Fisico

Le applicazioni, esperimenti ed esercizi della terza legge di Newton

Le applicazioni, esperimenti ed esercizi della terza legge di Newton

IL La terza legge di Newton, chiamato anche Legge dell'azione e della reazione Afferma che quando un oggetto esercita forza su un altro, quest'ultimo esercita anche sul primo una forza di uguale magnitudine e direzione e senso opposto.

Isaac Newton pubblicò le sue tre leggi nel 1686 nel suo libro Philosophiae Naturalis Principia Mathematica o principi matematici della filosofia naturale.

Un razzo spaziale riceve la propulsione necessaria grazie ai gas espulsi. Fonte: Pixabay.

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Spiegazione e formule

La formulazione matematica della terza legge di Newton è molto semplice:

F12 = -Fventuno

Una delle forze si chiama azione E l'altro è il reazione. Tuttavia, è necessario evidenziare l'importanza di questi dettagli: entrambi agiscono su oggetti diversi. Lo fanno anche contemporaneamente, sebbene questa terminologia suggerisca erroneamente che l'azione si verifica prima e la reazione dopo.

Poiché le forze sono vettori, sono indicati con grassetto. Questa equazione indica che esistono due oggetti: Oggetto 1 e Oggetto 2. La forza F12 È quello che esercita l'oggetto 1 sull'oggetto 2. La forza Fventuno è esercitato dall'oggetto 2 sull'oggetto 1. E il segno (-) sottolinea che si oppone.

Quando osservano attentamente la terza legge di Newton, c'è una differenza importante con i primi due: mentre invocano un singolo oggetto, la terza legge si riferisce a due oggetti diversi.

E se pensi attentamente, le interazioni richiedono coppie di oggetti.

Ecco perché le forze dell'azione e della reazione non sono cancellate o bilanciate, sebbene abbiano la stessa grandezza e direzione, ma per il resto: sono applicate in diversi corpi.

Applicazioni

Ball Interaction - Terra

Ecco un'applicazione molto quotidiana di un'interazione relativa alla terza legge di Newton: una palla che cade verticalmente e la Terra. La palla cade a terra perché la terra esercita una forza di attrazione, che è nota come gravità. Questa forza fa cadere la palla con una costante accelerazione di 9.8 m/s2.

Tuttavia, quasi nessuno pensa al fatto che la palla esercita anche una forza di attrazione sulla terra. Naturalmente la Terra rimane inalterabile, perché la sua massa è molto maggiore di quella della palla e quindi sperimenta un'accelerazione spregevole.

Un altro problema notevole sulla terza legge di Newton è che non è necessario il contatto tra i due oggetti che interagiscono. È evidente con l'esempio che è appena stato citato: la palla non entra ancora in contatto con la terra, ma tuttavia esercita comunque la sua attrazione. E anche la palla sulla terra.

Una forza come gravità, che agisce in modo intercambiabile sia se c'è un contatto tra gli oggetti come se non vi fosse il nome di "forza d'azione a distanza". Invece forze come attrito e normale, richiedono che gli oggetti che interagiscono siano in contatto, quindi sono chiamati "forze di contatto".

Formule estratte dall'esempio

Tornando alla coppia di oggetti della palla: la Terra, la scelta delle tariffe P per la palla e T per la Terra e si ottiene l'applicazione della seconda legge di Newton a ciascun partecipante a questo sistema:

Può servirti: variabile discreta: caratteristiche ed esempi

Frisultante = m.A

La terza legge afferma che:

MPAP = - mTAT

AP = 9.8 m/s2 diretto verticalmente verso il basso. Poiché questo movimento avviene lungo la direzione verticale può essere erogato con la notazione vettoriale (in grassetto); E scegliendo la direzione più positiva e giù come negativa, hai:

AP = 9,8 m/s2

MT ≈ 6 x 10 24 Kg

Indipendentemente dalla massa della palla, l'accelerazione della terra è zero. Ecco perché si osserva che la palla cade verso la terra e non viceversa.

Operazione di un razzo

I Rockets costituiscono un buon esempio di applicazione della terza legge di Newton. Il razzo mostrato nell'immagine all'inizio aumenta grazie alla propulsione di gas caldo ad alta velocità.

Molti credono che ciò accada perché questi gas in qualche modo "supportano" l'atmosfera o sul terreno per supportare e spingere il razzo. Non funziona così.

Mentre il razzo esercita forza sui gas e li espelle, i gas esercitano una forza sul razzo, che ha lo stesso modulo, ma la direzione opposta. Questa forza è quella che fornisce al razzo la sua accelerazione.

Se non hai un razzo di questi a mano, ci sono altri modi per verificare che la terza legge di Newton lavori per fornire propulsione. È possibile costruire i razzi d'acqua, in cui la spinta necessaria è offerta dall'acqua per gas a pressione.

Va notato che l'inizio di un razzo d'acqua richiede tempo e richiede molte precauzioni.

Uso dei pattini

Un modo più conveniente e immediato per verificare l'effetto della terza legge di Newton è mettere un paio di pattini e promuovere un muro.

Il più delle volte la capacità di esercitare la forza con oggetti in movimento è associata, ma la verità è che gli oggetti immobili possono anche esercitare la forza. Il pattinatore è respinto grazie alla forza che il immobile esercita su di esso.

Le superfici di contatto esercitano le forze di contatto (normali) tra loro. Quando un libro è supportato su un tavolo orizzontale, esercita una normale forza verticale su di esso. Il libro esercita sul tavolo una forza verticale dello stesso valore numerico e del senso opposto.

Esperimento per bambini: pattinatori

Bambini e adulti possono sperimentare la terza legge di Newton e verificare che le forze di azione e reazione non siano annullate e siano in grado di fornire movimenti.

Due pattinatori sul ghiaccio o su una superficie molto liscia possono essere spinti ciascuno.

Considera due pattinatori con pasta abbastanza diversa. Sono nel mezzo di una pista di pattinaggio con attrito spregevole e inizialmente sono a riposo. In un determinato istante si spingono l'un l'altro applicando una forza costante con i palmi delle mani. Come si muoverà entrambi?

Può servirti: bilanciamento del vettore: calcolo, esempi, eserciziDue pattinatori sono spinti nel mezzo di una pista di pattina. Fonte: Benjamin Crowell (utente Wikipedia Bcrowell) [CC BY-SA 3.0 (http: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/3.0/]]

È importante sottolineare che poiché è una superficie senza attrito, le uniche forze sbilanciate sono le forze che i pattinatori si applicano a vicenda. Mentre il peso e il normale agiscono su entrambi, queste forze sono bilanciate, da ciò che i pattinatori accelererebbero in direzione verticale.

Formule applicate in questo esempio

La terza legge di Newton afferma che:

F12 = -Fventuno

Cioè, la forza esercitata dallo skater 1 sul 2, è la stessa in grandezza a cui il 2 esercita sulla 1, con la stessa direzione e la direzione opposta. Si noti che queste forze sono applicate a oggetti diversi, allo stesso modo in cui le forze erano sulla palla e sulla terra nel precedente esempio concettuale.

M1 A1 = -m2 A2

Poiché le forze sono opposte, anche le accelerazioni che la causa saranno, ma le loro magnitudini saranno diverse, perché ogni pattinatore ha una massa diversa. Diamo un'occhiata all'accelerazione acquisita dal primo pattinatore:

Se la massa del primo pattinatore è maggiore di quella del secondo, la sua accelerazione sarà inferiore. Questo è prevedibile perché ha una maggiore inerzia. Il pattinatore più leggero acquisisce una maggiore accelerazione. Se le masse sono le stesse, le accelerazioni saranno anche.

Quindi il movimento che si verifica sotto è la separazione di entrambi i pattinatori in sensi opposti. In linea di principio i pattinatori erano a riposo nel mezzo della pista. Ognuno esercita una forza sull'altro che fornisce un'accelerazione mentre le mani sono in contatto e la spinta dura.

Dopodiché i pattinatori si allontanano l'uno dall'altro con un movimento rettilineo uniforme, non agendo forze sbilanciate. La velocità di ciascun pattinatore sarà diversa se le loro masse sono anche.

Esercizio risolto

Per risolvere i problemi in cui le leggi di Newton devono essere applicate, è necessario disegnare attentamente le forze che agiscono sull'oggetto. Questo disegno è chiamato "diagramma del corpo libero" o "diagramma del corpo isolato". In questo diagramma non devono essere mostrate le forze che il corpo esercita su altri oggetti.

Se c'è più di un oggetto coinvolto nel problema, è necessario.

1- I pattinatori della sezione precedente hanno le rispettive masse m1 = 50 kg e m2 = 80 kg. Si spingono l'un l'altro con una forza costante di 200 n. La spinta ha una durata di 0.40 secondi. Trovare:

a) L'accelerazione acquisita da ciascun pattinatore grazie alla spinta.

b) la velocità di ciascuno quando si separano

Soluzione

a) Prendi come indirizzo positivo orizzontale quello che va da sinistra a destra. Applicare la seconda legge di Newton con i valori forniti dalla dichiarazione è:

Fventuno = m1A1

Da dove:

Per il secondo pattinatore:

b) Per calcolare la velocità che trasportano proprio se separate, vengono utilizzate le equazioni cinematiche del movimento rettilineare uniformemente accelerato:

Può servirti: induttanza reciproca: formula/coefficiente, applicazioni, esercizi

La velocità iniziale è 0, poiché erano a riposo nel mezzo della pista:

vF = At

vF1 = a1t = -4 m/s2 . 0.40 s = -1.6 m/s

vF2 = a2T = +2.5 m/s2 . 0.40 s = +1 m/s

Risultati

Come previsto, la persona 1 è più leggera acquisisce una maggiore accelerazione e quindi una velocità più rapida. Ora osserva quanto segue sul prodotto dell'impasto a causa della velocità di ciascun pattinatore:

M1 v1 = 50 kg . (-1.6 m/s) = - 80 kg.SM

M2 v2 = 80 kg . 1 m/s = +80 kg.SM

La somma di entrambi i prodotti è 0. Il prodotto della massa per velocità è chiamato la quantità di movimento p. È un vettore con la stessa direzione e il senso della velocità. Quando i pattinatori erano a riposo e le loro mani in contatto, si potrebbe presumere che formassero lo stesso oggetto la cui quantità di movimento era:

PO = (m1 +M2) vO = 0

Al termine della spinta, la quantità di movimento del sistema di pattinaggio rimane 0. Pertanto viene preservata la quantità di movimento.

Esempi della terza legge di Newton nella vita di tutti i giorni

Camminare

Camminare è una delle azioni più quotidiane che possono essere eseguite. Se osservata con cura, l'azione ambulante richiede di spingere il piede contro il terreno, in modo che restituisca una forza uguale e opposta ai piedi del deambulatore.

Quando abbiamo costantemente applicato la terza legge di Newton. Fonte: Pixabay.

È proprio quella forza che consente alle persone di camminare. Durante il volo, gli uccelli esercitano la forza sull'aria e l'aria spinge le ali in modo che l'uccello sia spinto in avanti.

Movimento di un'auto

In un'auto, le ruote esercitano la forza sul marciapiede. Grazie alla reazione del pavimentazione, esercita sulle forze dei pneumatici che guidano l'auto in avanti.

Sport

Nella pratica sportiva, le forze di azione e reazione sono numerose e hanno una partecipazione molto attiva.

Ad esempio, vediamo l'atleta con il piede supportato da un blocco di avviamento. Il blocco fornisce una forza normale come reazione alla spinta che l'atleta esercita su di esso. Il risultato di questo normale e il peso del corridoio, provocano una forza orizzontale che consente all'atleta di guidare in avanti.

L'atleta utilizza il blocco di avviamento per aggiungere l'impulso in avanti all'uscita. Fonte: Pixabay.

I tubi del fuoco

Un altro esempio in cui è presente la terza legge di Newton è nei pompieri che detengono i tubi del fuoco. La fine di questi grandi tubi ha una maniglia sull'ugello che il pompiere deve contenere quando esce il getto d'acqua, per evitare la battuta d'arresto che si verifica quando l'acqua esce a tutta velocità.

Per lo stesso motivo è conveniente.

Riferimenti

  1. Giancoli, d.  2006. Fisica: principi con applicazioni. Sesta edizione. Prentice Hall. 80 - 82.
  2. Rex, a. 2011. Fondamenti di fisica. Pearson. 73 - 75.
  3. Tipler, p. 2010. Fisico. Volume 1. 5a edizione. Editoriale tornato. 94 - 95.
  4. Stern, d. 2002. Astronomi alle astronave. Preso da: PWG.GSFC.vaso.Gov.