Рух усіх оточуючих нас макроскопічних об’єктів описується за допомогою так званих трьох законів Ньютона. У цій статті не будемо говорити нічого про перших двох з них, а розглянемо докладно третій закон Ньютона і приклади його прояви в житті.
Формулювання закону
Кожен з нас помічав, що при стрибку на яку-небудь поверхню вона ніби “вдаряє” по наших ніг, або ж якщо взятися за кермо велосипеда, то він починає тиснути на долоні. Все це приклади третього закону Ньютона. В курсі фізики в загальноосвітніх школах він формулюється наступним чином: будь-яке тіло, що робить силову дію на певне інше тіло, відчуває аналогічне вплив від останнього, спрямоване в протилежну сторону.
Математично цей закон може бути записаний в наступному вигляді:
F12 = -F21
У лівій частині рівності записана сила, з якою перше тіло діє на друге, у правій частині стоїть аналогічна по модулю сила, з якою друге тіло впливає на перше, але вже в протилежному напрямку (тому з’являється знак мінуса).
Рівність модулів і протилежний напрямок розглянутих сил призвели до того, що цей закон часто називають взаємодією, або принципом дії-протидії.
Дія на різні тіла – ключовий момент розглянутого закону
Поглянувши на наведену вище формулу, можна подумати, що раз вже сили по модулю рівні, а за напрямом протилежні, то навіщо взагалі їх розглядати, адже вони анулюють один одного. Це судження є помилковим. Доказом цього є величезна кількість прикладів третього закону Ньютона з життя. Наприклад, кінь тягне віз. Згідно цього закону кінь впливає на віз, але з такою ж силою остання діє на тварину в протилежному напрямку. Тим не менше вся система (кінь і віз) не стоїть на місці, а рухається.
Наведений приклад показує, що розглянутий принцип дії-протидії не є таким простим, як це здається на перший погляд. Сили F12 і -F21 не анулюються, оскільки прикладені до різних тіл. Кінь не стоїть на місці, хоча віз і перешкоджає цьому, тільки тому, що на її копита діє ще одна сила, яка прагне повідомити прискорення тварині – це вплив поверхні землі (реакція опори).
Таким чином, при вирішенні завдань на 3-й ньютонівський принцип слід завжди розглядати сили, які діють на окремі конкретні тіла, а не на всю систему відразу.
Зв’язок з законом збереження кількості руху
Третій ньютонівський закон по суті є причиною збереження імпульсу системи. Дійсно, розглянемо один цікавий приклад третього закону Ньютона – рух ракети в космічному просторі. Всім відомо, що воно здійснюється за рахунок реактивної тяги. Але звідки береться ця тяга? Ракета несе на своєму борту баки з паливом, наприклад з газом і киснем. Під час згоряння паливо залишає ракету і вилітає з величезною швидкістю в космічний простір. Цей процес характеризується впливом згорілих газів на корпус ракети, останній же впливає на гази з аналогічною силою. Результат проявляється у прискоренні газів в одну сторону, а ракети – в іншу.
Але ж цю задачу можна розглянути і з точки зору збереження імпульсу. Якщо врахувати знаки швидкостей газу і ракети, то сумарний імпульс виявиться рівним нулю (він таким і був до згоряння палива). Імпульс зберігається лише тому, що діють згідно з принципом дії-протидії сили є внутрішніми, існуючими між частинами системи (ракетою і газами).
Як цей принцип пов’язаний з прискоренням всієї системи?
Іншими словами, як зміняться сили F12 і -F21, якщо система, в якій вони виникають, буде рухатися прискорено? Звернемося до прикладу з конем і возом. Припустимо, вся система почала збільшувати свою швидкість, проте сили F12 і -F21 залишаться при цьому незмінними. Прискорення виникає за рахунок збільшення сили, з якою поверхню землі діє на копита тварини, а не за рахунок зменшення сили протидії вози -F21.
Таким чином, взаємодії всередині системи не залежать від її зовнішнього стану.
Деякі приклади з життя
“Наведіть приклади третього закону Ньютона” – це завдання часто можна чути від шкільних вчителів. Вище вже були наведені приклади з ракетою і конем. У списку нижче перерахуємо ще деякі:
- відштовхування плавця від стінки басейну: плавець отримує прискорення, оскільки на нього впливає стіна;
- політ птаха: штовхаючи повітря вниз і назад при кожному помаху крила, птах отримує поштовх від повітря вгору і вперед;
- відскік футбольного м’яча від стіни: прояв протидії сили реакції стіни;
- тяжіння Землі: з якою силою наша планета притягує нас вниз, з точно такою ж ми впливаємо на неї вгору (для планети це мізерна сила, вона її “не помічає”, а ми – так).
Всі ці приклади приводять до важливого висновку: будь-які силові взаємодії в природі завжди виникають у вигляді пари протидіючих сил. Неможливо чинити вплив на об’єкт, не зазнавши при цьому його протидію.
