Dlaczego rakiety mogą się poruszać? Czy zasada ich lotu ma coś wspólnego z pływaniem i chodzeniem? Odpowiedź znajdziesz w reakcji na działanie siły. Siły zawsze występują bowiem parami, jako akcja i reakcja. Ta lekcja pozwoli ci nie tylko odpowiedzieć na postawione wyżej pytania, ale też zrozumieć podstawowe prawo rządzące wszystkimi oddziaływaniami – trzecią zasadę dynamiki Newtona.

Podczas pływania odpychamy rękami i nogami wodę do tyłu, ta zaś działa na nasze ciało z taką samą siłą, popychając je do przodu
Już wiesz
  • podać definicję siły jako miary oddziaływania;

  • posługiwać się w obliczeniach jednostką siły – niutonem [N];

  • wymienić rodzaje oddziaływań i przewidzieć skutki, jakie mogą one wywołać;

  • stwierdzić, że oddziaływania są wzajemne.

Nauczysz się
  • podawać treść trzeciej zasady dynamiki Newtona;

  • podawać przykłady zastosowania tej zasady w życiu codziennym;

  • opisywać zasadę działania silników: odrzutowego i rakietowego.

1. Wzajemność oddziaływań

W przyrodzie występuje wiele rodzajów oddziaływań, większość z nich poznałeś już w dotychczasowym toku nauki. Należą do nich między innymi oddziaływania grawitacyjne, magnetyczne, elektryczne i sprężyste. Za miarę oddziaływań przyjmujemy wartość siły. Oddziaływania są wzajemne, to znaczy, że jeśli wywołujemy pewną akcję przy użyciu działającej siły, musimy spodziewać się reakcji układu, na który działamy.

Wykonajmy doświadczenie.

Doświadczenie 1

Doświadczalne potwierdzenie wzajemności oddziaływań

Co będzie potrzebne
  • dwie pary łyżworolek, wrotek lub dwie deskorolki;

  • para kasków ochronnych na głowę;

  • dwie pary ochraniaczy na łokcie i kolana;

  • gładkie podłoże;

  • dwoje uczniów o zbliżonej masie.

Instrukcja
  1. Przeprowadź doświadczenie na płaskiej gładkiej powierzchni, np. na asfaltowym boisku szkolnym lub sali gimnastycznej, tak aby w pobliżu nie znajdowały się żadne przedmioty (ściany, kamienie), które mogą stanowić zagrożenie w razie upadku.

  2. Wybierz spośród kolegów i koleżanek z klasy dwie osoby o zbliżonej masie.

  3. Poleć im, by przed przeprowadzeniem doświadczenia założyły ubiór ochronny (kaski i ochraniacze) oraz rolki (wrotki).

  4. Wybrane osoby ustaw naprzeciw siebie w takiej odległości, aby mogły zetknąć ze sobą płasko dłonie.

  5. Niech jedna z osób spróbuje się odepchnąć od drugiej.

Podsumowanie

Mimo że tylko jedna z osób w parze podziałała siłą na drugą, skutki tego oddziaływania odczuły obie osoby. Jeśli masy ich ciał były porównywalne, to porównywalna była również odległość, na jaką każda z nich się przesunęła. Przeprowadzone doświadczenie pozwala wyciągnąć wniosek, że jeśli jedno ciało działa na drugie pewną siłą (akcja), to drugie ciało oddziałuje na pierwsze siłą reakcji, która ma ten sam kierunek, lecz przeciwny zwrot. Siły akcji i reakcji nie równoważą się, ponieważ ich punkty przyłożenia są inne, a siły zostały przyłożone do dwóch różnych ciał.

Punkty przyłożenia sił akcji i reakcji są różne

W celu utrwalenia wiedzy o siłach wzajemnego oddziaływania (akcji i reakcji) obejrzyj poniższy film.

2. Trzecia zasada dynamiki Newtona

Jako pierwszy wzajemność oddziaływań opisał żyjący na przełomie XVII i XVIII wieku angielski uczony Izaak Newton, który wyniki swoich badań w tym zakresie sformułował w postaci trzeciej zasady dynamiki. W czasach mu współczesnych nie znano jeszcze wszystkich typów oddziaływań. Okazało się jednak, że trzecia zasada dynamiki ma charakter uniwersalny i dotyczy również tych ich rodzajów, które odkryto znacznie później (np. oddziaływań jądrowych).

Doświadczenie 2

Wykazanie, że wartości sił działania i przeciwdziałania są sobie równe

Co będzie potrzebne
  • dwa wózki;

  • dwa płaskie magnesy o niewielkich rozmiarach (głośnikowe);

  • dwa siłomierze;

  • plastelina;

  • silna nić lub cienki sznurek.

Instrukcja
  1. Przeprowadź doświadczenie na płaskiej powierzchni, np. na ławce o gładkim blacie lub szynach o odpowiednio dobranym rozstawie.

  2. Za pomocą plasteliny zamocuj magnesy na przodzie wózków.

  3. Wózki zwrócone do siebie przodem (magnesami) powinny się do siebie przyciągać.

  4. Do tylnej części każdego z nich przymocuj nić.

  5. Do końców obu nici przymocuj siłomierze.

  6. Przy pomocy kolegi lub koleżanki nie pozwól zbliżyć się do siebie wózkom, ciągnąc za końce siłomierzy. Staraj się, aby siłomierze były (o ile to możliwe) ustawione równolegle do powierzchni blatu.

  7. Zatrzymaj wózki w niewielkiej odległości od siebie.

  8. Odczytaj wartość siły, którą wskazały siłomierze.

  9. Doświadczenie powtórz kilkakrotnie.

Podsumowanie

Oba siłomierze w naszym doświadczeniu wskazały te same wartości sił. Wózki przyciągały się wzajemnie siłami o tej samej wartości, kierunku, ale o przeciwnych zwrotach. Były to siły działania i przeciwdziałania pochodzące od magnesów (siły magnetyczne). Siły przyłożone były do dwóch różnych magnesów, a więc nie mogły się równoważyć.

editor.block.Reguła: Trzecia zasada dynamiki Newtona

Gdy ciało A działa na ciało B pewną siłą FAB, to ciało B oddziałuje na ciało A siłą FBA o tej samej wartości, tym samym kierunku, lecz przeciwnych zwrotach. Siły te nie mogą się równoważyć, ponieważ przyłożone są do dwóch różnych ciał.

FAB=-FBA

Trzecia zasada dynamiki nazywana jest często zasadą równej akcji i reakcji.

Zapamiętaj!

Każdej akcji towarzyszy reakcja równa co do wartości i kierunku, lecz przeciwnie zwrócona. Należy jednak pamiętać, że siły te nie równoważą się.

Ćwiczenie 1

3. Przykłady zastosowania trzeciej zasady dynamiki

Wpływ trzeciej zasady dynamiki Newtona na nasze życie codzienne odczuwamy prawie przy każdej czynności, którą wykonujemy. Przy wbijaniu gwoździ młotek odskakuje, skok z dużej wysokości może spowodować uszkodzenie stopy. Przykładów można by podać znacznie więcej. Gdyby nie zjawiska opisywane trzecią zasadą dynamiki Newtona, nie bylibyśmy w stanie chodzić, spacerować czy biegać!

Nie moglibyśmy także pływać!

Gdy pływający porusza rękami, odpycha od siebie wodę, ale jednocześnie woda popycha go do przodu, wprawiając jego ciało w ruch.

Na szklankę stojącą na stole działa siła ciężkości, która jest źródłem siły nacisku wywieranej przez dno szklanki na powierzchnię blatu stołu. Siła nacisku zawsze jest prostopadła do powierzchni, na którą naciska ciało. Zgodnie z trzecią zasadą dynamiki stół odpowiada reakcją na nacisk szklanki, siłą o tym samym kierunku i wartości co siła nacisku, lecz przeciwnym zwrocie. Siła ta ma związek ze sprężystością blatu i – jak widzisz – jest przyłożona do szklanki. Siły FgFs równoważą się, ponieważ mają ten sam kierunek, te same wartości, przeciwne zwroty i są przyłożone do tego samego ciała. Ciało pozostaje w spoczynku – szklanka spoczywa na blacie stołu.

Polecenie 1

Dwa identyczne magnesy o masie m = 0,35 kg, jeden leżący na stole, drugi zawieszony na nitce, umieszczono jeden nad drugim. Ile wynosi wartość siły, jaką rozciągana jest nić, na której zawieszony został jeden z magnesów, jeśli ich wzajemne oddziaływanie wynosi 4 N? Oblicz, ile wynosi siła nacisku, jaką wywiera na blat stołu drugi z magnesów?

4. Silniki odrzutowe i rakietowe

Na podstawie trzeciej zasady dynamiki działają silniki odrzutowe, które znalazły powszechne zastosowanie w współczesnym lotnictwie, a ich odmiana – silniki rakietowe – w kosmonautyce. Silniki tego typu wykorzystują zjawisko odrzutu substancji roboczej, będącej produktem spalania paliwa. Siła reakcji (siła ciągu) powstała podczas opuszczania przez substancję roboczą dyszy silnika. Napędza ona samolot lub rakietę.

Podwaliny pod rozwój współczesnej kosmonautyki położył rosyjski uczony polskiego pochodzenia Konstanty Ciołkowski, który opracował teoretyczne podstawy działania silnika rakietowego.

Polecenie 2

Podaj trzy inne przykłady zastosowania/wykorzystania trzeciej zasady dynamiki Newtona.

Podsumowanie

  • W przyrodzie występuje wiele rodzajów oddziaływań, ale wszystkie można opisać za pomocą sił. Wielkość siły jest miarą oddziaływania. Oddziaływania są wzajemne, to znaczy jeśli wywołujemy pewną akcję za pomocą działającej siły, musimy się spodziewać reakcji ciała, na które działamy.

  • Fakt, że oddziaływania są wzajemne, dostrzegł żyjący na przełomie XVII i XVIII wieku angielski uczony Izaak Newton. Wyniki swoich badań w tym zakresie sformułował w postaci trzeciej zasady dynamiki.

  • Trzecia zasada dynamiki Newtona głosi, że gdy ciało A działa na ciało B pewną siłą, to ciało B oddziałuje na ciało A siłą o tej samej wartości, tym samym kierunku, lecz przeciwnym zwrocie. Siły te nie mogą się równoważyć, ponieważ przyłożone są do dwóch różnych ciał.
    FAB=-FBA

  • Trzecią zasadę dynamiki Newtona nazywamy też zasadą akcji i reakcji. Każdej akcji towarzyszy reakcja równa co do wartości i kierunku, lecz o przeciwnym zwrocie. Należy jednak pamiętać, że siły się nie równoważą.

  • Trzecia zasada dynamiki towarzyszy nam na co dzień podczas chodzenia, pływania, wbijania gwoździa w ścianę i wielu innych czynności. Dzięki niej latają samoloty odrzutowe i możliwe są podróże kosmiczne w najbliższym otoczeniu Ziemi.

Praca domowa
Polecenie 3.1

Artysta cyrkowy wspina się po linie, po stole toczy się kulka.
Wykonaj rysunek przedstawiający siły działające w układzie lina – artysta oraz kulka – stół. Nazwij te siły i zapisz wniosek dotyczący ich wartości, kierunku i zwrotu oraz punkty przyłożenia. Napisz wyjaśnienie, dlaczego te siły się nie równoważą.

Polecenie 3.2

Dwa magnesy, z których jeden jest większy od drugiego, przyciągają się wzajemnie. Narysuj siły, jakimi każdy z magnesów działa na drugi. Uwzględnij podczas rysowania relację między wartościami wektorów sił.

Zadania podsumowujące lekcję

Ćwiczenie 2
Ćwiczenie 3

Biogram

Rosyjski uczony polskiego pochodzenia, jeden z pionierów astronautyki, twórca modelu teorii ruchu i budowy rakiety kosmicznej

Konstanty Ciołkowski

Pomysły techniczne sformułowane przez Ciołkowskiego stanowią podstawę działania wszystkich – historycznych i współczesnych – silników rakietowych, rakiet i statków kosmicznych. Ciołkowski opracował model sterowca, zbudował pierwszy w Rosji tunel aerodynamiczny i podał teoretyczne podstawy funkcjonowania silnika rakietowego na paliwo ciekłe.