Теория: законы Ньютона и алгоритм решения

⏱ 35 мин · 🧩 заданий: 8

Законы Ньютона

  1. Первый закон. Существуют инерциальные системы отсчёта: в них тело, на которое не действуют силы (или силы скомпенсированы), движется равномерно и прямолинейно.
  2. Второй закон. m\vec a = \sum\vec F. В общем виде \dfrac{d\vec p}{dt} = \vec F.
  3. Третий закон. Тела действуют друг на друга с силами, равными по модулю и противоположными по направлению: \vec F_{12} = -\vec F_{21}. Эти силы приложены к разным телам и имеют одну природу.

Силы механики

Сила Формула Направление
Тяжести m\vec g вертикально вниз
Реакции опоры \vec N (из уравнений) перпендикулярно поверхности
Натяжения нити \vec T (из уравнений) вдоль нити от тела
Упругости (Гук) F = \varkappa\,\Delta l против деформации
Трения скольжения F = kN против относительной скорости
Трения покоя F \le kN (из уравнений) против возможного скольжения

Вес — это сила, с которой тело давит на опору или тянет подвес. По третьему закону вес равен по модулю N (или T). В лифте с ускорением вверх вес больше mg, в свободном падении — ноль.

Алгоритм решения

  1. Рисунок со всеми телами.
  2. Силы на каждое тело. Для каждой силы спросите: «Со стороны какого тела?» Если ответа нет — силы нет.
  3. Второй закон в векторной форме для каждого тела: m_i\vec a_i = \sum\vec F.
  4. Оси. Удобно направить одну ось вдоль ускорения (вдоль наклонной, вдоль нити).
  5. Проекции уравнений на оси.
  6. Связи: нить нерастяжима — ускорения грузов равны по модулю; нить невесома и блок невесом — натяжение одинаково по всей нити; закон трения; третий закон для сил взаимодействия.
  7. Решение системы в общем виде, проверка размерности и предельных случаев, числа.

Система тел: два способа

Если тела движутся с одинаковым ускорением, ускорение можно найти, рассматривая систему как одно тело (внутренние силы сокращаются): (m_1 + m_2)a = F_{\text{внеш}}. А силу взаимодействия — из второго закона для одного тела. Этот приём — ядро задачи 1.64.

Пример: бруски толкают друг друга

Сила F толкает брусок m_1, тот толкает m_2, стол гладкий. Для системы: (m_1 + m_2)a = F. Для второго бруска: m_2a = F_{12}. Итого F_{12} = \dfrac{m_2F}{m_1 + m_2}. Проверка: при m_2 \to 0 сила взаимодействия исчезает ✓.

Итог

  • m\vec a = \sum\vec F — для каждого тела отдельно, в проекциях.
  • Каждая сила — со стороны конкретного тела. Нет тела — нет силы.
  • Для системы с общим ускорением внутренние силы сокращаются.

Практика решено 0 из 8

Вы не вошли — ответы проверяются, но прогресс не сохранится. Войти или зарегистрироваться.
Задание 1 Несколько вариантов

Какие силы действуют на брусок, который лежит на наклонной плоскости и не скользит?

Задание 2 Один вариант ответа

Третий закон Ньютона: силы действия и противодействия…

Задание 3 Ввод формулы

Два бруска массами m_1 и m_2 на гладком столе, к первому приложена горизонтальная сила F, он толкает второй. Ускорение системы?

Как вводить формулы Степень — ^ (x^2, e^(3x)), умножение можно не писать (2x, x sin(x)), дробь — / (1/(x+1)), корень — sqrt(x), модуль — |x| или abs(x). Функции: sin cos tg ctg arcsin arccos arctg arcctg sh ch ln lg exp, константы pi и e. Аргументы функций лучше брать в скобки: sin(2x). Для неопределённого интеграла допишите + C. Индексы пишутся слитно: m1, v0; греческие буквы — словом или символом: alpha или α. Десятичная дробь — через точку или запятую, большие числа — через 10^: 6,67*10^(-11).

Обозначения в ответе: F, m1, m2.

Задание 4 Ввод формулы

…сила, с которой первый брусок давит на второй?

Как вводить формулы Степень — ^ (x^2, e^(3x)), умножение можно не писать (2x, x sin(x)), дробь — / (1/(x+1)), корень — sqrt(x), модуль — |x| или abs(x). Функции: sin cos tg ctg arcsin arccos arctg arcctg sh ch ln lg exp, константы pi и e. Аргументы функций лучше брать в скобки: sin(2x). Для неопределённого интеграла допишите + C. Индексы пишутся слитно: m1, v0; греческие буквы — словом или символом: alpha или α. Десятичная дробь — через точку или запятую, большие числа — через 10^: 6,67*10^(-11).

Обозначения в ответе: F, m1, m2.

Задание 5 Ввод формулы

Машина Атвуда: два груза m_1 > m_2 на нити через невесомый блок. Ускорение грузов?

Как вводить формулы Степень — ^ (x^2, e^(3x)), умножение можно не писать (2x, x sin(x)), дробь — / (1/(x+1)), корень — sqrt(x), модуль — |x| или abs(x). Функции: sin cos tg ctg arcsin arccos arctg arcctg sh ch ln lg exp, константы pi и e. Аргументы функций лучше брать в скобки: sin(2x). Для неопределённого интеграла допишите + C. Индексы пишутся слитно: m1, v0; греческие буквы — словом или символом: alpha или α. Десятичная дробь — через точку или запятую, большие числа — через 10^: 6,67*10^(-11).

Обозначения в ответе: m1, m2, g.

Задание 6 Ввод формулы

…и сила натяжения нити?

Как вводить формулы Степень — ^ (x^2, e^(3x)), умножение можно не писать (2x, x sin(x)), дробь — / (1/(x+1)), корень — sqrt(x), модуль — |x| или abs(x). Функции: sin cos tg ctg arcsin arccos arctg arcctg sh ch ln lg exp, константы pi и e. Аргументы функций лучше брать в скобки: sin(2x). Для неопределённого интеграла допишите + C. Индексы пишутся слитно: m1, v0; греческие буквы — словом или символом: alpha или α. Десятичная дробь — через точку или запятую, большие числа — через 10^: 6,67*10^(-11).

Обозначения в ответе: m1, m2, g.

Задание 7 Ввод формулы

Лифт поднимается с ускорением a, направленным вверх. С какой силой человек массы m давит на пол?

Как вводить формулы Степень — ^ (x^2, e^(3x)), умножение можно не писать (2x, x sin(x)), дробь — / (1/(x+1)), корень — sqrt(x), модуль — |x| или abs(x). Функции: sin cos tg ctg arcsin arccos arctg arcctg sh ch ln lg exp, константы pi и e. Аргументы функций лучше брать в скобки: sin(2x). Для неопределённого интеграла допишите + C. Индексы пишутся слитно: m1, v0; греческие буквы — словом или символом: alpha или α. Десятичная дробь — через точку или запятую, большие числа — через 10^: 6,67*10^(-11).

Обозначения в ответе: m, g, a.

Задание 8 Расставить по порядку

Расставьте шаги решения задачи динамики в правильном порядке.

  1. Добавить уравнения связей (нерастяжимая нить, закон трения, третий закон)
  2. Записать второй закон Ньютона в векторной форме для каждого тела
  3. Изобразить все силы, действующие на каждое тело
  4. Выбрать оси и записать проекции
  5. Сделать рисунок, показать все тела
  6. Решить систему в общем виде и проверить размерность

Войдите, чтобы отмечать пройденные уроки.