ima' ali 'nosi'.
Resničnost
Predmet nima sile; ima maso in pospešek. Sila je zunanji vpliv, ki deluje na predmet, kot je pojasnjeno z matematičnim razmerjem drugega zakona.
Mit
Težji predmeti pri trčenju potiskajo močneje kot lažji.
Resničnost
V skladu s tretjim zakonom je sila, ki jo tovornjak izvaja na metulja, tudi če tovornjak trči v metulja, popolnoma enaka sili, ki jo metulj izvaja na tovornjak. Razlika v 'škodi' je posledica drugega zakona, saj majhna masa metulja vodi do ekstremnega pospeška.
Pogosto zastavljena vprašanja
Kako delujejo pari akcije in reakcije, če se predmet premika?
Gibanje se zgodi, ker sile delujejo na različna telesa. Na primer, ko hodite, vaša noga potiska Zemljo (akcija) in Zemlja potiska vašo nogo (reakcija). Ker je vaša masa majhna v primerjavi z Zemljo, sila tretjega zakona povzroči, da znatno pospešite, medtem ko gibanje Zemlje ostane nezaznavno.
Ali drugi zakon velja za predmete s spreminjajočo se maso?
Standardna formula F=ma predpostavlja, da je masa konstantna. Za objekte, kot so rakete, ki izgubljajo maso med zgorevanjem goriva, fiziki uporabljajo naprednejšo različico drugega zakona, ki se osredotoča na spremembo gibalne količine skozi čas.
Zakaj obe sili v tretjem zakonu ne ustvarita ravnovesja?
Ravnotežje nastopi, ko dve sili delujeta na eno samo telo in seštevek njunega seštevka doseže nič. Tretji zakon opisuje dve sili, ki delujeta na dva različna telesa. Zato se njuna seštevka na enem telesu ne more doseči nič in ne ustvarita ravnotežnega stanja za nobeno od posameznih teles.
Kako raketa deluje v vakuumu, kjer ni ničesar, na kar bi se lahko pritiskalo?
To je klasična uporaba tretjega zakona. Raketa ne pritiska na zrak, temveč na lastno gorivo (izpušne pline). Z izbruhom plina nazaj z veliko hitrostjo plin izvaja enako in nasprotno silo na raketo, ki jo potiska naprej ne glede na okolico.
Če je F=ma, ali ničelni pospešek pomeni ničelno silo?
To pomeni, da je neto sila nič, ne pa da sploh ni sil. Na objekt lahko deluje več sil, če pa so uravnotežene, bo pospešek v skladu z drugim zakonom enak nič.
Kakšna je enota sile v teh zakonih?
Standardna enota je Newton (N). En Newton je definiran kot količina sile, potrebne za pospešek mase enega kilograma s hitrostjo enega metra na sekundo na kvadrat, definicija pa izhaja neposredno iz drugega zakona.
Ali se tretji zakon lahko uporabi za gravitacijo?
Absolutno. Če vas Zemlja vleče navzdol z gravitacijsko silo 700 Newtonov, hkrati vlečete Zemljo navzgor s točno 700 Newtoni sile. Premikate se proti Zemlji, ker je vaša masa manjša, v skladu z logiko drugega zakona.
Kako ti zakoni pojasnjujejo, zakaj se pištola odbije?
Ko pištola sproži, deluje na kroglo s silo, ki jo pospeši naprej (drugi zakon). V skladu s tretjim zakonom krogla deluje z enako silo nazaj na pištolo. Ker je pištola veliko težja od krogle, se pospešuje nazaj (odbija) z manjšo hitrostjo kot krogla potuje naprej.
Ocena
Drugi zakon uporabite, ko morate izračunati hitrost, čas ali silo, potrebno za premikanje določenega predmeta z znano maso. Tretji zakon uporabite, ko morate razumeti vir sile ali analizirati interakcije med dvema različnima predmetoma ali površinama.