Об исторических конях запрета безопорного движения
Ньютон сформулировал три основных закона механики в 1689 году в своем фундаментальном труде «Математические начала натуральной философии», где в частности описывает знаменитый третий закон и следствия из него :
«Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе – взаимодействие двух тел друг на друга между собою равны и направлены в противоположные стороны.»
Чуть ниже Ньютон поясняет, почему он сформулировал свой третий закон механики именно в таком виде [там же]:
«Если какое-нибудь тело, ударившись в другое тело, изменяет своею силою его количество движения на сколько-нибудь, то оно претерпит силы второго рода в своем собственном количестве движения то же самое изменение, но обратно направленное, ибо давления этих тел друг на друга постоянно равны.»
Это пояснение указывает нам, что Ньютон выводил свой третий закон из анализа ударного взаимодействия двух тел.
Этот вывод подтверждается им самим в обосновании третьего следствия из рассматриваемого закона, где он описывает опыт с взаимодействием двух шаров с разной массой подвешенных на нитях. Иными словами третий закон Ньютона фактически есть следствие закона сохранения импульса, который описывается следующим выражением:
Р(11) + р(21) = р(12) + р(22)
где
р(11) – количество движения первого тела до взаимодействия;
р(21) – количество движения второго тела до взаимодействия;
р(12) – количество движения первого тела после взаимодействия;
р(22) – количество движения второго тела после взаимодействия.
Р = m * u
где
m – масса тела;
u – скорость тела.
Теперь рассмотрим случай, когда массу второго тела по отношению к первому можно рассматривать как бесконечность, например, стена дома, а второе тело небольшим, например, футбольный мяч, который не может причинить стене ни какого ущерба. Тогда скорости второго тела до взаимодействия и после равны между собой и соответственно равны нулю, так как стена ни до, ни после взаимодействия никуда не двигается. В этом случае закон сохранения импульса принимает вид:
Р(11) = р(12)
Разделив правую и левую часть уравнения на время получаем:
р(11)/t = р(12)/t
F(11) = F(12)
F(11) - F(12) = 0
В этом случае мы можем утверждать, что сила взаимодействия меча со стеной равна по модулю и обратна по направлению силе с которой стена воздействует на мяч. А это уже по сути своей и есть третий закон Ньютона.
И в этом выводе ни кто не видит никакого подвоха. Все математически верно и физически логично. Но в том то и дело, что в этом выводе на первое место вышла математическая интерпретация рассмотренного события, а его физическая суть оказалась не различимой.
На самом деле второе тело, в нашем случае это стена, физически никакого участия в формировании импульса обратного движения не принимает, оно лишь не позволило первому телу (мячу) двигаться дальше. Но в силу первого закона Ньютона, любое тело находится в прямолинейном движении до тех пор пока другое тело не станет для него препятствием и не изменит направление его движения. Поэтому второе тело став препятствием изменяет направление движения первого тела, но не сообщает ему ни какого дополнительного действия. Таким образом, мяч продолжает свое движение, только изменив его направление. Это хорошо видно на примере рикошета, когда одно тело отскакивает от другого под углом равным углу контакта.
Рассмотрим другую ситуацию. Два тела с одинаковой массой и противоположным направлением движения взаимодействуют друг с другом.
Тогда после столкновения мы имеем два события:
F(11) = F(12) и F(21) = F(22)
Иными словами оба тела сохранили свое движение, но при этом изменили его направление. Ни какого обмена импульсами в этом случае между ними не произошло.
Итак, подведем итог. Третий закон Ньютона, в том виде в котором он им сформулирован описывает лишь частный случай взаимодействия двух тел, при этом за его рамками остаются не рассмотренными множество других случаев такого взаимодействия. Например, мы ударим по стене не футбольным мечом, а огромным металлическим шаром, которым строители разрушают старые здания. В этом случае часть стены начнет двигаться вместе с ядром. То есть ни какого равного противодействия ядро не испытало на себе, а просто проломив преграду продолжило свое движение, а стена при этом просто исчезла с его пути.
Далее Ньютон приводит очень важное четвертое следствие из третьего закона :
«Центр тяжести системы двух или нескольких тел от взаимодействия друг друга не изменяет ни своего состояния покоя, ни движения; поэтому центр тяжести системы всех действующих друг на друга тел (при отсутствии внешних действий и препятствий) или находится в покое, или движется равномерно и прямолинейно.»
Пояснения этой формулировке Ньютон дает ниже [там же]:
«… так как в системе двух тел, действующих друг на друга, расстояние центра тяжести каждого из них до общего центра тяжести системы обратно пропорционально массам тел, то относительные количества движения, с которыми оба тела или приближаются к этому центру, или от него удаляются, между собой равны. В следствии этого, сказанный центр тяжести системы не претерпит от происходящих в противоположных направлениях равных изменений количеств движения, вызываемых действием тел друг на друга, ни ускорения, ни замедления в своем движении и не изменит своего состояния покоя или равномерного и прямолинейного движения.»
Поскольку четвертое следствие третьего закона Ньютона является краеугольным камнем всех официальных и не официальных противников безопорного движения рассмотрим его более подробно.
Первый абзац пояснения описывает случай, когда два тела связанных между собой пропорционально изменяют свое положение относительно общего центра тяжести системы, при чем эти изменения равны по модулю и обратны по направлению. Иными словами исходя из формулировки третьего закона, любое действие внутри системы вызывает отклик равный по модулю и противоположный по направлению, в результате суммарный импульс всей системы равен нулю.
Сегодня теоретическая механика формулирует это положение более четко:
Если главный вектор, и главный крутящий момент системы равны нулю, то система находится либо в покое, либо в равномерном прямолинейном движении, и никакое преобразование внутренних сил не может вывести её из этого состояния.
После этого реализацию безопорного движения можно считать бесполезным занятием. Как собственно и считают большинство ученых и специалистов, поэтому до сих пор этот вид движения человечеством и не освоен.
Но, слава богу, среди специалистов всегда есть сомневающиеся, желающие проверить верность общеизвестных истин и среди них надо назвать нашего соотечественника, которого сегодня можно с уверенностью назвать патриархом безопорного движения в нашей стране, а возможно и за её пределами, – это Владимир Николаевич Толчин. Он не только не был признан современниками, но фактически был ими ошельмован. Но именно он своим подвижническим трудом заложил зерна сомнения в непогрешимости третьего закона Ньютона. В дальнейшем, у него нашлось много последователей, но ни кто из них не осмелился сказать: «А король то голый». Сегодня я впервые предпринимаю эту попытку.
Рассматривая внутреннюю сущность третьего закона Ньютона, мы приходим к выводу, что он описывает лишь частный случай общего взаимодействия двух тел. Именно в рамках этого частного случая и надо рассматривать четвертое следствие этого закона. То есть исходя из предположения, что все внутренние силы механической системы уравновешены между собой и их главный вектор и главный крутящий момент равны нулю. Но если внутри системы создать условие, когда один элемент относительно других будет обладать некомпенсированной силой, то либо главный вектор, либо главный крутящий момент будут отличны от нуля.
Поэтому третий закон Ньютона должен быть сформулирован по иному, через условие векторной суммы внутренних сил:
1. Если векторная сумма внутренних сил механической системы равна нулю, то она находится в покое, либо равномерном прямолинейном движении, т.е. в уравновешенном пространственном положении.
2. Если векторная сумма внутренних сил механической системы равна нулю и при этом она испытывает на себе воздействие внешних сил, то она может изменить свое уравновешенное положение в пространстве.
3. Если векторная сумма внутренних сил механической системы отлична от нуля, то она может изменить свое уравновешенное положение в пространстве не зависимо от воздействия на неё внешних сил.
Таким образом, третий закон механики в обобщенном виде не запрещает безопорного движения, а лишь определяет условия, при котором оно возможно. Внутри механической системы должна существовать внутренняя некомпенсированная сила, которая влияет на главный вектор механической системы и делает его отличным от нуля.
1. Ньютон Исаак. Математические начала натуральной философии. – М.: Наука, 1989.
Рецензии
«Поэтому второе тело, став препятствием, изменяет направление движения первого тела, но не сообщает ему никакого дополнительного действия»».
Изменение направления движения мяча – это приложение силы стены к мячу. Когда одно тело (поверхность) становится для другого препятствием – это значит, что тело (поверхность) воздействует на другое тело, то есть прикладывает силу к другому телу. Какие ещё «дополнительные» действия Вы ожидаете?
«…оба тела сохранили свое движение, но при этом изменили его направление. Никакого обмена импульсами в этом случае между ними не произошло».
Странный вывод! Импульс величина векторная, а значит, изменились импульсы у каждого тела – на обратные по направлению и равные по модулю, то есть как раз произошёл обмен. Кроме того, не «сохранили движение», а продолжили после столкновения, сохранив скорость движения, или даже вновь её достигнув (после лобового столкновении с остановкой).
Если мы ударим по стене не мячом, а металлическим строительным шаром, то стена так же противодействует шару, но сила воздействия шара превышает силы связи (прочности) внутри стены, поэтому часть стены начнет двигаться вместе с ядром, противодействуя ему и при этом отрываясь от остальной целой стены. Ядро, проломив преграду, продолжит свое движение лишь на то расстояние, которое позволит ему противодействие выломанного куска стены.
Таким образом, у нас нет оснований делать вывод, что Третий закон описывает лишь частный случай общего взаимодействия двух тел. А благодаря приведённому Вами четвертому следствию из третьего закона: «Центр тяжести … системы всех действующих друг на друга тел (при отсутствии внешних действий и препятствий) или находится в покое, или движется равномерно» мы имеем условие применимости этого закона – отсутствие внешнего воздействия. Поэтому новая формулировка закона бесполезна, а пункт 3 (Если векторная сумма внутренних сил механической системы отлична от нуля, то система может изменить свое уравновешенное положение в пространстве независимо от воздействия на неё внешних сил) бессмысленен, поскольку векторная сумма внутренних сил системы может стать отличной от нуля только при внешнем воздействии.
Безопорное движение невозможно по одной очень простой причине – любая система имеет основание, поэтому движение в любой системе опирается на это основание.
С уважением,
Всякое действие тел друг на друга носит характер, взаимодействия: если тело 1 действует на тело 2 с силой то и тело 2 в свою очередь действует на тело 1 с силой
Третий закон Ньютона утверждает, что силы, с которыми действуют друг на друга взаимодействующие равны по величине и противоположны по направлению. Используя приведенные выше обозначения сил, содержание третьего закона можно представить в виде равенства:
Из третьего закона Ньютона вытекает, что силы возникают попарно: всякой силе, приложенной к какому-то телу, можно сопоставить равную ей по величине и противоположно направленную силу, приложенную к другому телу, взаимодействующему с данным.
Третий закон Ньютона бывает справедлив не всегда. Он выполняется вполне строго в случае контактных взаимодействий (т. е. взаимодействий, наблюдающихся при непосредственном соприкосновении тел), а также при взаимодействии находящихся на некотором расстоянии друг от друга покоящихся тел.
В качестве примера нарушения третьего закона Ньютона может служить система из двух заряженных частиц движущихся в рассматриваемый момент так, как показано на рис. 11.1. В электродинамике доказывается, что, кроме подчиняющейся третьему закону силы электростатического взаимодействия на первую частицу будет действовать магнитная сила На вторую же частицу действует лишь сила равная Величина магнитной силы, действующей на вторую частицу, для изображенного на рисунке случая равна нулю.
Отметим, что при скоростях частиц, много меньших скорости света в пустоте (при ), сила F пренебрежимо мала по сравнению с силой так что третйй закон Ньютона оказывается практически справедливым и в этом случае.
Теперь рассмотрим систему из двух электрически нейтральных частиц удаленных друг от друга на расстояние . Вследствие всемирного тяготения эти частицы притягивают друг друга с силой
В данном случае взаимодействие частиц осуществляется через гравитационное поле. Скажем, первая частица создает в окружающем ее пространстве поле, которое проявляет себя в том, что на помещенную в какую-либо точку этого поля частицу действует сила притяжения к первой частице. Аналогично вторая частица создает поле, которое проявляет себя в действии на первую частицу. Опыт дает, что изменения поля, обусловленные, например, изменением положения создающей поле частицы, распространяются в пространстве не мгновенно, а с хотя и очень большой, но конечной скоростью, равной скорости света в пустоте с.
Предположим, что первоначально частицы покоятся в положениях 1 и 2 (рис. 11.2). Силы взаимодействия равны по величине и противоположны по направлению. Теперь пусть частица очень быстро (со скоростью, почти равной с) сместится в положение . В этой точке на частицу будет действовать сила меньшая по величине. и иначе направленная, чем (напомним, что поле частицы остается неизменным). На, вторую же частицу, пока возмущение поля, вызванное смещением не достигнет точки 2, будет продолжать действовать сила Следовательно, пока двигалась частица течение некоторого времени после того, как она остановилась в точке 1, третий закон Ньютона был нарушен.
Если бы частица перемещалась из точки 1 в точку Г со скоростью V, много меньшей или скорость распространения возмущений поля была бесконечно большой, то мгновенные значения поля в точке 2 отвечали бы положениям частицы в, тот же момент времени, и следовательно, нарушений третьего закона не наблюдалось бы.
Ньютоновская механика вообще справедлива лишь для скоростей движения, много меньших скорости света (при ). Поэтому в рамках этой механики скорость распространения возмущений поля считается бесконечной, а третий закон Ньютона выполняющимся всегда.
Силы взаимодействия тел
Замечание 1
Известно, что не бывает одностороннего действия одного тела на другое, тела всегда взаимодействуют друг с другом. Например, во время забивания гвоздя не только молоток действует на гвоздь, но и гвоздь, в свою очередь, действует на молоток, в результате чего молоток останавливается.
Выясним, с какими силами два тела действуют друг на друга. Для этого рассмотрим такие опыты.
Рисунок 1.
На рисунке 1 изображены два сцепленных друг с другом динамометра, один из которых прикреплен к вертикальной стойке С. Если потянуть за другой динамометр, то пружины обоих приборов растянутся и будут действовать друг на друга силами упругости $\overline{F}_{1} $~и $\overline{F}_{2} $, направленными в противоположные стороны. При этом показания динамометров будут одинаковы - значит, модули сил $F_{1} $, и $F_{2} $~равны.
Если за правый динамометр потянуть сильнее, то показания обоих динамометров возрастут на одну и ту же величину, т. е. опять будут равны друг другу. Значит, и в этом случае динамометры взаимодействуют с одинаковыми по модулю силами.
Тела действуют друг на друга с равными по модулю силами и в том случае, если взаимодействие происходит на расстоянии. Опыт, доказывающий это, изображен на рисунке 2.
На нем мы видим два демонстрационных динамометра на штативе. На стержни динамометров надеты круглые столики, к которым клейкой лентой прикреплены плоские керамические магниты. Магниты отталкиваются, поскольку обращены друг к другу одноименными полюсами. До начала опыта динамометры были разведены на такое расстояние, при котором силы взаимодействия магнитов были практически равны нулю и не регистрировались динамометрами.
Когда один из динамометров стали приближать к другому, их стрелки начали отклоняться от нуля в разные стороны. Это означает, что силы, с которыми магниты действуют друг на друга, противоположны по направлению.
Рисунок 2.
При сближении магнитов показания динамометров возрастают, но в каждый момент они равны друг другу --- значит, магниты отталкиваются с равными по модулю силами.
Теперь рассмотрим опыт, в котором силы взаимодействия измеряются в процессе движения взаимодействующих тел. На рисунке 3 изображен самодвижущийся игрушечный трактор, который тянет на буксире металлическую коробку с грузом. В качестве буксирного троса использованы сцепленные друг с другом трубчатые динамометры, один из которых прикреплен к трактору, а второй - к коробке. Показания динамометров одинаковы, значит, движущиеся трактор и коробка действуют друг на друга с равными по модулю силами.
Рисунок 3.
Проделанные опыты свидетельствуют о том, что \textbf{силы, с которыми два тела действуют друг на друга, равны по модулю и противоположны по направлению.}
Этот закон был открыт Ньютоном и называется третьим законом Ньютона.
Третий закон Ньютона
Математическая запись третьего закона Ньютона имеет следующий вид:
Знак минус показывает, что векторы сил направлены в разные стороны.
Любое из наблюдаемых нами движений различных тел можно объяснить с помощью законов Ньютона. Например, идущий человек движется вперед благодаря тому, что он отталкивается ногами от земли, т. е. взаимодействует с ней. Человек и земля действуют друг на друга с одинаковыми по модулю и противоположно направленными силами и получают ускорения, обратно пропорциональные их массам. Поскольку масса Земли огромна по сравнению с массой человека, то ускорение Земли практически равно нулю, т. е. она не меняет свою скорость. Человек же приходит в движение относительно Земли.
Замечание 2
Следует отметить, что силы, возникающие в результате взаимодействия тел, являются силами одной и той же природы. Например, Земля и Луна взаимодействуют друг с другом посредством сил всемирного тяготения, стальной гвоздь и магнит притягиваются благодаря действию магнитных сил.
Примеры сил взаимодействия:
- сила гравитационного притяжения двух тел;
- силы притяжения и отталкивания двух магнитов;
- силы притяжения и отталкивания двух электрически заряженных тел;
- силы притяжения нуклонов в атомной ядре;
- силы, возникающие при упругой деформации;
- силы взаимодействия молекул.
Замечание 3
Следует помнить, что силы, о которых говорится в третьем законе Ньютона, никогда не уравновешивают друг друга, поскольку они приложены к разным телам. Две равные по модулю и противоположно направленные силы уравновешивают друг друга в том случае, если они приложены к одному телу. Тогда их равнодействующая равна нулю, и тело при этом находится в равновесии, т. е. либо покоится, либо движется равномерно и прямолинейно.
Пример 1
\item Две девочки катаются на скейтах, причем вторая девочка катается вместе со своим братом. Оттолкнувшись друг от друга, девочки приобрели противоположно направленные ускорения, равные
$a_{1} =2$м/с2 и $a_{2} =1,5$м/с2 соответственно. Зная массу обеих девочек $m_{1} =45$кг и $m_{2} =32$кг, вычислите массу брата.
$m_{1} =45$кг, $m_{2} =32$кг, $a_{1} =2 \ м/c^2$, $a_{2} =1,5 \ м/c^2.$
Найти: $m$-?
Решение: Девочки, оттолкнувшись, приобрели ускорения, которые направлены по одной прямой в противоположные стороны и подействовали друг на друга с силами, которые имеют одинаковые модули и противоположные направления:
\[\overline{F}_{1} =-\overline{F}_{2} \]
Запишем второй закон Ньютона для движущихся девочек:
$F_{1} =m_{1} a_{1} $ - сила, с которой вторая девочка вместе с братом действуют на первую девочку.
$F_{2} =(m_{2} +m)a_{2} $ - сила, с которой первая девочка действует на вторую девочку.
Подставив выражения для сил в выражение для третьего закона Ньютона, найдем массу брата:
$m=\frac{m_{1} a_{1} -m_{2} a_{2} }{a_{2} } =28$кг
Говорится о поведении тела, изолированного от воздействия других тел. Второй закон говорит о прямо противоположной ситуации. В нем рассматриваются случаи, когда тело или несколько тел воздействуют на данное.
Оба эти закона описывают поведение одного конкретного тела. Но во взаимодействии всегда участвуют минимум два тела. Что будет происходить с обоими этими телами? Как описать их взаимодействие? Анализом этой ситуации и занялся Ньютон после формулировки своих первых двух законов. Займемся и мы такими же изысканиями.
Взаимодействие двух тел
Мы знаем, что при взаимодействии воздействуют друг на друга оба тела. Не бывает такого, чтобы одно тело толкнуло другое, а второе в ответ никак не отреагировало бы. Такое может происходить среди по-разному воспитанных людей, но никак не в природе.
Мы знаем, что если мы пинаем мяч, то мяч в ответ пинает нас. Другое дело, что мяч имеет намного меньшую массу, чем тело человека, и потому его воздействие практически не ощутимо.
Однако, если вы попробуете пнуть тяжелый железный мяч, то живо ощутите это ответное воздействие. Фактически, мы каждый день по многу раз пинаем очень и очень тяжелый мяч нашу планету. Мы толкаем ее каждым своим шагом, только при этом отлетает не она, а мы. А все потому, что планета в миллионы раз превосходит нас по массе.
Соотношение сил во взаимодействии между телами
Так что из этих рассуждений видно, что при взаимодействии двух тел, не только первое действует на второе с некоторой силой, но и второе в ответ действует на первое также с некоторой силой. Возникает вопрос: а как соотносятся эти силы? Какая из них больше, какая меньше?
Для этого необходимо проделать некоторые измерения. Потребуются два динамометра, но в домашних условиях их вполне могу заменить два безмена. Они измеряют вес, а вес это тоже сила, только выраженная в единицах массы в случае безмена. Поэтому, если у вас есть два безмена, то проделайте следующее.
Один из них оденьте колечком на что-то неподвижное, например, на гвоздь в стене, а второй соедините с первым крючками. И потяните за колечко второго безмена. Проследите за показаниями обоих приборов. Каждый из них покажет силу, с которой на него воздействует другой безмен.
И хотя мы тянем только за один из них, окажется, что показания обоих, как на очной ставке, будут совпадать. Получается, что сила, с которой мы воздействуем вторым безменом на первый, равна силе, с которой первый безмен воздействует на второй.
Третий закон Ньютона: определение и формула
Сила действия равна силе противодействия . В этом и состоит суть третьего закона Ньютона. Определение его таково: силы, с которыми два тела действуют друг на друга, равны по величине и противоположны по направлению. Третий закон Ньютона можно записать в виде формулы:
F_1 = - F_2,
Где F_1 и F_2 силы действия друг на друга соответственно первого и второго тела.
Справедливость третьего закона Ньютона была подтверждена многочисленными экспериментами. Этот закон справедлив как для случая, когда одно тело тянет другое, так и для случая, когда тела отталкиваются. Все тела во Вселенной взаимодействуют друг с другом, подчиняясь этому закону.
