NEWTON'UN ÜÇÜNCÜ YASASI: UYGULAMALAR, DENEYLER VE ALIŞTIRMALAR - FIZIKSEL - 2025

Newton üçüncü yasası da etki ve tepki yasası olarak adlandırılan, bir amacı uygulanacaktır ve birbiri üzerine kuvvet zaman, eşit büyüklükte ve doğrultu ve birinci bir kuvvet ile ikinci da uygulanacaktır ve ters yönde.

Isaac Newton, üç yasasını 1686'da Philosophiae Naturalis Principia Mathematica veya Mathematical Principles of Natural Philosophy adlı kitabında duyurdu.

Bir uzay roketi, atılan gazlar sayesinde gerekli itme gücünü alır. Kaynak: Pixabay.

Açıklama ve formüller

Newton'un Üçüncü Yasasının matematiksel formülasyonu çok basittir:

F ₁₂ = - F ₂₁

Güçlerden biri eylem, diğeri ise tepkidir. Ancak, bu detayın önemini vurgulamak gerekiyor: her ikisi de farklı nesneler üzerinde hareket ediyor. Bu terminoloji yanlış bir şekilde eylemin önce ve sonra reaksiyonun gerçekleştiğini öne sürse de, bunu aynı anda yaparlar.

Kuvvetler vektör olduğundan, kalın harflerle belirtilmiştir. Nesne 1 ve nesne 2. gücü: Bu denklem, iki nesne olduğunu gösterir F ₁₂ kuvvet nesne 2. nesne 1 tarafından uygulanan biri F ₂₁ nesne 1. ve nesnenin 2 tarafından uygulanan işareti (-) zıt olduklarını gösterir.

Newton'un üçüncü yasasının dikkatli bir şekilde incelenmesi, ilk ikisi ile önemli bir fark olduğunu gösterir: Tek bir nesneyi çağırırken, üçüncü yasa iki farklı nesneye atıfta bulunur.

Ve eğer dikkatlice düşünürseniz, etkileşimler nesne çiftleri gerektirir.

Bu nedenle, etki ve tepki kuvvetleri, aynı büyüklük ve yöne sahip olmalarına rağmen birbirlerini iptal etmez veya dengelenir, ters yöndedir: farklı cisimlere uygulanırlar.

Uygulamalar

Top-zemin etkileşimi

İşte Newton'un Üçüncü Yasasıyla ilgili bir etkileşimin çok günlük bir uygulaması: dikey olarak düşen bir top ve Dünya. Top yere düşer çünkü Dünya, yerçekimi olarak bilinen çekici bir kuvvet uygular. Bu kuvvet / top 9,8 m'lik bir sabit ivme ile düşmesine neden s ² .

Bununla birlikte, topun Dünya'ya çekici bir güç uyguladığı gerçeğini pek kimse düşünmez. Elbette dünya değişmeden kalır, çünkü kütlesi topunkinden çok daha büyüktür ve bu nedenle ihmal edilebilir hızlanma yaşar.

Newton'un üçüncü yasasıyla ilgili bir diğer önemli nokta, etkileşim halindeki iki nesne arasındaki temasın gerekli olmamasıdır. Az önce verilen örnekten anlaşılıyor: top henüz Dünya ile temas etmedi, ancak yine de çekiciliğini sürdürüyor. Ve top Dünya'da da.

Nesneler arasında temas olsun ya da olmasın belirsiz bir şekilde hareket eden yerçekimi gibi bir kuvvete "uzaktan etki kuvveti" denir. Öte yandan, sürtünme ve normal gibi kuvvetler, etkileşen nesnelerin temas halinde olmasını gerektirir, bu nedenle bunlara "temas kuvvetleri" denir.

Örnekten alınan formüller

Topa geri dönersek - Dünya nesnesi çifti, top için P ve dünya için T indekslerini seçip bu sistemdeki her katılımcıya Newton'un ikinci yasasını uygulayarak şunu elde ederiz:

_{Ortaya çıkan} F = m. -e

Üçüncü yasa şunu belirtir:

m _P bir _P = - m _T bir _T

Bir _p = 9,8 m / s ² dikey olarak aşağıya doğru yönlendirilmiş. Bu hareket dikey yönde meydana geldiğinden, vektör notasyonu (kalın) kullanılmayabilir; ve yukarı yönü pozitif olarak ve aşağı doğru negatif olarak seçmek, bizde:

a _P = 9,8 m / s ²

m _T ≈ 6 x 10 ²⁴ Kg

Topun kütlesi ne olursa olsun, Dünya'nın ivmesi sıfırdır. Bu yüzden topun Dünya'ya doğru düştüğü ve tersi olmadığı gözlenmiştir.

Bir roket operasyonu

Roketler, Newton'un üçüncü yasasını uygulamanın güzel bir örneğidir. Başlangıçta görülen roket, sıcak gazların yüksek hızda itilmesi sayesinde yükselmektedir.

Birçoğu bunun, bu gazların bir şekilde roketi desteklemek ve itmek için atmosfere veya yere "eğildiği" için olduğuna inanıyor. Böyle çalışmıyor.

Tıpkı roketin gazlara kuvvet uygulayıp geri püskürttüğü gibi, gazlar da rokete aynı modüllü ancak ters yönde bir kuvvet uygular. Bu kuvvet, rokete yukarı doğru ivmesini veren şeydir.

Elinizde böyle bir roket yoksa, Newton'un Üçüncü Yasasının itme sağlamak için çalıştığını kontrol etmenin başka yolları da var. Basınç altındaki bir gazla dışarı atılan suyun gerekli itme kuvvetini sağladığı su roketleri yapılabilir.

Bir su roketinin fırlatılmasının zaman aldığı ve birçok önlem gerektirdiği unutulmamalıdır.

Paten kullanımı

Newton'un Üçüncü Yasasının etkisini test etmenin daha uygun fiyatlı ve acil bir yolu, bir çift paten giymek ve kendinizi bir duvara doğru itmektir.

Çoğu zaman kuvvet uygulama yeteneği hareket halindeki nesnelerle ilişkilidir, ancak gerçek şu ki hareketsiz nesneler de kuvvet uygulayabilir. Hareketsiz duvarın kendisine uyguladığı kuvvet sayesinde patenci geriye doğru itilir.

Temas halindeki yüzeyler birbirleriyle (normal) temas kuvvetleri uygular. Bir kitap yatay bir masaya dayandığında üzerine normal denen dikey bir kuvvet uygular. Kitap, masaya aynı sayısal değerde ve ters yönde dikey bir kuvvet uygular.

Çocuklar için deney: patenciler

Çocuklar ve yetişkinler, Newton'un üçüncü yasasını kolaylıkla deneyimleyebilir ve etki ve tepki kuvvetlerinin birbirini götürmediğini ve hareket sağlayabileceğini doğrulayabilir.

Etki ve tepki kanunu sayesinde buz üzerinde veya çok pürüzsüz bir yüzeyde bulunan iki patenci, aynı kütleye sahip olsun veya olmasın, birbirini itebilir ve ters yönde hareketler yaşayabilir.

Oldukça farklı kütlelere sahip iki patenciyi düşünün. İhmal edilebilir sürtünme ile bir buz pateni pistinin ortasındalar ve başlangıçta dinleniyorlar. Belli bir anda avuç içleriyle sabit bir kuvvet uygulayarak birbirlerini iterler. İkisi de nasıl hareket edecek?

İki patenci bir buz pateni pistinin ortasında birbirini itiyor. Kaynak: Benjamin Crowell (Wikipedia kullanıcısı bcrowell)

Sürtünmesiz bir yüzey olduğu için, tek dengesiz kuvvetin patencilerin birbirlerine uyguladıkları kuvvetler olduğuna dikkat etmek önemlidir. Ağırlık ve normal her ikisine de etki etse de, bu kuvvetler dengelenir, aksi takdirde patenciler dikey yönde hızlanır.

Bu örnekte uygulanan formüller

Newton'un üçüncü yasası şunu belirtir:

F ₁₂ = - F ₂₁

Yani, 1'e 2 patencinin uyguladığı kuvvet, aynı yönde ve zıt yönde 2'ye 1'in uyguladığı kuvvete eşittir. Önceki kavramsal örnekteki kuvvetlerin topa ve Dünya'ya uygulandığı gibi, bu kuvvetlerin farklı nesnelere uygulandığına dikkat edin.

m ₁ ila ₁ = -m ₂ ila ₂

Kuvvetler zıt olduğundan, neden oldukları ivmeler de zıt olacaktır, ancak her bir oyuncunun kütlesi farklı olduğu için büyüklükleri farklı olacaktır. İlk patencinin kazandığı ivmeye bakalım:

Dolayısıyla, bir sonraki hareket, her iki patencinin zıt yönlerde ayrılmasıdır. Prensip olarak patenciler pistin ortasında dinleniyordu. Her biri diğerine, eller temas halinde olduğu ve itme kuvveti sürdüğü sürece hızlanma sağlayan bir kuvvet uygular.

Bundan sonra, dengesiz kuvvetler artık hareket etmediğinden, patenciler tekdüze doğrusal hareketle birbirlerinden uzaklaşırlar. Her patencinin hızı, kitleleri de farklı olacaktır.

Egzersiz çözüldü

Newton yasalarının uygulanması gereken problemleri çözmek için nesneye etki eden kuvvetleri dikkatlice çizmek gerekir. Bu çizime "serbest cisim diyagramı" veya "yalıtılmış cisim diyagramı" denir. Vücudun diğer nesnelere uyguladığı kuvvetler bu şemada gösterilmemelidir.

Problemde birden fazla nesne varsa, etki-tepki çiftlerinin farklı cisimler üzerinde hareket ettiğini hatırlayarak, nesnelerin her biri için bir serbest cisim diyagramı çizmek gerekir.

a) Her patencinin itme sayesinde kazandığı ivme.

b) Ayrıldıklarında her birinin hızı

Çözüm

a) Soldan sağa pozitif yatay yönü alın. Elimizdeki ifadenin sağladığı değerlerle Newton'un ikinci yasasını uygulamak:

F ₂₁ = m ₁ ila ₁

Nereden:

İkinci patenci için:

b) Düzgün hızlandırılmış doğrusal hareketin kinematik denklemleri, aynen ayırdıkları gibi taşıdıkları hızı hesaplamak için kullanılır:

Yolun ortasında hareketsiz oldukları için başlangıç ​​hızı 0'dır:

v _f = at

v _f1 = bir ₁ t = -4 m / s ² . 0.40 s = -1.6 m / s

v _s2 = a ₂ t = +2,5 m / s ² . 0.40 s = +1 m / s

Sonuçlar

Beklendiği gibi, daha hafif olan 1. kişi daha fazla ivme ve dolayısıyla daha fazla hız kazanır. Şimdi kütlenin ürünü ve her bir patencinin hızı hakkında aşağıdakilere dikkat edin:

m ₁ v ₁ = 50 kg. (-1,6 m / sn) = - 80 kg.m / sn

m ₂ v ₂ = 80 kg. 1 m / sn = +80 kg.m / sn

Her iki çarpımın toplamı 0'dır. Kütle ve hızın çarpımı momentum P olarak adlandırılır. Aynı yöne ve hız hissine sahip bir vektördür. Patenciler dinlendiğinde ve elleri temas halinde olduğunda, momentumu şu olan aynı nesneyi oluşturdukları varsayılabilir:

P _o = (m ₁ + m ₂ ) v _o = 0

İtme tamamlandıktan sonra, paten sisteminin hareket miktarı 0 kalır. Bu nedenle hareket miktarı korunur.

Günlük yaşamda Newton'un üçüncü yasasına örnekler

Yürüyüş

Yürümek, gerçekleştirilebilecek en günlük eylemlerden biridir. Dikkatle gözlemlenirse, yürüme eylemi ayağı yere doğru itmeyi gerektirir, böylece yürütecin ayağına eşit ve zıt bir kuvvet verir.

Yürürken sürekli olarak Newton'un üçüncü yasasını uygularız. Kaynak: Pixabay.

İnsanların yürümesine izin veren tam da bu güçtür. Uçuş sırasında kuşlar havaya kuvvet uygular ve hava kanatları iter, böylece kuş kendini ileri doğru iter.

Bir arabanın hareketi

Bir arabada, tekerlekler kaldırıma kuvvet uygular. Kaldırımın tepkisi sayesinde otomobili ileri iten lastiklere kuvvet uygular.

Spor

Sporda, etki ve tepki kuvvetleri çoktur ve çok aktif bir katılıma sahiptir.

Örneğin, ayağı bir başlangıç ​​bloğu üzerinde duran sporcuyu görelim. Blok, sporcunun uyguladığı itmeye tepki olarak normal bir kuvvet sağlar. Bu normalin ve koşucunun ağırlığının sonucu, sporcunun kendini ileriye doğru itmesine izin veren yatay bir kuvvetle sonuçlanır.

Sporcu, başlangıçta ileri momentum eklemek için başlangıç ​​bloğunu kullanır. Kaynak: Pixabay.

Yangın hortumları

Newton'un üçüncü yasasının bulunduğu bir başka örnek de yangın hortumları tutan itfaiyecilerdir. Bu büyük hortumların ucunda, su dışarı çıkarken ortaya çıkan geri tepmeyi önlemek için itfaiyecinin su jeti çıktığında tutması gereken nozul üzerinde bir tutamak vardır.

Aynı sebeple tekneleri ayrılmadan önce rıhtıma bağlamak da uygundur, çünkü rıhtıma ulaşmak için kendilerini iterek tekneye onu uzağa hareket ettiren bir kuvvet sağlanır.

Referanslar

1. Giancoli, D. 2006. Fizik: Uygulamalı Prensipler. Altıncı Baskı. Prentice Hall. 80 - 82.
2. Rex, A. 2011. Temel Fizik. Pearson. 73 - 75.
3. Tipler, P. 2010. Fizik. Cilt 1. 5. Baskı. Editoryal Reverté. 94 - 95.
4. Stern, D. 2002. Gökbilimcilerden uzay gemilerine. Alınan: pwg.gsfc.nasa.gov.