Физика · тема 2 из 19 · ОГЭ № 1–6, 20–22 · ЕГЭ № 2, 4–6, 22–26

Динамика и законы Ньютона

Почему тела движутся именно так: три закона Ньютона, основные силы, наклонная плоскость, тяготение, давление и сила Архимеда.

30 мин чтенияОГЭЕГЭ22 задания

Коротко

главное за 30 секунд
  1. Второй закон Ньютона: $m\vec a = \vec F_1 + \vec F_2 + \dots$
  2. Третий закон: силы взаимодействия равны, противоположны и приложены к разным телам
  3. Силы: $mg$, $F_{упр} = k|x|$, $F_{тр} = \mu N$, $F = G\dfrac{m_1m_2}{r^2}$
  4. Вес при ускорении вверх $P = m(g + a)$, вниз $P = m(g - a)$
  5. Давление жидкости $p = \rho g h$, сила Архимеда $F_A = \rho_ж g V_{погр}$
  6. Равновесие рычага: $F_1 l_1 = F_2 l_2$

Три закона Ньютона

Первый закон (закон инерции): существуют такие системы отсчёта — инерциальные, — в которых тело сохраняет скорость постоянной, если на него не действуют силы или их действие скомпенсировано.

Второй закон: ускорение тела пропорционально равнодействующей всех сил и обратно пропорционально массе.

$$m\vec a = \vec F_1 + \vec F_2 + \dots + \vec F_n$$

Третий закон: тела действуют друг на друга с силами, равными по модулю, противоположными по направлению и лежащими на одной прямой: $\vec F_{12} = -\vec F_{21}$.

Силы из третьего закона приложены к разным телам, поэтому они никогда не уравновешивают друг друга. Сила тяжести книги и сила реакции стола — это НЕ пара из третьего закона (обе действуют на книгу). Пара к силе тяжести — сила, с которой книга притягивает Землю.
Проверь себя. На тело массой 2 кг действуют две силы вдоль одной прямой: 10 Н вправо и 4 Н влево. Чему равно ускорение тела (в м/с²)?

Ответ: 3

Силы в механике

СилаФормулаКуда направлена
Тяжести$F = mg$вертикально вниз
Упругости (закон Гука)$F = k|x|$против деформации
Трения скольжения$F = \mu N$против скорости относительно опоры
Реакции опоры$N$ — из второго законаперпендикулярно опоре
Всемирного тяготения$F = G\dfrac{m_1 m_2}{r^2}$вдоль линии, соединяющей центры

$G = 6{,}67\cdot 10^{-11}\ \text{Н}\cdot\text{м}^2/\text{кг}^2$. Сила трения скольжения не зависит от площади соприкосновения. Сила трения покоя меняется от нуля до $\mu N$ и равна той силе, которую она уравновешивает.

Вес — сила, с которой тело давит на опору или растягивает подвес. Он приложен к опоре, а не к телу. В покоящемся лифте $P = mg$; при ускорении вверх $P = m(g + a)$ (перегрузка); при ускорении вниз $P = m(g - a)$; при свободном падении $P = 0$ — невесомость. Сила тяжести при этом никуда не исчезает.

Спутники. Для круговой орбиты сила тяготения даёт центростремительное ускорение: $G\dfrac{Mm}{r^2} = \dfrac{mv^2}{r}$, откуда $v = \sqrt{\dfrac{GM}{r}}$. Первая космическая скорость у поверхности Земли $v_1 = \sqrt{gR} \approx 7{,}9$ км/с. Чем выше орбита, тем меньше скорость и больше период.

αmgNFтрN = mg·cos αFтр = μNma = mg·sin α − μmg·cos α
Рис. 1. Силы на наклонной плоскости: mg раскладываем вдоль и поперёк плоскости

Алгоритм решения задач динамики

  1. Нарисуйте все силы, действующие на каждое тело (только силы, а не «силу инерции»).
  2. Выберите оси: одну — вдоль ускорения, другую — перпендикулярно.
  3. Запишите второй закон в проекциях на каждую ось.
  4. Добавьте связи: $F_{тр} = \mu N$, нерастяжимая нить — одинаковые ускорения, невесомая нить — одинаковое натяжение.

Пример. Брусок соскальзывает с наклонной плоскости с углом $\alpha$, коэффициент трения $\mu$.

Ось $Oy$ перпендикулярно плоскости: $N - mg\cos\alpha = 0$, значит $N = mg\cos\alpha$. Ось $Ox$ вдоль плоскости вниз: $ma = mg\sin\alpha - \mu mg\cos\alpha$.

$$a = g(\sin\alpha - \mu\cos\alpha)$$ Масса сократилась — ускорение от неё не зависит. Если $\mu \ge \operatorname{tg}\alpha$, брусок не поедет сам.

Для двух грузов на нити через блок (машина Атвуда) быстро: $a = \dfrac{(m_2 - m_1)g}{m_1 + m_2}$. Натяжение нити находите из второго закона для любого одного груза.

Равновесие, давление и сила Архимеда

Условия равновесия: сумма сил равна нулю и сумма моментов сил равна нулю. Момент силы $M = Fl$, где $l$ — плечо (кратчайшее расстояние от оси до линии действия силы). Для рычага: $F_1 l_1 = F_2 l_2$ — выигрыш в силе равен проигрышу в расстоянии.

Давление $p = \dfrac{F}{S}$, единица — паскаль (Па = Н/м²). Давление столба жидкости $p = \rho g h$ зависит только от глубины и плотности, но не от формы сосуда. По закону Паскаля давление передаётся жидкостью во все стороны одинаково — на этом работает гидравлический пресс: $\dfrac{F_1}{S_1} = \dfrac{F_2}{S_2}$.

Сила Архимеда: $F_A = \rho_{ж}\, g\, V_{погр}$ — плотность жидкости, объём погружённой части тела.

Тело тонет, если $F_A \lt mg$; плавает, если $F_A = mg$. Для плавающего тела доля погружённого объёма равна $\rho_{тела}/\rho_{ж}$: лёд плотностью 900 кг/м³ погружён в воду на 90 %.

В формулу Архимеда подставляют плотность жидкости, а не тела. И объём только той части, что под водой.
Практика

Закрепите тему: 22 задания для ОГЭ и ЕГЭ

От простых к сложным: базовый уровень — 6, повышенный — 10, высокий — 6. Мгновенная проверка, подсказки, подробные решения и тренажёр ошибок.

Решать задания по теме Флеш-карточки