Как описано в третьем законе движения Ньютона классической механики , все силы возникают парами, так что если один объект оказывает силу на другой объект, то второй объект оказывает равную и противоположную силу реакции на первый. [1] [2] Третий закон также более обще формулируется так: «Всякому действию всегда противодействует равная реакция: или взаимные действия двух тел друг на друга всегда равны и направлены к противоположным частям». [3] Приписывание того, какая из двух сил является действием, а какая — реакцией , является произвольным. Любая из двух может считаться действием, в то время как другая — связанной с ним реакцией.
Когда что-то оказывает силу на землю, земля будет отталкивать с равной силой в противоположном направлении. В некоторых областях прикладной физики, таких как биомеханика , эта сила земли называется « силой реакции земли »; сила объекта на земле рассматривается как «действие».
Когда кто-то хочет прыгнуть, он или она оказывает дополнительную силу, направленную вниз, на землю («действие»). Одновременно земля оказывает на человека силу, направленную вверх («реакция»). Если эта сила, направленная вверх, больше веса человека, это приведет к ускорению вверх. Когда эти силы перпендикулярны земле, их также называют нормальной силой .
Аналогично, вращающиеся колеса транспортного средства пытаются скользить назад по земле. Если земля не слишком скользкая, это приводит к паре сил трения : «действие» колеса на землю в обратном направлении и «реакция» земли на колесо в прямом направлении. Эта направленная вперед сила движет транспортное средство.
Земля , среди других планет , вращается вокруг Солнца, потому что Солнце оказывает гравитационное притяжение, которое действует как центростремительная сила , удерживая Землю на себе, которая в противном случае улетела бы в космос. Если притяжение Солнца считать действием, то Земля одновременно оказывает реакцию в виде гравитационного притяжения на Солнце. Притяжение Земли имеет ту же амплитуду, что и у Солнца, но в противоположном направлении. Поскольку масса Солнца намного больше массы Земли, Солнце, как правило, не реагирует на притяжение Земли, но на самом деле это происходит, как показано в анимации (не в точном масштабе). Правильный способ описания совместного движения обоих объектов (игнорируя все другие небесные тела на данный момент) — сказать, что они оба вращаются вокруг центра масс , называемого в астрономии барицентром , объединенной системы.
Любая масса на Земле притягивается вниз силой тяготения Земли; эта сила также называется ее весом . Соответствующая «реакция» — это сила тяготения, которую масса оказывает на планету.
Если объект поддерживается так, что он остается в покое, например, тросом, на котором он висит, или поверхностью под ним, или жидкостью, на которой он плавает, то существует также сила поддержки, направленная вверх ( сила натяжения , нормальная сила , выталкивающая сила соответственно). Эта сила поддержки является «равной и противоположной» силой; мы знаем это не из третьего закона Ньютона, а потому, что объект остается в покое, так что силы должны быть уравновешены.
На эту силу поддержки также действует «реакция»: объект тянет вниз поддерживающий трос или давит вниз на поддерживающую поверхность или жидкость. В этом случае, следовательно, существуют четыре силы равной величины:
Силы F 1 и F 2 равны в силу третьего закона Ньютона; то же самое верно для сил F 3 и F 4 . Силы F 1 и F 3 равны тогда и только тогда, когда объект находится в равновесии и никакие другие силы не прилагаются. (Это не имеет ничего общего с третьим законом Ньютона.)
Если масса подвешена на пружине, то применяются те же соображения, что и раньше. Однако если затем эта система возмущена (например, масса слегка подтолкнута вверх или вниз, скажем), масса начинает колебаться вверх и вниз. Из-за этих ускорений (и последующих замедлений) мы заключаем из второго закона Ньютона, что результирующая сила ответственна за наблюдаемое изменение скорости. Гравитационная сила, тянущая массу вниз, больше не равна направленной вверх силе упругости пружины. В терминологии предыдущего раздела F 1 и F 3 больше не равны.
Однако по-прежнему верно, что F 1 = F 2 и F 3 = F 4 , как того требует третий закон Ньютона.
Термины «действие» и «реакция» имеют вводящее в заблуждение предположение о причинности , как будто «действие» является причиной, а «реакция» — следствием. Поэтому легко думать, что вторая сила существует из-за первой и даже происходит некоторое время после первой. Это неверно; силы совершенно одновременны и существуют по одной и той же причине. [4]
Когда силы вызваны волей человека (например, футболист пинает мяч), эта волевая причина часто приводит к асимметричной интерпретации, где сила игрока на мяч считается «действием», а сила мяча на игрока — «реакцией». Но физически ситуация симметрична. Силы на мяч и игрока объясняются их близостью, что приводит к паре контактных сил (в конечном итоге из-за электрического отталкивания). То, что эта близость вызвана решением игрока, не имеет никакого отношения к физическому анализу. Что касается физики, ярлыки «действие» и «реакция» можно поменять местами. [4]
Одна из проблем, часто наблюдаемых преподавателями физики, заключается в том, что студенты склонны применять третий закон Ньютона к парам «равных и противоположных» сил, действующих на один и тот же объект. [5] [6] [7] Это неверно; третий закон относится к силам, действующим на два разных объекта. Напротив, книга, лежащая на столе, подвергается воздействию направленной вниз силы тяготения (со стороны Земли) и направленной вверх нормальной силы со стороны стола, обе силы действуют на одну и ту же книгу. Поскольку книга не ускоряется, эти силы должны быть точно уравновешены, согласно второму закону Ньютона. Поэтому они «равные и противоположные», но при этом действуют на один и тот же объект, следовательно, они не являются силами действия-противодействия в смысле третьего закона Ньютона. Фактическими силами действия-противодействия в смысле третьего закона Ньютона являются вес книги (притяжение Земли к книге) и направленная вверх сила тяготения книги к Земле. Книга также давит на стол, а стол давит на книгу вверх. Более того, силы, действующие на книгу, не всегда одинаково велики; они будут разными, если книгу толкает вниз третья сила, или если стол наклонен, или если система стол-книга находится в ускоряющемся лифте. Случай любого количества сил, действующих на один и тот же объект, рассматривается путем рассмотрения суммы всех сил.
Возможная причина этой проблемы заключается в том, что третий закон часто формулируется в сокращенной форме: для каждого действия есть равная и противоположная реакция, [8] без подробностей, а именно, что эти силы действуют на два разных объекта. Более того, существует причинно-следственная связь между весом чего-либо и нормальной силой: если бы объект не имел веса, он не испытывал бы силы поддержки со стороны стола, а вес определяет, насколько сильной будет сила поддержки. Эта причинно-следственная связь обусловлена не третьим законом, а другими физическими отношениями в системе.
Другая распространенная ошибка — утверждение, что «центробежная сила, действующая на объект, является реакцией на центростремительную силу, действующую на этот объект». [9] [10]
Если бы объект одновременно подвергался воздействию как центростремительной силы , так и равной и противоположной центробежной силы , результирующая сила исчезла бы, и объект не мог бы испытывать круговое движение. Центробежную силу иногда называют фиктивной силой или псевдосилой, чтобы подчеркнуть тот факт, что такая сила появляется только тогда, когда вычисления или измерения проводятся в неинерциальных системах отсчета. [11]
Даже если одно тело может быть более "активным", чем другое тело, и, таким образом, может показаться, что оно инициирует взаимодействие (например, шар для боулинга ударяет по кегли), сила, которую тело A оказывает на тело B, всегда одновременна с силой, которую B оказывает на A.
В этом отчете освещаются некоторые трудности, с которыми сталкиваются дети в связи с третьим законом Ньютона.
... следующий вопрос в письменной форме: Третий закон Ньютона говорит о "действии" и "противодействии". Представьте себе бутылку вина, стоящую на столе. Если гравитационную силу, которая притягивает бутылку, назвать действием, какая сила является реакцией на эту силу согласно третьему закону Ньютона? Наиболее часто даваемый ответ был: "Нормальная сила, которую стол оказывает на бутылку".
… Третий закон Ньютона, что
действие и противодействие равны и противоположны
для каждого действия (силы) в природе есть равная и противоположная реакция
Это подверглось критике со стороны Ньютона, который пытался уравновесить центробежную силу, действующую на планеты (в результате гравитационного взаимодействия), чтобы существовал баланс сил, основанный на его третьем законе движения.
... в одном из своих нападок на Лейбница, написанном в 1711 году, Ньютон говорит, что центробежная сила всегда равна и противоположна силе тяжести по третьему закону движения.
Другая трудность заключается в том, что студенты часто рассматривают псевдосилы, например, центробежную силу, как если бы они были реальными силами, действующими в инерциальной системе отсчета.