Исаак Ньютон. Что мы знаем о нем, кроме того, что он сидел под деревом и на него упало яблоко, подтолкнув на мысль о законе тяготения? Почти ничего. А ведь этот великий английский ученый внес огромный вклад в оптику – науку о свете и его природе, математику и астрономию. Но сегодня нас интересует его вклад в классическую механику. За какие заслуги его признают родоначальником классической механики и сколько законов у Ньютона? В статье ответим на эти вопросы.
Сколько законов у Ньютона и о чем они
Вокруг нас ежедневно происходит масса удивительных и невероятных вещей, не кажущихся нам таковыми лишь благодаря школьной программе и полученным нами знаниям. Еще несколько тысяч лет назад люди задавались вопросами, многие из которых нашли свои рациональные ответы. Исаак Ньютон сделал огромный прорыв в области классической механики, благодаря чему и вошел в историю.
Классическая механика является наукой о движении материальных тел и взаимодействии между ними. Сколько законов Ньютона легли в ядро классической механики? Всего три - основополагающих и постулирующих всю эту область физики. Они не просто так родились в голове великого ученого. Это совокупность знаний, накопленных тысячелетними наблюдениями, классифицированных Галилеем и сформулированных Ньютоном.
Первый закон
Рассмотрение определений законов Ньютона начнем, естественно, с первого. Он был выведен из определений Галилея и звучит так:
Существуют такие системы отсчета, называемые инерциальными, относительно которых материальные точки, когда на них не действуют никакие силы (или действуют силы взаимно уравновешенные), находятся в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения.
Казалось бы, закон более чем очевиден. Но его формулировка сыграла ключевую роль в формировании механики как науки. Инерция – способность тела в некоторых системах сохранять скорость и траекторию постоянными. Лежащее на столе яблоко не двинется с места, если не толкнуть его ладонью, и машина не поедет по той же причине. Все просто.
Однако этот закон Ньютона применяется не в полной мере. В основном он определяет движение небесных тел в космосе: там отсутствуют посторонние силы.
Если человек раскрутит над головой ядро и отпустит, то под влиянием центробежной силы оно вылетит из рук и полетит сначала по прямой траектории, а потом изменит ее под влиянием силы притяжения и упадет на землю. Если же мы представим данную ситуацию в космическом пространстве, то молот, вылетев с «орбиты», по которой его раскручивали, полетит строго перпендикулярно от нее по прямой, не меняя своего направления.
Первый закон Ньютона носит тривиальный, но очень важный научный смысл. Он говорит, что любые изменения состояния тела в пространстве указывают, что на него воздействуют внешние силы.
Второй закон
Первый закон показывал нам, оказывают ли воздействие какие-либо силы на изучаемое тело, а второй закон объясняет, что происходит с телом под действием этих сил. Формула закона Ньютона представлена на рисунке ниже (F – сила, а – ускорение, m – масса).
О чем говорит нам этот закон? Чем сильнее силы влияют на тело, тем больше ускорение, а чем больше масса тела, тем ускорение пропорционально меньше. Применим этот закон только для инерциальных систем отсчета.
Это уравнение Ньютона - одно из самых популярных и часто применяемых в классической механике. Ведь благодаря нему, зная величину, направление сил в механической системе и массу рассматриваемого тела, мы можем рассчитать его положение в пространстве.
Третий закон
Третий закон - один из самых известных, принесший Ньютону популярность не только среди физиков, но и среди простых обывателей. Третий закон, названный законом тяготения Ньютона, звучит так:
Материальные точки взаимодействуют друг с другом силами, имеющими одинаковую природу, направленными вдоль прямой, соединяющей эти точки, равными по модулю и противоположными по направлению.
Давайте рассмотрим стандартно ньютоновскую ситуацию, в которой слива, оторвавшись от ветки, падает на землю вследствие того, что Земля действует на нее силой гравитационного притяжения. Но также по третьему закону Ньютона и слива воздействует на Землю с соответствующей силой. Однако масса сливы для гигантской планеты настолько ничтожно мала, что силой, с которой слива влияет Землю, можно пренебречь. Мы можем сами ощутить, что сила Земли воздействует на нас, давя на наши подошвы, но и мы воздействуем на Землю с пропорциональной силой, однако так же ничтожно, как и слива.
Солнце влияет на планеты солнечной системы, но они не падают на него, так как в свою очередь с эквивалентной силой влияют на него. Поэтому, благодаря третьему закону, мы можем рассчитать, с какой силой два небесных тела могут влиять друг на друга по формуле, представленной ниже:
где m1, m2 – соответственно, массы рассматриваемых тел, d2 – расстояние от центров обоих тел, G – гравитационная константа.
Значение трех законов Ньютона в физике
Вот мы и разобрались, сколько законов у Ньютона и о чем они. Впервые они были опубликованы в 1687 году и до сих пор используются по всему миру. И. Ньютон объединил, обобщил все полученные ранее наблюдения и положил в основу классической физики. И сегодня по этим законам рассматриваются движения небесных тел и проектируются космические корабли. Эти законы позволили создать некую механическую систему, картину мира, которая полностью подчинилась им.
