AWANS INFORMACJE FORUM Dla nauczyciela Dla ucznia LOGOWANIE


Katalog

Kinga Wierzbicka, 2019-04-11
Kraków

Fizyka, Artykuły

I, II, III zasada dynamiki Newtona

- n +

I, II, III zasada
dynamiki Newtona

Dr Kinga Wierzbicka


SPIS TREŚCI
1. Część teoretyczna
1.1 Dynamika
1.2 I zasada dynamiki
1.3 II zasada dynamiki
1.4 III zasada dynamiki
2. Część doświadczalna
2.1 I zasada dynamiki
2.2 II zasada dynamiki
2.3 III zasada dynamiki
3. Zadania
3.1 I zasada dynamiki
3.2 II zasada dynamiki
3.3 III zasada dynamiki
4. Zadanie domowe
Literatura



1. Część teoretyczna
1.1 Dynamika

Dynamika to dział mechaniki zajmujący się ruchem ciał. Rozważania dotyczące ciał poruszających się z małymi prędkościami nazywamy mechaniką klasyczną.
W zależności od tego, jaki model mechaniczny się rozpatrujemy, wyróżniamy dynamikę punktu materialnego, bryły sztywnej i dynamikę płynów.
Głównym zadaniem dynamiki jest opis ruchu ciał wywołanych siłą na nie działającą (m.in. rodzaj siła i skąd się bierze). W przyrodzie istnieją cztery podstawowe oddziaływania (siły), z których wynikają wszystkie siły i oddziaływania:
 Oddziaływanie grawitacyjne - siła grawitacyjna działa na wszystkie masy
 Oddziaływanie elektromagnetyczne - siła elektromagnetyczna działa na ładunki
i prądy; np. tarcie, siła sprężystości
 Oddziaływanie jądrowe (silne) - siła utrzymująca w całości jądra atomowe
 Oddziaływanie słabe - temu oddziaływaniu podlegają wszystkie cząstki elementarne; np. rozpady cząstek elementarnych (Kąkol).
Znanym fizykiem w dziedzinie dynamiki jest Izaak Newton, który dokonał wielu ważnych odkryć. Fundamentalna praca Newtona Philosophiae naturalis principia mathematica (Matematyczne zasady filozofii przyrody), znane jako Principia, opublikowana w 1687, głosiła trzy uniwersalne zasady dynamiki. Pierwsza zasada dynamiki nawiązuje do pojęcia bezwładności, wprowadzonego wcześniej przez Galileusza, druga połączyła pojęcie przyspieszenia z przyczyną je wywołującą, czyli siłą, zaś trzecia zasada dynamiki to prawo akcji i reakcji.

1.2 I zasada dynamiki

Zasady dynamiki Newtona to podstawowa teoria określająca zależności między ruchem ciała a siłami działającymi na nie.

Zasada
Ciało, na które nie działa żadna siła (lub gdy siła wypadkowa jest równa zeru) pozostaje w spoczynku lub porusza się ze stałą prędkością po linii prostej

.
Fwyp = F1 + F2 + F3 =0

Siła wypadkowa Fwyp jest sumą wektorową wszystkich sił działających na ciało.



Zgodnie z pierwszą zasadą dynamiki nie ma różnicy:
 między ciałami spoczywającymi a poruszającymi się ze stałą prędkością;
 sytuacją gdy nie działa żadna siła i przypadkiem gdy wypadkowa wszystkich sił jest równa zeru.
Układy fizyczne, gdzie spełniona jest I zasada dynamiki nazywamy układami inercjalnymi – bezwładnościowymi (np. krzesło, zeszyt). Z kolei w układzie
fizycznym w którym I zasada dynamiki nie jest spełniona nazywamy układami nie inercjalnymi (np. jadący samochód ze zmienna prędkością (Kąkol).

1.3 II zasada dynamiki

Zasada
Jeżeli na ciało działa niezrównoważona siła (wypadkowa), to ciało porusza się ruchem przyspieszonym, z przyspieszeniem wprost proporcjonalnym do siły, a odwrotnie proporcjonalnym do masy ciała (Wolny 2010).

F = m • a
F – siła
a – przyspieszenie
m – masa
Na podstawie drugiej zasady dynamiki możemy zdefiniować jednostkę siły
w układzie SI. Otóż jeden newton [N] to siła, która działając na ciało o masie 1 kg nadaje mu przyspieszenie równe 1 (Francuz-Ornat 2010).
[F] = 1 kg • 1 = 1 N
W sytuacji, gdy na ciało działa stała siła, porusza się ono ruchem jednostajnie przyspieszonym, np. ruch w polu grawitacyjnym (Wolny 2010).

Przyspieszenie (a) jest to wielkość wektorowa o zwrocie i kierunku działającej siły. Na każde ciało umieszczone w pobliżu Ziemi działa siła przyciągania grawitacyjnego,
która będzie powodować ruch jednostajnie przyspieszony ciał w kierunku Ziemi z przyspieszeniem 9,81 .

1.4 III zasada dynamiki

Zasada
Gdy dwa ciała oddziałują wzajemnie, to siła wywierana przez ciało drugie na ciało pierwsze jest równa i przeciwnie skierowana do siły, jaką ciało pierwsze działa na drugie (Kąkol).

Opisując oddziaływanie dwóch różnych ciał A i B, można sformułować
ww. zasadę w następujący sposób: jeżeli ciało A działa na ciało B, to ciało B działa
na ciało A siłą równą co do wartości, mającą ten sam kierunek, lecz przeciwny zwrot.

F1 – siła działającą na ciało A pochodząca od ciała B
F2 – siła działającą na ciało B pochodząca od ciała A

Trzecia zasada dynamiki mówi, że każdej sile akcji towarzyszy równa co do wartości, lecz przeciwnie skierowana siła reakcji.
Przykłady potwierdzające słuszność III zasady dynamiki:
- Ziemia przyciąga Księżyc z taką samą siłą, z jaką Księżyc przyciąga Ziemię,
- uderzając ręką w stół oddziałujemy na stół i stół działa na rękę siłą reakcji,
- lokomotywa ciągnąca wagony działa na nie siła akcji, ale także wagony działają
na lokomotywę siłą reakcji (Wolny 2010).
- piłka uderzająca o podłogę i podłoga oddziałująca na piłkę,
- siedząc na krześle i działając na nie siłą swego ciężaru, doznajemy oddziaływania siły sprężystości krzesła,
- kajakarz odpychający wiosłem wodę do tylu oraz woda pchająca wiosło, a z nim cały kajak do przodu.

2. Część doświadczalna
2.1 I zasada dynamiki

Doświadczenie nr 1- Obrus
Przyrządy: Kryształowy wazon, obrus, stół
Opis: Na stole kładziemy śliski obrus a następnie stawiamy na nim kryształowy wazon. Następnie rozpatrujemy dwie sytuacje: powoli i szybko pociągamy obrus.

Obserwacja: Przy powolnym pociąganiu obrusu kryształowy wazon przemieszcza się razem
z obrusem. Gdy umiejętnie wyszarpniemy obrus kryształowy wazon pozostanie
na swoim miejscu.

Wnioski: Jeśli na ciało nie działa siła lub działające siły równoważą, to ciało pozostaje
w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym.

2.2 II zasada dynamiki

Doświadczenie nr 2 - Wagonik
a) Wagonik i obciążnik
Przyrządy: Wagonik, nieruchomy bloczek, obciążniki
Opis: Zmontuj układ złożony z wagonika, nieruchomego bloczka i obciążnika tak, jak przedstawiono na schemacie. Zaznacz trzy odcinki wzdłuż drogi wózka (10 cm, 20 cm, 30cm) i zmierz czas, w jakim wagonik pokonuje kolejne odcinki drogi. Wyniki pomiarów zapisz w tabelce.

Wnioski: Przyspieszenie wagonika ma stałą wartość. Ruch wagonika jest ruchem jednostajnie przyspieszony.

b) Zwiększona ilość obciążników
Opis: Do zamontowanego układu doczepiaj kolejno 3 odważniki.

Obserwacja: Doczepianie większej ilości ciężarów, powoduje, że wagonik porusza się z coraz większym przyspieszeniem. Doczepianie odważników zwiększa naprężenie nitki. Dokładne pomiary wywołanego przyspieszenia, z jakim poruszał się wagonik, wykazały charakterystyczną zależność.

Wnioski: Przyspieszenie ciała, na które działa niezrównoważona siła, jest wprost proporcjonalne do działającej siły.

c) Zwiększona masa wagonika
Opis: Zmontuj układ złożony z nieruchomego bloczka i jednego obciążnika oraz wagonika obciążonego jednym, dwoma a później trzema odważnikami.

Obserwacja: Zwiększając masę wagonika widzimy, że za każdym razem porusza się on z mniejszym przyspieszeniem.
Wniosek: Przy danej wartości siły działającej na ciało przyspieszenie jest tym mniejsze, im większa jest masa ciała (Francuz-Ornat 2010).

2.3 III zasada dynamiki
Doświadczenie nr 3- Deskorolki
Przyrządy: Dwie deskorolki, dwa siłomierze oraz dwie osoby prezentujące doświadczenie.
Opis: Dwie osoby stają na deskorolkach, trzymające w ręku siłomierz przyczepiają je do siebie. Jedna osoba naciąga sprężynę siłomierza. W momencie rozpoczęcia ruchu obu deskorolek należy odczytać wartość obu sił na siłomierzach.

Obserwacja: Wskazania siłomierzy są takie same.
Wnioski: Osoby oddziałują na siebie taką samą siła, o zgodnym kierunku działania, lecz przeciwnych zwrotach.

Doświadczenie nr 4 – Armatka
Przyrządy: Wózek, probówka z korkiem, świeczka
Opis: Napełnij probówkę wodą do 2/3wysokości, zatkaj korkiem i przymocuj do wózka tak, aby nie mogła się poruszyć. Ustaw wózek z probówką, tak aby świeczka znajdowała się pod probówką. Zapal świeczkę i podgrzewaj ostrożnie wodę w probówce.

Obserwacja: Korek wystrzelił a wózek przesunął się ze znacznie mniejszą prędkością niż korek.
Wnioski: W chwili wystrzelenia korka na wózek z probówką działała siła o takiej samej wartości jak siła działająca na korek, ale masa wózka jest znacznie większa i dlatego przesuwał się on z niewielką prędkością w porównaniu do prędkości korka. Na podobnej zasadzie działają silniki odrzutowe, które z dużą siłą wyrzucają gazy powstałe
w wyniku spalania paliwa.

3. Zadania
3.1 I zasada dynamiki

Zadanie nr 1
Oblicz z jaką prędkością opada spadochroniarz, jeżeli sił oporu jaka działa w tym ruchu jest proporcjonalna do prędkości, ze współczynnikiem równym 100, zaś a całkowita masa spadochroniarza wynosi 60 kg.

Odpowiedź: Spadochroniarz opada z prędkością 8 .

3.2 II zasada dynamiki
Zadanie nr 2
Oblicz, ile czasu zajmie Ani zjazd na sankach z górki o wysokości 2m, której stok jest nachylony do podłoża pod kątem 30˚? Zakładamy, że sanki poruszają się bez tarcia.

Odpowiedź: Ania zjedzie z górki w czasie 2,83 s

Zadanie nr 3
Dwa klocki o jednakowych masach m1 = m2 = 2kg są połączone sznurkiem przerzuconą przez nieważki bloczek. Oblicz przyspieszenie układu oraz naprężenie linki. Przyjmij, że klocek m2 porusza się po stole bez tarcia.

Odpowiedź: Układ klocków ma przyspieszenie 5m/s2, zaś linki są naprężone siłą 10 N.
(Kąkol)

3.3 III zasada dynamiki
Zadanie nr 3
Chłopiec ciągnie trzy jednakowe klocki połączone sznurkiem siłą o wartości F nadającą całemu układowi przyspieszenie. Oblicz siłę napinającą sznurek łączący oba klocki, jeżeli mają one masę 2 i 1 kg (tarcie pomijamy).

Odpowiedź: Wypadkowa siła działająca na ciało B wynosi.

4. Zadanie domowe
a) I zasada dynamiki
Przemyśl następującą sytuację:
Pasażer znajduje się w jadącym ze stałą prędkością tramwaju. Nie działa na niego żadna siła (lub siły równoważą się), czyli nie porusza się względem tramwaju (I zasadą dynamiki). Tramwaj jest dla pasażera układem inercjalnym i porusza się wobec innych układów ruchem jednostajnym (np. względem Ziemi). Co się stanie jednak, jeśli tramwaj przyspieszy?

Odpowiedź:
W sytuacji, gdy tramwaj zacznie poruszać się ruchem przyspieszonym, czyli prędkość pasażera zacznie się zmieniać (pomimo braku działającej na niego dodatkowej siły). Jest
to wbrew I zasadzie dynamiki, dlatego przyspieszający tramwaj jest już układem nieinercjalnym.

b) II zasada dynamiki

Jaką siłą należy podziałać na wózek o masie 5 kg, aby poruszał się z przyspieszeniem10 ?

Odpowiedź: Aby poruszyć wózek należy użyć siły 50 N.


c) III zasada dynamiki

Janek ciągnie dwa klocki połączone sznurkiem. Oblicz siłę napinającą sznurek łączący oba klocki, jeżeli mają one masę 2 i 1 kg (tarcie pomijamy).

Odpowiedź: Siła napinająca sznurek łączący oba klocki jest trzy razy mniejsza od siły ciągnącej sznurek.


Literatura:

Halliday D., R.Resnick, J.Walker. 2003. Podstawy fizyki. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa
Chyla Krzysztof. 2000. Zbiór prostych zadań z fizyki dla uczniów szkół średnich. Wydawnictwo „Zamiast Korepetycji”. Kraków
Francuz-Ornat Grażyna. Teresa Kulawik, Maria Nowotny - Różańska. 2010. Spotkania
z fizyką. Podręcznik dla gimnazjum. Wydawnictwo Nowa Era. Warszawa.
Nitka Jerzy.1994. Rozwiązania zadań ze zbioru MENDLA. Wydawnictwo M. Rożak. Gdańsk
Kąkol Zbigniew. Notatki do wykładów z fizyki.
Kąkol Zbigniew, Jan Żukrowski. e-Fizyka- internetowy wykład z podstaw fizyki.
Płazak Tomasz, Stanisław Salach, Zofia Sanok. 2010. 626 pytań testowych z fizyki, astrofizyki i kosmologii. Wydawnictwo ZamKor. Kraków.
Wolny Janusy. 2010. Podstawy Fizyki. Wydawnictwo AGH. Kraków.

Strony internetowe:
old.fnps.eu/materialy/pokazy/mech1.htm
pl.wikipedia.org/wiki/Isaac_Newton
pl.wikipedia.org/wiki/Zasady_dynamiki_Newtona
pl.wikibooks.org/wiki/Fizyka_dla_liceum/I_zasada_dynamiki
www.iwiedza.net/download/zasadydynamiki.pdf
www.wszechswiat1.republika.pl/ludzie/newton.htm
www.astronomia.biz.pl/izaak-newton.html
www.wszechswiat1.republika.pl/ludzie/newton.htm
www.sciaga.pl/tekst/101641-102-biografia_isaaca_newtona
www.superfizyka.za.pl/dynamika.htm
www.fizyka-1b.bloog.pl/foto,2312465,gal,209965,index.html?ticaid=6e815



Zgłoś błąd    Wyświetleń: 0


Uwaga! Wszystkie materiały opublikowane na stronach Profesor.pl są chronione prawem autorskim, publikowanie bez pisemnej zgody firmy Edgard zabronione.


BAROMETR


1 2 3 4 5 6  
Oceń artukuł!



Ilość głosów: 0

Serwis internetowy, z którego korzystasz, używa plików cookies. Są to pliki instalowane w urządzeniach końcowych osób korzystających z serwisu, w celu administrowania serwisem, poprawy jakości świadczonych usług w tym dostosowania treści serwisu do preferencji użytkownika, utrzymania sesji użytkownika oraz dla celów statystycznych i targetowania behawioralnego reklamy (dostosowania treści reklamy do Twoich indywidualnych potrzeb). Informujemy, że istnieje możliwość określenia przez użytkownika serwisu warunków przechowywania lub uzyskiwania dostępu do informacji zawartych w plikach cookies za pomocą ustawień przeglądarki lub konfiguracji usługi. Szczegółowe informacje na ten temat dostępne są u producenta przeglądarki, u dostawcy usługi dostępu do Internetu oraz w Polityce prywatności plików cookies.
Dowiedz się więcej.