Второй и третий законы Ньютона

Скорость тела изменяется только при действии на него других тел. Действие одного тела на другое всегда взаимно: тела взаимодействуют. Мерой взаимодействия тел служит сила.

Сила — векторная величина: она характеризуется числовым значением (модулем), направлением и точкой приложения. На рисунках сила изображается стрелкой, начало которой совпадает с точкой приложения силы. Единица силы в СИ — ньютон (Н).

Брусок тянут по горизонтальному столу. На брусок действуют четыре силы: сила тяжести со стороны Земли, сила реакции опоры N со стороны стола, сила тяги со стороны нити и сила трения со стороны стола. Вес бруска P приложен не к бруску, а к столу, поэтому на рисунке сил, действующих на брусок, он не изображается.

Сила тяжести и сила реакции опоры уравновешивают друг друга. По горизонтали сила тяги больше силы трения, поэтому равнодействующая всех сил направлена вправо и брусок разгоняется.

Количественная взаимосвязь между массой тела, ускорением, с которым оно движется, и равнодействующей приложенных к телу сил называется вторым законом Ньютона. Как и в первом законе, под телом подразумевается материальная точка, движение которой рассматривается в инерциальной системе отсчёта.

Вектор ускорения совпадает по направлению с вектором равнодействующей приложенных к телу сил. Скорость и перемещение тела могут быть направлены иначе: при торможении равнодействующая и ускорение направлены против скорости.

Из формулы F = ma следует: сила равна 1 Н, если масса тела 1 кг, а ускорение 1 м/⁠с². Подстановка этих значений даёт соотношение между единицами силы, массы и ускорения.

Одностороннего действия одного тела на другое не бывает: тела всегда взаимодействуют. При забивании гвоздя не только молоток действует на гвоздь, но и гвоздь действует на молоток, и молоток останавливается.

Два динамометра сцеплены крючками, один из них прикреплён к стойке. Если потянуть за второй динамометр, пружины обоих приборов растянутся и будут действовать друг на друга силами упругости F₁ и F₂, направленными в противоположные стороны. Показания динамометров одинаковы. Если потянуть сильнее, показания обоих динамометров возрастут на одну и ту же величину.

Эти и многие другие опыты показывают, что силы, с которыми два тела действуют друг на друга, равны по модулю и противоположны по направлению. Закон открыт Ньютоном и называется третьим законом Ньютона. Знак «минус» в формуле показывает, что векторы сил направлены в противоположные стороны.

Силы, возникающие при взаимодействии тел, — силы одной и той же природы. Земля и Луна притягивают друг друга силами всемирного тяготения, стальной гвоздь и магнит — магнитными силами, сцепленные динамометры действуют друг на друга силами упругости.

Взаимодействующие тела получают ускорения, обратно пропорциональные их массам: силы равны по модулю, поэтому m₁a₁ = m₂a₂.

Идущий человек отталкивается ногами от земли, т. е. взаимодействует с ней. Человек и Земля действуют друг на друга с одинаковыми по модулю противоположно направленными силами. Масса Земли огромна по сравнению с массой человека, поэтому ускорение Земли практически равно нулю, а человек приходит в движение относительно Земли.

Под действием притяжения к Земле предмет, лежащий на опоре, немного сжимается сам и сжимает опору. В теле и в опоре возникают силы упругости, посредством которых они взаимодействуют. Сила, приложенная к опоре и направленная вертикально вниз, — вес тела P. Сила, приложенная к телу и направленная вертикально вверх, — сила реакции опоры N. Обе силы — силы упругости, по третьему закону Ньютона P = −N.

Сила тяжести приложена к камню и действует на него со стороны Земли. Она уравновешивает силу реакции опоры, но парой ей по третьему закону не является: парная к силе тяжести сила — сила, с которой камень притягивает Землю.