- Третий закон Ньютона. Сила реакции опоры. Вес тела
- Знать: формулировку третьего закона Ньютона; физический смысл и направление силы реакции опоры и веса тела; понятие невесомости
- Уметь: объяснять, как взаимодействуют два тела; объяснять, при каких условиях вес тела больше или меньше силы тяжести, действующей на тело
- Сформулируйте второй закон Ньютона.
- Почему тела могут покоиться на горизонтальной поверхности, несмотря на действие силы тяжести?
- В каком случае тело находится в состоянии невесомости?
Третий закон Ньютона. Сила реакции опоры. Вес тела
Вам уже известно, что, если одно тело действует на другое с некоторой силой, второе тело также будет действовать на первое с некоторой силой.

Так, если Земля притягивает к себе тело, расположенное на ее поверхности, то и данное тело тоже будет притягивать к себе Землю (рис. 1). Взаимодействие двух тел описывается третьим законом Ньютона.
Третий закон Ньютона : в инерциальной системе отсчета два тела взаимодействуют с силами и , равными по модулю, противоположными по направлению и лежащими вдоль одной прямой: .
Отметим, что силы, с которыми взаимодействуют два тела приложены к разным телам: сила , с которой Земля притягивает человека, приложена к человеку; сила , с которой человек притягивает Землю, - к Земле. В связи с этим силы и не уравновешивают друг друга.
Совместное использование второго и третьего законов Ньютона позволяет решать задачи о движении взаимодействующих тел.

Рассмотрим простой пример. На горизонтальной поверхности, неподвижной относительно Земли покоится тело массой m (рис. 2). Известно, что на любое тело вблизи поверхности Земли действует сила тяжести .
В ИСО тело находится в состоянии покоя, в этом случае ускорение тела равно нулю. Согласно второму закону Ньютона, равнодействующая сил равна произведению массы на ускорение, следовательно, сумма сил, действующих на данное тело равна нулю.
Это возможно только в том случае, если сила тяжести уравновешена другой силой, действующей со стороны поверхности на тело – эта сила называется силой реакции опоры . Запишем второй закон Ньютона для рассматриваемого тела в векторном виде:
.
Учтем, что в рассматриваемом случае ускорение тела равно нулю:
.

Это соотношение показывает, что в рассматриваемом случае сила реакции опоры по модулю равна силе тяжести и направлена в противоположную сторону – вертикально вверх. В проекциях на координатную ось второй закон Ньютона будет выглядеть следующим образом:
.
Отметим, что сила реакции опоры не всегда равна силе тяжести, но всегда направлена перпендикулярно поверхности (рис. 3).
Сила реакции опоры – это сила упругости, действующая на тело со стороны опоры перпендикулярно ее поверхности.
Если поверхность действует на тело с силой , то тело, по третьему закону Ньютона, должно действовать на поверхность с силой, равной по модулю и противоположной по направлению – эта сила называется весом тела :
.
Вес тела – это сила, с которой тело действует на опору (или подвес), находясь в неподвижном состоянии относительно этой опоры (или подвеса).

На рисунке 3 показано направление силы тяжести, силы реакции опоры и веса тела в случае, когда тело лежит на наклонной плоскости.
В случае, когда тело находится в состоянии покоя на горизонтальной опоре вес тела равен силе тяжести . Данное равенство будет справедливо также в случае, когда тело покоится на подвесе (рис. 4).
Вес тела приложен к поверхности, на которой находится тело, сила реакции опоры – к телу, поэтому данные силы приложены к разным телам и не уравновешивают друг друга.

Рассмотрим другой пример. Пусть на горизонтальном полу лифта лежит ящик массой m. Лифт начинает подниматься на верхний этаж с ускорением (рис. 5).
Второй закон Ньютона в векторной форме для ящика имеет следующий вид:
.
Направим координатные оси так, как показано на рисунке 5 и запишем второй закон Ньютона в проекциях на координатные оси: в данном случае проекции сил и ускорения на ось ОХ равны нулю, поэтому достаточно записать проекцию на ось ординат:
.
Ящик действует на поверхность лифта с силой, равной его весу, поверхность – с силой реакции опоры. По третьему закону Ньютона эти силы равны по модулю и противоположны по направлению:
.
С учетом выражения вес ящика при движении лифта вверх будет равен:
.
Если тело и опора движутся вместе относительно Земли с ускорением, направленным вверх, то модуль веса тела больше модуля действующей на него силы тяжести.
Такое явление называется перегрузкой. Для количественной оценки перегрузки вводится специальная физическая величина – коэффициент перегрузки, равная отношению модуля веса тела к модулю силы тяжести, действующей на данное тело.

Рассмотрим обратную ситуацию: тело находится на горизонтальном полу лифта, движущегося вниз с некоторым ускорением (рис. 6).
Второй закон Ньютона в векторной форме для ящика остается в прежнем виде:
.
Направим координатные оси так, как показано на рисунке 6 и запишем второй закон Ньютона в проекциях на координатные оси:
Ящик действует на поверхность лифта с силой, равной его весу, поверхность – с силой реакции опоры. По третьему закону Ньютона эти силы равны по модулю и противоположны по направлению:
.
С учетом выражения вес ящика при движении лифта вверх будет равен:
.
Если тело и опора движутся вместе относительно Земли с ускорением, направленным вниз, то модуль веса тела меньше модуля действующей на него силы тяжести.

В случае, если при движении лифта вниз его ускорение окажется больше ускорения свободного падения, ящик окажется прижатым к потолку лифта и будет давить на потолок. Вес тела будет направлен вертикально вверх, а сила реакции опоры – вертикально вниз (рис. 7).
Из уравнения выше следует, что при движении лифта вниз с ускорением, равным по модулю ускорению свободного падения, вес тела, как и сила реакции опоры, окажется равным нулю .
Состояние, при котором вес тела равен нулю , называется невесомостью .
Итоги:
- третий закон Ньютона: в инерциальной системе отсчета два тела взаимодействуют с силами и , равными по модулю, противоположными по направлению и лежащими вдоль одной прямой: ;
- сила реакции опоры – это сила упругости, действующая на тело со стороны опоры перпендикулярно ее поверхности;
- вес тела – это сила, с которой тело действует на опору (или подвес), находясь в неподвижном состоянии относительно этой опоры (или подвеса);
- если тело и опора движутся вместе относительно Земли с ускорением, направленным вверх, то модуль веса тела больше модуля действующей на него силы тяжести. В противном случае, если ускорение лифта направлено вниз, модуль веса тела меньше модуля действующей на него силы тяжести;
- состояние, при котором вес тела равен нулю , называется невесомостью.
Контрольные вопросы
1. Сформулируйте третий закон Ньютона.
2. В каком случае вес тела больше действующей на него силы тяжести?
3. Почему сила реакции опоры и силы тяжести не уравновешивают друг друга?