Fizyka dla liceum/II zasada dynamiki

II zasada dynamiki

II zasada dynamiki

Newton spostrzegł, że do zmiany prędkości ciała niezbędne jest działanie siły. Dzieje się tak, ponieważ siła działająca na ciało nadaje mu przyspieszenie.

II zasada dynamiki mówi, że jeśli na ciało działa stała, niezrównoważona siła, to ciało poruszać się będzie ruchem jednostajnie przyspieszonym. Można określić zależność siły od masy i przyspieszenia - ilość potrzebnej siły jest proporcjonalna zarówno do masy ciała, jak i do uzyskanego przez nie przyspieszenia.

II zasada dynamiki wyraża się za pomocą wzoru:  ${\vec {F}}=m{\vec {a}}$,   tak więc siła F działająca na ciało o masie m nadaje mu przyspieszenie a, przy czym zależność między nimi wynika ze wzoru. Kierunki i zwroty siły oraz przyspieszenia są zgodne.

Wykonajmy obliczenia na jednostkach: mnożąc masę przez przyspieszenie, otrzymujemy $\left[kg\cdot {\frac {m}{s^{2}}}\right]$.  Jednostka ta nazywa się niutonem, w skrócie N.

Wzór na siłę wraz z jednostką:   $F=ma\quad [{\mbox{N}}]=[{\tfrac {kg\cdot m}{s^{2}}}]$

Łatwiej zauważyć znaczenie II zasady dynamiki, jeśli wzór przekształcimy do postaci:

$a={\frac {F}{m}}$

Możemy stąd odczytać, że jeśli na ciało działa siła, to ciało uzyska pewne przyspieszenie - co wpłynie na jego ruch oraz prędkość. Im większa będzie masa ciała, tym mniejsza będzie wartość uzyskanego przyspieszenia.

Przykład

Z jaką siłą mogą działać ludzkie mięśnie? Na przykład, jak dużej siły potrzeba, aby utrzymać w ręku szklankę wody (która jest przyciągana przez Ziemię), jeżeli ma ona masę 200g, a przyciąganie ziemskie wynosi ok. g = 10 m/s²?

Siła naszych mięśni jest potrzebna, aby zapobiec spadnięciu szklanki. Dlaczego miałaby upaść? Ponieważ działa na nią siła grawitacji. Tak więc, siła naszych mięśni równoważy przyciąganie szklanki przez 'siłę grawitacji' - nazywaną siłą ciężkości. Gdybyśmy puścili szklankę, siła ciężkości przestałaby być równoważona, nadając szklance przyspieszenie - a szklanka z przyspieszeniem zaczyna spadać.

Możemy obliczyć wartość siły ciężkości ze wzoru F=am, gdzie przyspieszeniem będzie g - przyspieszenie ziemskie.

siła ciężkości   $F_{c}=g\cdot m=10\cdot 0,2=2\;{\mbox{N}}$

Aby szklanka nie poruszała się, siły działające na nią muszą się równoważyć. Rolę siły równoważącej pełni siła mięśni - działa ona w przeciwnym kierunku niż siła ciężkości, z tą samą wartością 2 niutonów.

Poniższa definicja jest jedną z możliwych wersji:

Prawo fizyczne - II zasada dynamiki

Jeśli siły działające na ciało nie równoważą się (czyli siła wypadkowa jest różna od zera), to ciało porusza się z przyspieszeniem wprost proporcjonalnym do siły wypadkowej, a odwrotnie proporcjonalnym do masy ciała.