UNDANG-UNDANG KETIGA NEWTON: APLIKASI, EKSPERIMEN DAN LATIHAN - FIZIKAL - 2025

The undang-undang ketiga Newton , juga dikenali sebagai tindakan dan undang-undang tindak balas menyatakan bahawa apabila mengenakan objek memaksa yang lain, yang juga mengenakan kedua pada daya yang pertama magnitud yang sama dan arah dan yang arah yang bertentangan.

Isaac Newton membuat tiga undang-undangnya diketahui pada tahun 1686 dalam bukunya Philosophiae Naturalis Principia Mathematica atau Matematik Prinsip Falsafah Alam.

Roket angkasa menerima pendorong yang diperlukan berkat gas yang dikeluarkan. Sumber: Pixabay.

Penjelasan dan formula

Rumusan matematik Undang-undang Ketiga Newton sangat mudah:

F ₁₂ = - F ₂₁

Salah satu kekuatan disebut tindakan dan yang lain adalah reaksi. Walau bagaimanapun, perlu menekankan pentingnya perincian ini: kedua-duanya bertindak pada objek yang berbeza. Mereka juga melakukannya secara serentak, walaupun terminologi ini secara tidak benar menunjukkan bahawa tindakan berlaku sebelum dan reaksi sesudahnya.

Oleh kerana daya adalah vektor, mereka dilambangkan dengan huruf tebal. Persamaan ini menunjukkan bahawa kita mempunyai dua objek: objek 1 dan objek 2. Daya F ₁₂ adalah satu yang diberikan oleh objek 1 pada objek 2. Daya F ₂₁ diberikan oleh objek 2 pada objek 1. Dan tanda (-) menunjukkan bahawa mereka bertentangan.

Pemerhatian yang teliti terhadap undang-undang ketiga Newton menunjukkan perbezaan penting dengan dua yang pertama: sementara mereka menggunakan satu objek, hukum ketiga merujuk kepada dua objek yang berbeza.

Dan jika anda berfikir dengan teliti, interaksi memerlukan sepasang objek.

Atas sebab ini, daya tindak dan tindak balas tidak saling membatalkan atau seimbang, walaupun mereka mempunyai magnitud dan arah yang sama, tetapi arah yang berlawanan: mereka diterapkan pada badan yang berlainan.

Permohonan

Interaksi bola-tanah

Berikut adalah aplikasi interaksi yang sangat berkaitan dengan Hukum Ketiga Newton: bola jatuh dan Bumi secara menegak. Bola jatuh ke tanah kerana Bumi menggunakan daya tarikan, yang dikenali sebagai graviti. Daya ini menyebabkan bola jatuh dengan pecutan berterusan 9.8 m / s ² .

Namun, hampir tidak ada yang memikirkan hakikat bahawa bola itu juga memberikan daya tarikan yang menarik di Bumi. Tentunya bumi tidak berubah, kerana jisimnya jauh lebih besar daripada bola dan oleh itu mengalami pecutan yang tidak dapat diabaikan.

Satu lagi perkara penting mengenai undang-undang ketiga Newton adalah bahawa hubungan antara dua objek yang saling berinteraksi tidak diperlukan. Ini jelas dari contoh yang disebutkan: bola belum bersentuhan dengan Bumi, tetapi tetap saja menarik. Dan bola di Bumi juga.

Kekuatan seperti graviti, yang bertindak secara tidak jelas sama ada terdapat hubungan antara objek atau tidak, disebut "kekuatan tindakan pada jarak". Sebaliknya, daya seperti geseran dan normal memerlukan objek yang saling berinteraksi bersentuhan, itulah sebabnya ia dipanggil "daya sentuhan".

Rumusan yang diambil dari contoh

Kembali ke bola - Sepasang objek bumi, memilih indeks P untuk bola dan T untuk bumi dan menerapkan undang-undang kedua Newton kepada setiap peserta dalam sistem ini, kami memperoleh:

_Menghasilkan F = m. ke

Undang-undang ketiga menyatakan bahawa:

m _P a _P = - m _T a _T

a _P = 9.8 m / s ² diarahkan secara menegak ke bawah. Oleh kerana pergerakan ini berlaku di sepanjang arah menegak, notasi vektor (tebal) dapat dikeluarkan; dan memilih arah ke atas sebagai positif dan ke bawah sebagai negatif, kita mempunyai:

a _P = 9.8 m / s ²

m _T ≈ 6 x 10 ²⁴ Kg

Tidak kira jisim bola, pecutan Bumi adalah sifar. Itulah sebabnya ia diperhatikan bahawa bola jatuh ke arah Bumi dan bukan sebaliknya.

Operasi roket

Roket adalah contoh yang baik untuk menerapkan undang-undang ketiga Newton. Roket yang ditunjukkan dalam gambar pada awalnya naik berkat penggerak gas panas pada kelajuan tinggi.

Ramai yang percaya bahawa ini berlaku kerana gas ini entah bagaimana "bersandar" di atmosfera atau tanah untuk menyokong dan mendorong roket. Ia tidak berfungsi seperti itu.

Sama seperti roket memberi kekuatan pada gas dan mengusirnya ke belakang, gas menggunakan daya pada roket, yang mempunyai modulus yang sama, tetapi berlawanan arah. Kekuatan inilah yang memberi roket kepada pecutan ke atas.

Sekiranya anda tidak mempunyai roket seperti itu, ada cara lain untuk memastikan bahawa Undang-undang Ketiga Newton berfungsi untuk memberikan dorongan. Roket air dapat dibangun, di mana daya tuju yang diperlukan disediakan oleh air yang dikeluarkan melalui gas di bawah tekanan.

Harus diingat bahawa pelancaran roket air memerlukan masa dan memerlukan banyak langkah berjaga-jaga.

Penggunaan skate

Cara yang lebih berpatutan dan segera untuk menguji kesan Undang-undang Ketiga Newton adalah dengan memakai sepasang sepatu roda dan mendorong diri anda ke dinding.

Selalunya kemampuan untuk menggunakan kekuatan dikaitkan dengan objek yang sedang bergerak, tetapi yang benar adalah bahawa objek tidak bergerak juga dapat mengerahkan kekuatan. Skater digerakkan ke belakang berkat kekuatan yang dilancarkan oleh dinding tidak bergerak kepadanya.

Permukaan yang bersentuhan saling bersentuhan (normal) antara satu sama lain. Ketika sebuah buku terletak di atas meja mendatar, ia memberikan kekuatan menegak yang disebut normal di atasnya. Buku ini memberikan kekuatan menegak dengan nilai berangka yang sama dan arah yang bertentangan.

Eksperimen untuk kanak-kanak: pemain skaters

Kanak-kanak dan orang dewasa dapat dengan mudah mengalami undang-undang ketiga Newton dan mengesahkan bahawa daya tindak dan tindak balas tidak terbatal dan mampu memberikan pergerakan.

Dua pemain skat di atas ais atau di permukaan yang sangat halus dapat mendorong satu sama lain dan mengalami pergerakan ke arah yang berlawanan, sama ada mereka mempunyai jisim yang sama atau tidak, berkat undang-undang tindakan dan reaksi.

Pertimbangkan dua pemain skat dengan jisim yang agak berbeza. Mereka berada di tengah gelanggang es dengan geseran yang tidak dapat dielakkan dan pada awalnya sedang berehat. Pada saat tertentu mereka saling mendorong dengan menggunakan kekuatan berterusan dengan telapak tangan mereka. Bagaimana mereka berdua akan bergerak?

Dua skaters saling mendorong di tengah gelanggang ais. Sumber: Benjamin Crowell (pengguna Wikipedia bcrowell)

Penting untuk diperhatikan bahawa kerana ini adalah permukaan tanpa geseran, satu-satunya kekuatan yang tidak seimbang adalah kekuatan yang diterapkan skaters satu sama lain. Walaupun berat dan tindakan normal pada kedua-duanya, kekuatan ini seimbang, jika tidak, pemain skater akan memecut dalam arah menegak.

Formula yang digunakan dalam contoh ini

Undang-undang ketiga Newton menyatakan bahawa:

F ₁₂ = - F ₂₁

Maksudnya, daya yang diberikan oleh skater 1 pada 2 sama besarnya dengan kekuatan yang diberikan oleh 2 on 1, dengan arah yang sama dan arah yang berlawanan. Perhatikan bahawa daya ini diterapkan pada objek yang berbeda, dengan cara yang sama seperti gaya yang diterapkan pada bola dan Bumi dalam contoh konsep sebelumnya.

m ₁ hingga ₁ = -m ₂ hingga ₂

Oleh kerana daya berlawanan, pecutan yang mereka buat juga akan berlawanan, tetapi besarannya akan berbeza, kerana setiap skater memiliki jisim yang berbeza. Mari kita lihat pecutan yang diperoleh oleh pemain skater pertama:

Jadi pergerakan yang berlaku seterusnya adalah pemisahan kedua-dua skaters ke arah yang bertentangan. Pada prinsipnya para skaters sedang berehat di tengah trek. Masing-masing menggunakan daya yang lain yang memberikan pecutan selagi tangan bersentuhan dan daya tuju bertahan.

Selepas itu pemain skat bergerak dari satu sama lain dengan gerakan lurus yang seragam, kerana kekuatan yang tidak seimbang tidak lagi bertindak. Kelajuan setiap pemain ski akan berbeza jika jisimnya juga.

Latihan diselesaikan

Untuk menyelesaikan masalah di mana undang-undang Newton harus diterapkan, adalah perlu untuk menarik kekuatan yang bertindak pada objek dengan hati-hati. Lukisan ini disebut "gambarajah badan bebas" atau "gambarajah badan terpencil." Daya yang diberikan oleh badan pada objek lain tidak boleh ditunjukkan dalam rajah ini.

Sekiranya terdapat lebih dari satu objek yang terlibat dalam masalah tersebut, adalah perlu untuk melukis gambarajah badan bebas untuk setiap objek, dengan mengingat bahawa pasangan tindakan-tindakan bertindak pada badan yang berlainan.

a) Pecutan yang diperoleh oleh setiap pemain skater berkat tolakan.

b) Kelajuan setiap satu ketika mereka berpisah

Penyelesaian

a) Ambil arah mendatar positif dari kiri ke kanan. Mengaplikasikan undang-undang kedua Newton dengan nilai yang diberikan oleh pernyataan yang kami ada:

F ₂₁ = m ₁ hingga ₁

Dari mana:

Untuk pemain skater kedua:

b) Persamaan kinematik gerakan lurus yang dipercepat secara seragam digunakan untuk mengira halaju yang mereka bawa sama seperti yang mereka asingkan:

Halaju awal adalah 0, kerana mereka berada di tengah trek:

v _f = pada

v _f1 = a ₁ t = -4 m / s ² . 0.40 s = -1.6 m / s

v _f2 = a ₂ t = +2.5 m / s ² . 0.40 s = +1 m / s

Keputusan

Seperti yang dijangkakan, orang yang lebih ringan memperoleh pecutan yang lebih besar dan dengan itu kelajuan yang lebih besar. Sekarang perhatikan yang berikut mengenai produk jisim dan kelajuan setiap pemain skater:

m ₁ v ₁ = 50 kg. (-1,6 m / s) = - 80 kg.m / s

m ₂ v ₂ = 80 kg. 1 m / s = +80 kg.m / s

Jumlah kedua-dua produk adalah 0. Produk jisim dan kelajuan disebut momentum P. Ia adalah vektor dengan arah dan rasa kelajuan yang sama. Ketika para pemain skatir dalam keadaan istirahat dan tangan mereka bersentuhan, dapat diasumsikan bahawa mereka membentuk objek yang sama yang momentumnya adalah:

P _o = (m ₁ + m ₂ ) v _o = 0

Setelah tolakan selesai, jumlah gerakan sistem skating tetap 0. Oleh itu jumlah gerakan dipulihara.

Contoh undang-undang ketiga Newton dalam kehidupan seharian

Jalan

Berjalan kaki adalah salah satu tindakan yang paling biasa dilakukan setiap hari. Sekiranya diperhatikan dengan teliti, tindakan berjalan memerlukan mendorong kaki ke tanah, sehingga mengembalikan daya yang sama dan berlawanan di kaki pejalan kaki.

Semasa berjalan, kami sentiasa menggunakan undang-undang ketiga Newton. Sumber: Pixabay.

Kekuatan inilah yang membolehkan orang berjalan. Dalam penerbangan, burung-burung melakukan kekuatan di udara dan udara mendorong sayap sehingga burung itu mendorong dirinya ke depan.

Pergerakan kereta

Di dalam kereta, roda menggunakan kekuatan di trotoar. Berkat reaksi trotoar, ia memberi kekuatan pada tayar yang mendorong kereta ke hadapan.

Sukan

Dalam sukan, kekuatan tindakan dan reaksi banyak dan mempunyai penyertaan yang sangat aktif.

Sebagai contoh, mari kita lihat atlet dengan kakinya bersandar di blok pemula. Blok memberikan daya normal sebagai tindak balas terhadap desakan yang dilakukan oleh atlet ke atasnya. Hasil dari keadaan normal dan berat pelari ini, menghasilkan daya mendatar yang membolehkan atlet mendorong dirinya ke hadapan.

Atlet menggunakan blok permulaan untuk menambah momentum ke hadapan pada permulaan. Sumber: Pixabay.

Selang api

Contoh lain di mana undang-undang ketiga Newton ada adalah dalam pasukan bomba yang memegang selang kebakaran. Hujung selang besar ini mempunyai pegangan pada muncung yang mesti dipegang oleh pemadam kebakaran ketika jet air keluar, untuk mengelakkan mundur yang berlaku ketika air mengalir keluar.

Untuk alasan yang sama, lebih senang mengikat kapal ke dermaga sebelum meninggalkannya, kerana ketika mereka didorong untuk sampai ke dermaga, kekuatan diberikan kepada kapal yang menggerakkannya dari darinya.

Rujukan

1. Giancoli, D. 2006. Fizik: Prinsip dengan Aplikasi. Edisi Keenam. Dewan Prentice. 80 - 82.
2. Rex, A. 2011. Asas Fizik. Pearson. 73 - 75.
3. Tipler, P. 2010. Fizik. Jilid 1. Edisi Ke-5. Reverté Pengarang. 94 - 95.
4. Stern, D. 2002. Dari ahli astronomi ke kapal angkasa. Diambil dari: pwg.gsfc.nasa.gov.