Закони Ньютона

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Класична механіка
\bold{F} = \frac{d\bold{p}}{dt}
Другий закон Ньютона
Історія класичної механіки

Зауваження: В цій статті векторні величини позначаються жирним шрифтом, тоді як скалярні — курсивом.

Ньютонові закони руху (або просто закони Ньютона) — це фундаментальні закони класичної механіки

Вони були вперше опубліковані Ісааком Ньютоном в праці «Математичні начала натуральної філософії» (1687) та застосовані ним для пояснення багатьох фізичних явищ, пов'язаних з рухом фізичних тіл.

Важливість законів Ньютона[ред.ред. код]

Закони Ньютона разом з його ж законом всесвітнього тяжіння та апаратом математичного аналізу вперше в свій час надали загальне та кількісне пояснення широкому спектру фізичних явищ, починаючи з особливостей руху маятника та закінчуючи орбітами Місяця та планет. Закон збереження імпульсу, який Ньютон вивів як наслідок своїх другого та третього законів, також став першим з відомих законом збереження.

Закони Ньютона піддавались експериментальній перевірці протягом більш як двохсот років. Для масштабів від 10−6 метра на швидкостях від 0 до 100 000 000 м/с вони дають задовільні результати. Але спеціальна теорія відносності Ейнштейна внесла свої корективи в закони Ньютона, розширивши в такому модифікованому вигляді сферу їхнього застосування, хоча для нерелятивістських фізичних об'єктів вигляд модифікованих законів Ньютона стає звичним.

Перший закон Ньютона (закон інерції)[ред.ред. код]

Цей закон також має назву закону інерції або принципу Галілея. Строге його формулювання в сучасному викладі таке:

Цей закон є спеціальним випадком другого закону Ньютона (дивись нижче), але його значення полягає в тому, що він визначає системи відліку, в яких справедливі наступні два закони. Ці системи відліку мають назву інерційних або Галілеєвих, тобто таких, які рухаються зі сталою швидкістю одна відносно іншої.

Другий закон Ньютона: базовий закон динаміки[ред.ред. код]

Формулювання:

  • Прискорення матеріальної точки прямо пропорційне силі, що на неї діє, та направлене в бік дії цієї сили

Математично це формулювання може бути записано так:

 \mathbf{F} = \frac{d}{dt}(m\mathbf{v})

або

\mathbf{F} = m\frac{d\mathbf{v}}{dt} = m\mathbf{a} , якщо m — константа.

де

Це рівняння фактично означає, що чим більша за абсолютним значенням сила буде прикладена до тіла, тим більшим буде його прискорення. Параметр m або маса в цьому рівнянні — це насправді коефіцієнт пропорційності, який характеризує інерційні властивості об'єкта.

У рівнянні F=ma прискорення може бути безпосередньо виміряне, на відміну від сили. Тому цей закон має сенс, якщо ми можемо визначити силу F безпосередньо. Одним з таких законів, який визначає правило обчислення гравітаційної сили, є закон всесвітнього тяжіння.

У загальному випадку, коли маса та швидкість об'єкта змінюються з часом, отримаємо:

\mathbf{F} = \frac{d}{dt}(m\mathbf{v}) 
 = m\frac{d\mathbf{v}}{dt} + \mathbf{v}\frac{dm}{dt} 
 = m\mathbf{a} + \mathbf{v}\frac{dm}{dt}

Рівняння із змінною масою описує реактивний рух. Важливе фізичне значення цього закону полягає в тому, що тіла взаємодіють, обмінюючись імпульсами й роблять це за допомогою сил.

Третій закон Ньютона: закон дії та протидії[ред.ред. код]

Формулювання:

Сили, що виникають при взаємодії двох тіл, є рівними за модулем і протилежними за напрямом.

Математично це записується так

 \mathbf{F}_{1,2}=-\mathbf{F}_{2,1} ,

де  \mathbf{F}_{1,2}  — сила, що діє на перше тіло з боку другого тіла, а  \mathbf{F}_{2,1}  — навпаки, сила, що діє з боку першого тіла на друге тіло.

Суперечливого формулювання «на всяку дію є рівна протидія» слід уникати.

Закон у сформульованій формі є справедливим для усіх фізичних сил, хоча існують деякі особливості формулювання цього закону в застосуванні до сил електромагнітного поля.

Закон руху в релятивістській фізиці[ред.ред. код]

Визначене другим законом Ньютона рівняння інваріантне щодо перетворень Галілея, але не є інваріантним щодо перетворень Лоренца. При створенні теорії відносності його довелося змінити. Виражене через 4-вектори друге рівняння Ньютона набирає вигляду

 \frac{dp^i}{ds} = f^i ,

де  p^i  — 4-імпульс, s — просторово-часовий інтервал,  f^i  — 4-вектор сили:

 f^i = \left(\frac{\mathbf{F}\cdot\mathbf{v}}{\sqrt{1 - v^2/c^2}}, \frac{\mathbf{F}}{\sqrt{1 - v^2/c^2}}\right) ,

де c — швидкість світла у вакуумі.

При малих швидкостях релятивістське рівняння руху переходить у друге рівняння Ньютона, але при великих швидкостях з'являються відмінності, завдяки яким рівняння є лоренц-інваріантним.

Джерела[ред.ред. код]

  • Єжов С. М., Макарець М. В., Романенко О. В. Класична механіка. — К.: ВПЦ "Київський університет", 2008. — 480 с.
  • Іро Г. Класична механіка. — Л.: ЛНУ ім. Івана Франка, 1999. — 464 с.
  • Голдстейн Г. Классическая механика. — М.: Наука, 1975. — 416 с.
  • Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Механика // Теоретическая физика. — М.: Физматлит, 2007. — Т. 1. — 224 с.