Ньютон – що це? Відповідаємо на питання. Ньютон – одиниця виміру чого?

Фізика як наука, яка вивчає закони нашого Всесвіту, використовує стандартну методику досліджень і певну систему одиниць вимірювання. Одиницю вимірювання сили прийнято позначати Н (ньютон). Що таке сила, як її знайти і виміряти? Давайте вивчимо це питання більш детально.

Цікаве з історії

Ісаак Ньютон – це видатний англійський вчений XVII століття, який зробив неоціненний внесок у розвиток точних математичних наук. Саме він є прабатьком класичної фізики. Йому вдалося описати закони, яким підкоряються і величезні небесні тіла, і дрібні піщинки, уносимі потоком вітру. Одним з головних його відкриттів вважається закон всесвітнього тяжіння і три основні закони механіки, які описують взаємодію тіл у природі. Пізніше й інші вчені змогли вивести закони тертя, спокою і ковзання тільки завдяки науковим відкриттям Ісаака Ньютона.

Трохи теорії

На честь вченого була названа фізична величина. Ньютон – одиниця вимірювання сили. Саме визначення сили можна описати так: «» сила – це кількісна міра взаємодії між тілами, або величина, яка характеризує ступінь інтенсивності або напруженості тіл «».

Величина сили вимірюється в ньютонах не просто так. Саме цим вченим були створені три непорушних «» силових «» закони, які актуальні і по наші дні. Давайте вивчимо їх на прикладах.

Перший закон

Для повного розуміння питань: «» Чим є ньютон? «», «Одиниця виміру чого?» «і» Який його фізичний сенс? «», варто уважно вивчити три основні закони механіки.

Перший говорить про те, що якщо на тіло не впливають інші тіла, то воно перебуватиме в стані спокою. А якщо тіло перебувало в русі, то при повній відсутності будь-якої дії на нього воно буде продовжувати свій рівномірний рух по прямій лінії.

Уявіть, що на пласкій поверхні столу лежить якась книга з певною масою. Позначивши всі діючі на нього сили, отримаємо, що це сила тяжкості, яка спрямована вертикально вниз, і сила реакції опори (в даному випадку столу), спрямована вертикально вгору. Оскільки обидві сили врівноважують дії одна одної, величина рівнодіючої сили дорівнює нулю. Згідно з першим законом Ньютона, саме з цієї причини книга покоїться.

Другий закон

Він описує взаємозв’язок між силою, що діє на тіло, і прискоренням, яке воно отримує внаслідок докладеної сили. Ісаак Ньютон при формулюванні цього закону вперше використовував постійну величину маси як міру прояву інерції та інертності тіла. Інертністю називають здатність або властивість тіл зберігати своє початкове положення, тобто опиратися зовнішнім впливам.

Другий закон часто описують такою формулою: F = a*m; де F – це рівнодіюча всіх сил, докладених до тіла, a – прискорення, одержуване тілом, і m – маса тіла. Сила в кінцевому підсумку виражається в кг * м /с 2. Цей вираз і прийнято позначати в ньютонах.

Що таке ньютон у фізиці, визначення прискорення яке і як воно пов’язане з силою? Ось на ці питання відповідає формула другого закону механіки. Слід розуміти, що цей закон працює тільки для тих тіл, які рухаються зі швидкостями, набагато меншими швидкості світла. При значеннях швидкостей, близьких до швидкості світла, працюють вже трохи інші закони, адаптовані спеціальним розділом фізики про теорію відносності.

Третій закон Ньютона

Це, мабуть, найбільш зрозумілий і простий закон, який описує взаємодію двох тіл. Він говорить про те, що всі сили виникають попарно, тобто якщо одне тіло діє на інше з певною силою, то і друге тіло, в свою чергу, також чинить дію на перше з рівною за модулем силою.

Саме формулювання закону вченим виглядає наступним чином: «». взаємодії двох тіл один на одного рівні між собою, але при цьому спрямовані в протилежні сторони «».

Давайте розберемося, що ж таке ньютон. У фізиці прийнято все розглядати на конкретних явищах, тому наведемо кілька прикладів, що описують закони механіки.

1. Водоплавні тварини на кшталт качок, риб або жаб рухаються у воді або по воді саме завдяки взаємодії з нею. Третій закон Ньютона говорить про те, що при дії одного тіла на інше завжди виникає і протидія, за силою рівнозначна першому, але спрямоване в протилежний бік. Виходячи з цього, можна зробити висновок, що рух качок відбувається завдяки тому, що вони лапками відштовхують воду назад, а самі пливуть вперед в силу дії води у відповідь.
2. Біличе колесо – яскравий приклад доказу третього закону Ньютона. Що таке біличе колесо, напевно знають всі. Це досить проста конструкція, що нагадує і колесо, і барабан. Її встановлюють у клітинах, щоб домашні вихованці на зразок білок або декоративних щурів могли побігати. Взаємодія двох тіл, колеса і тварини, призводить до того, що обидва ці тіла рухаються. Причому коли білка біжить швидко, то і колесо крутиться з великою швидкістю, а коли вона уповільнює свій хід, то колесо починає крутитися повільніше. Це ще раз доводить, що дія і відповідна протидія завжди рівні між собою, хоча і спрямовані в протилежні сторони.
3. Все, що рухається на нашій планеті, рухається тільки завдяки «» дії у відповідь «» Землі. Це може здаватися дивним, однак насправді при ходьбі ми докладаємо зусиль тільки для того, щоб штовхати землю або будь-яку іншу поверхню. А рухаємося вперед, тому що нас штовхає у відповідь земля.

Що таке ньютон: одиниця вимірювання або фізична величина?

Саме визначення «» ньютон «» можна описати наступним чином: “це одиниця вимірювання сили” “. А в чому ж полягає його фізичний сенс? Отже, виходячи з другого закону Ньютона, це похідна величина, яка визначається як сила, здатна всього за 1 секунду змінити швидкість тіла масою 1 кг на 1 м/с. Виходить, що ньютон – це векторна величина, тобто вона має свій напрямок. Коли ми прикладаємо силу до предмета, наприклад штовхаємо двері, то ми одночасно задаємо і напрямок руху, який, згідно з другим законом, буде таким же, як і напрямок сили.

Якщо слідувати формулі, виходить, що 1 Ньютон = 1 кг * м/с 2 . При вирішенні різних завдань по механіці дуже часто потрібно перевести ньютони в інші величини. Для зручності при знаходженні тих чи інших значень рекомендується запам’ятати основні тотожності, які пов’язують ньютони з іншими одиницями:

• 1 Н = 10 5 дин (діна – одиниця виміру в системі СГС);
• 1 Н = 0,1 кгс (кілограм-сила – одиниця сили в системі МКГСС);
• 1 Н = 10 -3 стін (одиниця виміру в системі МТС, 1 стін дорівнює силі, яка повідомляє прискорення в 1 м/с 2 будь-якому тілу масою в 1 тонну).

Закон всесвітнього тяжіння

Одне з найважливіших відкриттів вченого, яке перевернуло уявлення про нашу планету, це закон тяжіння Ньютона (що таке тяжіння, читайте нижче). Звичайно, і до нього були спроби розгадати таємницю тяжіння Землі. Наприклад, Йоганн Кеплер першим припустив, що не тільки Земля має привабливу силу, але також і самі тіла здатні притягувати Землю.

Однак тільки Ньютону вдалося математично довести взаємозв’язок сили тяжіння і закону руху планет. Після багатьох дослідів вчений зрозумів, що насправді не тільки Земля притягує до себе предмети, але і всі тіла примагнічуються один до одного. Він вивів закон гравітації, який говорить, що будь-які тіла, включаючи і небесні світила, притягуються з силою, рівною твору G (гравітаційна постійна) і мас обох тіл m₁ * m₂, розділеної на R 2 (квадрат відстані між тілами).

Всі закони і виведені Ньютоном формули дозволили створити цілісну математичну модель, яка досі використовується при дослідженнях не тільки на поверхні Землі, але і далеко за межами нашої планети.

Перетворення одиниць

При вирішенні завдань слід пам’ятати про стандартні приставки СІ, які використовуються в тому числі і для “ньютонівських” “одиниць вимірювання. Наприклад, у завданнях про космічні об’єкти, де маси тіл великі, дуже часто виникає необхідність спрощувати великі значення до менших. Якщо при рішенні виходить 5000 Н, то відповідь зручніше буде записати у вигляді 5 кН (к Ньютон). Подібні одиниці бувають двох видів: кратні і довільні. Ось найбільш використовувані з них: 10 2 Н = 1 гектоНьютон (гН); 10 3 Н = 1 к Ньютон (кН); 10 6 Н = 1 м. Ньютон (МН) і 10 -2 Н = 1 сантиНьютон (сН); 10 -3 Н = 1 міллІньютон (мН); 10 -9 Н = 1, Ньютон (нН).

Конвертер величин

Перевести единицы: ньютон [Н] в килограмм-сила [кгс]

Ускорение

Подробнее о силе

Сила тяжести, подъемная сила и сила сопротивления, которые действуют на спортсмена, находятся в равновесии

Общие сведения

В физике сила определяется как явление, которое изменяет движение тела. Это может быть как движение всего тела, так и его частей, например, при деформировании. Если, к примеру, поднять камень, а потом отпустить, то он упадет, потому что его притягивает к земле сила притяжения. Эта сила изменила движение камня — из спокойного состояния он перешел в движение с ускорением. Падая, камень пригнет к земле траву. Здесь сила, называемая весом камня, изменила движение травы и ее форму.

Сила — это вектор, то есть, у нее есть направление. Если на тело одновременно действует несколько сил, они могут быть в равновесии, если их векторная сумма равна нулю. В этом случае тело находится в состоянии покоя. Камень в предыдущем примере, вероятно, покатится по земле после столкновения, но, в конце концов, остановится. В этот момент сила тяжести будет тянуть его вниз, а сила упругости, наоборот, толкать наверх. Векторная сумма этих двух сил равна нулю, поэтому камень находится в равновесии и не движется.

В системе СИ сила измеряется в ньютонах. Один ньютон — это векторная сумма сил, которая изменяет скорость тела массой в один килограмм на один метр в секунду за одну секунду.

Равновесие

Архимед одним из первых начал изучать силы. Его интересовало воздействие сил на тела и материю во Вселенной, и он построил модель этого взаимодействия. Архимед считал, что если векторная сумма сил, действующих на тело, равна нулю, то тело находится в состоянии покоя. Позже было доказано, что это не совсем так, и что тела в состоянии равновесия также могут двигаться с постоянной скоростью.

Основные силы в природе

Именно силы приводят в движение тела, или заставляют их оставаться на месте. В природе существует четыре основные силы: гравитация, электромагнитное взаимодействие, сильное и слабое взаимодействие. Они также известны под названием фундаментальных взаимодействий. Все другие силы — производные этих взаимодействий. Сильное и слабое взаимодействия воздействуют на тела в микромире, в то время как гравитационное и электромагнитное воздействия действуют и на больших расстояниях.

Сильное взаимодействие

Самое интенсивное из взаимодействий — сильное ядерное взаимодействие. Связь между кварками, которые формируют нейтроны, протоны, и частицы, из них состоящие, возникает именно благодаря сильному взаимодействию. Движение глюонов, бесструктурных элементарных частиц, вызвано сильным взаимодействием, и передается кваркам благодаря этому движению. Без сильного взаимодействия не существовало бы материи.

Электромагнитное взаимодействие

Электромагнитное взаимодействие — второе по величине. Оно происходит между частицами с противоположными зарядами, которые притягиваются друг к другу, и между частицами с одинаковыми зарядами. Если обе частицы имеют положительный или отрицательный заряд, они отталкиваются. Движение частиц, которое при этом возникает — это электричество, физическое явление, которое мы используем каждый день в повседневной жизни и в технике.

Химические реакции, свет, электричество, взаимодействие между молекулами, атомами и электронами — все эти явления происходят благодаря электромагнитному взаимодействию. Электромагнитные силы препятствуют проникновению одного твердого тела в другое, так как электроны одного тела отталкивают электроны другого тела. Изначально считалось, что электрическое и магнитное воздействия — две разные силы, но позже ученые обнаружили, что это разновидность одного и того же взаимодействия. Электромагнитное взаимодействие легко увидеть с помощью простого эксперимента: снять с себя шерстяной свитер через голову, или потереть волосы о шерстяную ткань. Большинство тел имеет нейтральный заряд, но если потереть одну поверхность об другую, можно изменить заряд этих поверхностей. При этом электроны передвигаются между двумя поверхностями, притягиваясь к электронам с противоположным зарядом. Когда на поверхности становится больше электронов, общий заряд поверхности также изменяется. Волосы, «встающие дыбом» когда человек снимает свитер — пример этого явления. Электроны на поверхности волос сильнее притягиваются к атомам с на поверхности свитера, чем электроны на поверхности свитера притягиваются к атомам на поверхности волос. В результате происходит перераспределение электронов, что приводит к появлению силы, притягивающей волосы к свитеру. В этом случае волосы и другие заряженные предметы притягиваются не только к поверхностям не только с противоположным но и с нейтральным зарядами.

Слабое взаимодействие

Слабое ядерное взаимодействие слабее электромагнитного. Как движение глюонов вызывает сильное взаимодействие между кварками, так движение W- и Z- бозонов вызывает слабое взаимодействие. Бозоны — испускаемые или поглощаемые элементарные частицы. W-бозоны участвуют в ядерном распаде, а Z-бозоны не влияют на другие частицы, с которыми приходят в контакт, а только передают им импульс. Благодаря слабому взаимодействию возможно определить возраст материи с помощью метода радиоуглеродного анализа. Возраст археологических находок можно определить, измерив содержание радиоактивного изотопа углерода по отношению к стабильным изотопам углерода в органическом материале этой находки. Для этого сжигают предварительно очищенный небольшой фрагмент вещи, возраст которой нужно определить, и, таким образом, добывают углерод, который потом анализируют.

Гравитационное взаимодействие

Самое слабое взаимодействие — гравитационное. Оно определяет положение астрономических объектов во вселенной, вызывает приливы и отливы, и из-за него брошенные тела падают на землю. Гравитационное взаимодействие, также известное как сила притяжения, притягивает тела друг к другу. Чем больше масса тела, тем сильнее эта сила. Ученые считают, что эта сила также как и другие взаимодействия, возникает благодаря движению частиц, гравитонов, но пока не удалось найти такие частицы. Движение астрономических объектов зависит от силы притяжения, и траекторию движения можно определить, зная массу окружающих астрономических объектов. Именно с помощью таких вычислений ученые обнаружили Нептун еще до того, как увидели эту планету в телескоп. Траекторию движения Урана нельзя было объяснить гравитационными взаимодействиями между известными в то время планетами и звездами, поэтому ученые предположили, что движение происходит под влиянием гравитационной силы неизвестной планеты, что позже и было доказано.

Согласно теории относительности, сила притяжения изменяет пространственно-временной континуум — четырехмерное пространство-время. Согласно этой теории, пространство искривляется силой притяжения, и это искривление больше около тел с большей массой. Обычно это более заметно возле больших тел, таких как планеты. Это искривление было доказано экспериментально.

Сила притяжения вызывает ускорение у тел, летящих по направлению к другим телам, например, падающих на Землю. Ускорение можно найти с помощью второго закона Ньютона, поэтому оно известно для планет, чья масса также известна. Например, тела, падающие на землю, падают с ускорением 9,8 метров в секунду.

Приливы и отливы

Пример действия силы притяжения — приливы и отливы. Они возникают благодаря взаимодействию сил притяжения Луны, Солнца и Земли. В отличие от твердых тел, вода легко меняет форму при воздействии на нее силы. Поэтому силы притяжения Луны и Солнца притягивают воду сильнее, чем поверхность Земли. Движение воды, вызванное этими силами, следует за движением Луны и Солнца относительно Земли. Это и есть приливы и отливы, а силы, при этом возникающие, — приливообразующие силы. Так как Луна ближе к Земле, приливы больше зависят от Луны, чем от Солнца. Когда приливообразующие силы Солнца и Луны одинаково направлены, возникает наибольший прилив, называемый сизигийным. Наименьший прилив, когда приливообразующие силы действуют в разных направлениях, называется квадратурным.

Частота приливов зависит от географического положения водяной массы. Силы притяжения Луны и Солнца притягивают не только воду, но и саму Землю, поэтому в некоторых местах приливы возникают, когда Земля и вода притягиваются в одном направлении, и когда это притяжение происходит в противоположных направлениях. В этом случае прилив-отлив происходит два раза в день. В других местах это происходит один раз в день. Приливы и отливы зависят от береговой линии, океанских приливов в этом районе, и расположения Луны и Солнца, а также взаимодействия их сил притяжения. В некоторых местах приливы и отливы происходят раз в несколько лет. В зависимости от структуры береговой линии и от глубины океана, приливы могут влиять на течения, шторма, изменение направления и силы ветра и изменение атмосферного давления. В некоторых местах используют специальные часы для определения следующего прилива или отлива. Настроив их в одном месте, приходится настраивать их заново при перемещении в другое место. Такие часы работают не везде, так как в некоторых местах невозможно точно предсказать следующий прилив и отлив.

Сила движущейся воды во время приливов и отливов используется человеком с древних времен как источник энергии. Мельницы, работающие на энергии приливов, состоят из водного резервуара, в который пропускается вода во время прилива, и выпускается во время отлива. Кинетическая энергия воды приводит в движение мельничное колесо, и полученная энергия используется для совершения работы, например помола муки. Существует ряд проблем с использованием этой системы, например экологических, но несмотря на это — приливы являются многообещающим, надежным и возобновляемым источником энергии.

Другие силы

Согласно теории о фундаментальных взаимодействиях, все остальные силы в природе — производные четырех фундаментальных взаимодействий.

Сила нормальной реакции опоры

Сила нормальной реакции опоры — это сила противодействия тела нагрузке извне. Она перпендикулярна поверхности тела и направлена против силы, действующей на поверхность. Если тело лежит на поверхности другого тела, то сила нормальной реакции опоры второго тела равна векторной сумме сил, с которой первое тело давит на второе. Если поверхность вертикальна поверхности Земли, то сила нормальной реакции опоры направлена противоположно силе притяжения Земли, и равна ей по величине. В этом случае их векторная сила равна нулю и тело находится в состоянии покоя или движется с постоянной скоростью. Если же эта поверхность имеет уклон по отношению к Земле, и все другие силы, действующие на первое тело в равновесии, то векторная сумма силы тяжести и силы нормальной реакции опоры направлена вниз, и первое тело скользит по поверхности второго.

Сила трения

Сила трения действует параллельно поверхности тела, и противоположно его движению. Она возникает при движении одного тела по поверхности другого, когда их поверхности соприкасаются (трение скольжения или качения). Сила трения также возникает между двумя телами в неподвижном состоянии, если одно лежит на наклонной поверхности другого. В этом случае — это сила трения покоя. Эта сила широко используется в технике и в быту, например при движении транспорта с помощью колес. Поверхность колес взаимодействует с дорогой и сила трения не позволяет колесам скользить по дороге. Для увеличения трения на колеса надевают резиновые шины, а в гололед на шины надевают цепи, чтобы еще больше увеличить трение. Поэтому без силы трения невозможен автотранспорт. Трение между резиной шин и дорогой обеспечивает нормальное управление автомобилем. Сила трения качения меньше по величине сухой силы трения скольжения, поэтому последняя используется при торможении, позволяя быстро остановить автомобиль. В некоторых случаях, наоборот, трение мешает, так как из-за него изнашиваются трущиеся поверхности. Поэтому его убирают или сводят к минимуму с помощью жидкости, так как жидкостное трение намного слабее сухого. Именно поэтому механические детали, например, велосипедную цепь, часто смазывают маслом.

Интересные факты о силе

Силы могут деформировать твердые тела, а также изменять объем жидкостей и газов и давление в них. Это происходит когда действие силы распределяется по телу или веществу неравномерно. Если достаточно большая сила действует на тяжелое тело, его можно сжать его то до очень маленького шара. Если размер шаре меньше определенного радиуса, то тело становится черной дырой. Этот радиус зависит от массы тела и называется радиусом Шварцшильда. Объем этого шара настолько мал, что, по сравнению с массой тела, почти равен нулю. Масса черных дыр сконцентрирована в таком незначительно малом пространстве, что у них огромная сила притяжения, которая притягивает к себе все тела и материю в определенном радиусе от черной дыры. Даже свет притягивается к черной дыре и не отражается от нее, поэтому черные дыры действительно черны — и называются соответственно. Ученые считают, что большие звезды в конце жизни превращаются в черные дыры и растут, поглощая окружающие предметы в определенном радиусе.