A DOUA LEGE A LUI NEWTON: APLICAȚII, EXPERIMENTE ȘI EXERCIȚII - FIZIC - 2025

Cea de -a doua lege sau legea fundamentală a dinamicii de la Newton prevede că dacă un obiect este supus unei forțe sau a unui set de forțe care nu sunt anulate, atunci obiectul va fi accelerat în direcția forței rezultate, aceasta fiind o accelerație proporțională la intensitatea acestei forțe netă și invers proporțională cu masa obiectului.

Dacă F este forța netă, M masa obiectului și a accelerației dobândite, atunci a doua lege a lui Newton este exprimată matematic după cum urmează : a = F / M sau la cea mai uzuală formă F = M ∙ la

Explicarea celei de-a doua legi a lui Newton. Sursa: realizată de sine.

Explicație și formule

După cum am explicat mai sus, modul obișnuit de a exprima a doua lege este cu formula:

F = M ∙ a

Atât accelerația, cât și forța trebuie măsurate dintr-un cadru de referință inerțial. Rețineți că masa este o cantitate pozitivă, deci accelerația punctează în aceeași direcție cu forța rezultantă.

Rețineți, de asemenea, că atunci când forța rezultată este zero ( F = 0 ), atunci accelerația va fi de asemenea zero ( a = 0 ) ori de câte ori M> 0. Acest rezultat este de acord complet cu prima lege sau legea de inerție a lui Newton.

Prima lege a lui Newton stabilește sistemele de referință inerțiale ca fiind cele care se mișcă cu viteză constantă în raport cu o particulă liberă. În practică și în scopul celor mai obișnuite aplicații, un sistem de referință fixat la sol sau oricare altul care se mișcă cu o viteză constantă față de acesta, va fi considerat inerțial.

Forța este expresia matematică a interacțiunii obiectului cu mediul. Forța poate fi o cantitate constantă sau se poate modifica cu timpul, poziția și viteza obiectului.

Unitatea din Sistemul Internațional (SI) pentru forță este Newton (N). Masa din (SI) este măsurată în (kg) și accelerația în (m / s ² ). Un Newton de forță este forța necesară pentru a accelera un obiect de masă 1 kg la 1 m / s ² .

Exerciții rezolvate

Exercitiul 1

Un obiect de masă m este scăzut de la o anumită înălțime și se măsoară o accelerație de cădere de 9,8 m / s².

La fel se întâmplă și cu un alt obiect de masă m 'și cu altul de masă m' 'și cu altul și cu altul. Rezultatul este întotdeauna accelerația gravitației notată cu g și este egală cu 9,8 m / s². În aceste experimente, forma obiectului și valoarea masei sale sunt astfel încât forța datorată rezistenței la aer este neglijabilă.

I se cere să găsească un model pentru forța atrăgătoare a pământului (cunoscută sub numele de greutate) care să fie în concordanță cu rezultatele experimentale.

Soluţie

Alegem un sistem de referință inerțial (fixat în raport cu solul) cu direcția pozitivă a axei X verticală și în jos.

Singura forță care acționează asupra obiectului masei m este atracția terestră, această forță se numește greutatea P, întrucât indică în jos este pozitivă.

Accelerația pe care o obține obiectul masei odată ce este eliberată este a = g, orientată în jos și pozitivă.

Propunem a doua lege a lui Newton

P = ma

Care va fi modelul lui P astfel încât accelerația prevăzută de a doua lege să fie g indiferent de valoarea lui m? : Singura alternativă este aceea că P = mg ori de câte ori m> 0.

mg = ma de unde rezolvăm pentru: a = g

Concluzionăm că greutatea, forța cu care Pământul atrage un obiect va fi masa obiectului înmulțită cu accelerația gravitației, iar direcția acesteia este verticală și orientată în jos.

P = m ∙ g

Exercițiul 2

Un bloc de 2 kg de masă se sprijină pe un podea complet plat și orizontal. Dacă i se aplică o forță de 1 N, ce accelerație dobândește blocul și ce viteză va avea după 1 s.

Soluţie

Primul lucru este să definești un sistem de coordonate inerțiale. Una a fost aleasă cu axa X pe podea și axa Y perpendiculară pe aceasta. Apoi se face o diagramă de forțe, plasând forțele datorită interacțiunilor blocului cu mediul său.

Forța N reprezintă normalul, este forța verticală în sus pe care suprafața podelei o exercită pe blocul M. Se știe că N echilibrează exact P, deoarece blocul nu se mișcă pe direcția verticală.

F este forța orizontală aplicată blocului M, îndreptat în direcția pozitivă a axei X.

Forța netă este suma tuturor forțelor de pe blocul de masă M. Facem suma vectorială a F, P și N. Deoarece P și N sunt egale și opuse, ele se anulează reciproc, iar forța netă este F.

Deci accelerația rezultată va fi coeficientul forței nete și a masei:

a = F / M = 1 N / 2 kg = 0,5 m / s²

Deoarece blocul pornește de la repaus după 1s, viteza sa s-a schimbat de la 0 m / s la 0,5 m / s.

Aplicații din a doua lege a lui Newton

Accelerarea unui lift

Un băiat folosește o scară de baie pentru a-și măsura greutatea. Valoarea obținută este de 50 kg. Apoi, băiatul duce greutatea la liftul clădirii sale, pentru că vrea să măsoare accelerația liftului. Rezultatele obținute la pornire sunt:

• Cantarul înregistrează o greutate de 58 kg pentru 1,5 s
• Apoi, măsoară din nou 50 kg.

Cu aceste date, calculați accelerația liftului și viteza acestuia.

Soluţie

Scara măsoară greutatea într-o unitate numită forță de kilogram. Prin definiție, kilogramul_ forță este forța cu care planeta Pământ atrage un obiect de masă 1 kg.

Când singura forță care acționează asupra obiectului este greutatea acestuia, atunci dobândește o accelerație de 9,8 m / s². Deci 1 kg_f este egal cu 9,8 N.

Greutatea P a băiatului este apoi de 50 kg * 9,8m / s² = 490 N

În timpul accelerării, scala exercită o forță N asupra băiatului de 58 kg_f echivalent cu 58 kg * 9,8 m / s² = 568,4 N.

Accelerația liftului va fi dată de:

a = N / M - g = 568,4 N / 50 kg - 9,8 m / s² = 1,57 m / s²

Viteza dobândită de elevator după 1,5 s cu accelerația de 1,57 m / s² este:

v = a * t = 1,57 m / s² * 1,5 s = 2,36 m / s = 8,5 Km / h

Figura următoare arată o diagramă a forțelor care acționează asupra băiatului:

Borcanul de maioneză

Un băiat înmânează fratelui său borcanul de maioneză fratelui său, care se află la celălalt capăt al mesei. Pentru aceasta, îl conduce în așa fel încât să obțină o viteză de 3 m / s. Din momentul în care a aruncat sticla până s-a oprit la capătul opus al mesei, călătoria a fost de 1,5 m.

Determinați valoarea forței de frecare pe care o exercită masa pe sticlă, știind că are o masă de 0,45 kg.

Soluţie

Mai întâi vom determina accelerația de frânare. Pentru aceasta vom folosi următoarea relație, deja cunoscută din mișcarea rectilinie uniform accelerată:

Vf² = Vi² + 2 * a * d

unde Vf este viteza finală, Vi viteza inițială, la accelerație și d deplasarea.

Accelerația obținută din relația anterioară este aceea în care deplasarea flaconului a fost considerată pozitivă.

a = (0 - 9 (m / s) ²) / (2 * 1,5 m) = -3 m / s²

Forța netă a borcanului de maioneză este forța de frecare, deoarece valoarea normală și greutatea echilibrului borcanului: Fnet = Fr.

Fr = m * a = 0,45 kg * (-3 m / s²) = -1,35 N = -0,14 kg-f

Experimente pentru copii

Copiii și adulții pot efectua experimente simple care le permit să verifice dacă a doua lege a lui Newton funcționează cu adevărat în viața reală. Iată două foarte interesante:

Experimentul 1

Un experiment simplu necesită o scară de baie și un lift. Luați o greutate de baie într-un lift și înregistrați valorile pe care le marchează în timpul începutului, începutului în jos și în timpul în care vă deplasați cu viteză constantă. Calculați accelerațiile liftului pentru fiecare caz în parte.

Experimentul 2

1. Luați o mașină de jucărie care are roțile bine lubrifiate
2. Atașați o sfoară la capăt.
3. La marginea mesei, bandați un creion sau alt obiect cilindric neted peste care va rula șirul.
4. La celălalt capăt al frânghiei atârnați un coș mic, la care veți așeza niște monede sau ceva care va servi ca greutate.

Schema experimentului este prezentată mai jos:

• Dă drumul căruței și urmărește-l să accelereze.
• Apoi, creșteți masa căruței plasând monede pe ea, sau ceva care îi crește masa.
• Spuneți dacă accelerația crește sau scade. Puneți mai mult aluat în coș, urmăriți-l cu viteză și terminați.

Coșul este apoi lăsat fără greutate suplimentară și lăsat să accelereze. Apoi, se pune mai multă greutate pe coș pentru a crește forța aplicată în coș.

• Comparați accelerația cu cazul precedent, indicați dacă aceasta crește sau scade. Puteți repeta adăugând mai multă greutate la coș și observați accelerația coșului.
• Indicați dacă crește sau scade.
• Analizați-vă rezultatele și spuneți dacă sunt sau nu de acord cu a doua lege a lui Newton.

Articole de interes

Exemple de a doua lege a lui Newton.

Prima lege a lui Newton.

Exemple de a doua lege a lui Newton.

Referințe

1. Alonso M., Finn E. 1970. Volumul fizicii I: Mecanică. Fondul Inter-American Educațional SA 156-163.
2. Hewitt, P. 2012. Știința fizică conceptuală. A cincea ediție. 41-46.
3. Tânăr, Hugh. 2015. Universitatea de fizică cu fizică modernă. Ediția a 14-a Pearson. 108-115.