DE DERDE WET VAN NEWTON: TOEPASSINGEN, EXPERIMENTEN EN OEFENINGEN - FYSIEK - 2026

De derde wet van Newton , ook wel actie- en reactiewet genoemd, stelt dat wanneer een object kracht op een ander uitoefent, het laatste ook op de eerste een kracht uitoefent van gelijke grootte en richting en in tegengestelde richting.

Isaac Newton maakte zijn drie wetten in 1686 bekend in zijn boek Philosophiae Naturalis Principia Mathematica of Mathematical Principles of Natural Philosophy.

Een ruimteraket krijgt de nodige voortstuwing dankzij de uitgestoten gassen. Bron: Pixabay.

Uitleg en formules

De wiskundige formulering van de derde wet van Newton is heel eenvoudig:

F ₁₂ = - F ₂₁

Een van de krachten wordt actie genoemd en de andere is reactie. Het is echter noodzakelijk om het belang van dit detail te benadrukken: beide werken op verschillende objecten. Ze doen het ook tegelijkertijd, hoewel deze terminologie ten onrechte suggereert dat actie ervoor en reactie erna plaatsvindt.

Omdat krachten vectoren zijn, worden ze vetgedrukt weergegeven. Deze vergelijking geeft aan dat we twee objecten hebben: object 1 en object 2. De kracht F ₁₂ wordt uitgeoefend door object 1 op object 2. De kracht F ₂₁ wordt uitgeoefend door object 2 op object 1. En de teken (-) geeft aan dat ze tegengesteld zijn.

Door zorgvuldig de derde wet van Newton in acht te nemen, wordt een belangrijk verschil waargenomen met de eerste twee: terwijl ze een enkel object aanroepen, verwijst de derde wet naar twee verschillende objecten.

En is dat als je goed nadenkt, interacties paren van objecten vereisen.

Dat is de reden waarom de actie- en reactiekrachten elkaar niet opheffen of in evenwicht zijn, hoewel ze dezelfde grootte en richting hebben, maar de tegenovergestelde richting: ze worden toegepast op verschillende lichamen.

Toepassingen

Bal-grond interactie

Hier is een heel alledaagse toepassing van een interactie die verband houdt met de derde wet van Newton: een verticaal vallende bal en de aarde. De bal valt op de grond omdat de aarde een aantrekkingskracht uitoefent, die bekend staat als zwaartekracht. Door deze kracht valt de bal met een constante versnelling van 9,8 m / s ² .

Bijna niemand denkt er echter aan dat de bal ook een aantrekkingskracht uitoefent op de aarde. De aarde blijft natuurlijk onveranderd, want de massa is veel groter dan die van de bal en ervaart daardoor een verwaarloosbare versnelling.

Een ander opmerkelijk punt over de derde wet van Newton is dat contact tussen de twee op elkaar inwerkende objecten niet nodig is. Uit het zojuist aangehaalde voorbeeld blijkt wel: de bal heeft nog geen contact met de aarde gemaakt, maar oefent toch zijn aantrekkingskracht uit. En ook de bal op aarde.

Een kracht zoals de zwaartekracht, die onduidelijk werkt, ongeacht of er contact is tussen objecten of niet, wordt een "actiekracht op afstand" genoemd. Aan de andere kant vereisen krachten zoals wrijving en normaal dat de op elkaar inwerkende objecten in contact zijn, daarom worden ze "contactkrachten" genoemd.

Formules uit het voorbeeld

Terugkerend naar de bal - aardepaar objecten, de indices P voor de bal en T voor de aarde kiezen en de tweede wet van Newton toepassen op elke deelnemer aan dit systeem, krijgen we:

_Resulterend F = m. naar

De derde wet stelt dat:

m _P een _P = - m _T een _T

a _P = 9,8 m / s ² verticaal naar beneden gericht. Aangezien deze beweging in verticale richting plaatsvindt, kan de vectornotatie (vet) achterwege blijven; en als we de opwaartse richting als positief en naar beneden als negatief kiezen, hebben we:

een _P = 9,8 m / s ²

m _T ≈ 6 x 10 ²⁴ Kg

Ongeacht de massa van de bal is de versnelling van de aarde nul. Daarom wordt opgemerkt dat de bal naar de aarde valt en niet andersom.

Werking van een raket

Raketten zijn een goed voorbeeld van het toepassen van de derde wet van Newton. De raket die in de afbeelding aan het begin wordt getoond, stijgt dankzij de voortstuwing van hete gassen met hoge snelheid.

Velen geloven dat dit gebeurt omdat deze gassen op de een of andere manier op de atmosfeer of de grond "leunen" om de raket te ondersteunen en voort te stuwen. Zo werkt het niet.

Net zoals de raket kracht uitoefent op de gassen en ze naar achteren verdrijft, oefenen de gassen een kracht uit op de raket, die dezelfde modulus heeft, maar in tegengestelde richting. Deze kracht geeft de raket zijn opwaartse versnelling.

Als je niet zo'n raket bij de hand hebt, zijn er andere manieren om te controleren of de derde wet van Newton werkt om voor voortstuwing te zorgen. Er kunnen waterraketten worden gebouwd, waarbij de nodige stuwkracht wordt geleverd door het water dat wordt verdreven door middel van een gas onder druk.

Opgemerkt moet worden dat de lancering van een waterraket tijd kost en veel voorzorgsmaatregelen vereist.

Gebruik van schaatsen

Een meer betaalbare en directe manier om het effect van de derde wet van Newton te testen, is door een paar schaatsen aan te trekken en jezelf tegen een muur te duwen.

Meestal wordt het vermogen om kracht uit te oefenen geassocieerd met objecten die in beweging zijn, maar de waarheid is dat immobiele objecten ook krachten kunnen uitoefenen. De schaatser wordt achteruit voortgestuwd dankzij de kracht die de immobiele muur op hem uitoefent.

De contactvlakken oefenen (normale) contactkrachten met elkaar uit. Wanneer een boek op een horizontale tafel rust, oefent het een verticale kracht uit die er normaal op wordt genoemd. Het boek oefent op de tafel een verticale kracht uit van dezelfde numerieke waarde en tegengestelde richting.

Experiment voor kinderen: de schaatsers

Kinderen en volwassenen kunnen gemakkelijk de derde wet van Newton ervaren en verifiëren dat de actie- en reactiekrachten niet opheffen en in staat zijn om bewegingen te maken.

Twee schaatsers op ijs of op een zeer glad oppervlak kunnen elkaar voortstuwen en bewegingen in de tegenovergestelde richting ervaren, of ze nu dezelfde massa hebben of niet, dankzij de wet van actie en reactie.

Beschouw twee skaters met heel verschillende massa's. Ze staan ​​midden op een ijsbaan met verwaarloosbare wrijving en zijn aanvankelijk stil. Op een gegeven moment duwen ze elkaar door constante kracht uit te oefenen met de handpalmen. Hoe zullen ze allebei verhuizen?

Twee schaatsers drijven elkaar voort in het midden van een ijsbaan. Bron: Benjamin Crowell (Wikipedia-gebruiker bcrowell)

Het is belangrijk op te merken dat aangezien het een wrijvingsloos oppervlak is, de enige onevenwichtige krachten de krachten zijn die de schaatsers op elkaar uitoefenen. Hoewel het gewicht en de normaal op beide inwerken, balanceren deze krachten, anders zouden de schaatsers in verticale richting versnellen.

Formules die in dit voorbeeld zijn toegepast

De derde wet van Newton stelt dat:

F ₁₂ = - F ₂₁

Dat wil zeggen, de kracht die wordt uitgeoefend door schaatser 1 op 2 is in grootte gelijk aan die uitgeoefend door 2 op 1, met dezelfde richting en tegengestelde richting. Merk op dat deze krachten op verschillende objecten worden toegepast, op dezelfde manier dat de krachten in het vorige conceptuele voorbeeld op de bal en de aarde werden uitgeoefend.

m ₁ tot ₁ = -m ₂ tot ₂

Omdat de krachten tegengesteld zijn, zullen de versnellingen die ze veroorzaken ook tegengesteld zijn, maar hun grootte zal anders zijn, aangezien elke schaatser een andere massa heeft. Laten we eens kijken naar de versnelling die de eerste skater heeft verworven:

De volgende beweging is dus de scheiding van beide skaters in tegengestelde richtingen. In principe lagen de schaatsers midden op de baan stil. Elk oefent een kracht uit op de ander die voor versnelling zorgt zolang de handen in contact zijn en de stuwkracht duurt.

Daarna bewegen de schaatsers zich van elkaar af met een uniforme rechtlijnige beweging, omdat ongebalanceerde krachten niet langer werken. De snelheid van elke schaatser zal anders zijn als hun massa dat ook is.

Oefening opgelost

Om problemen op te lossen waarbij de wetten van Newton moeten worden toegepast, is het noodzakelijk om zorgvuldig de krachten te tekenen die op het object inwerken. Deze tekening wordt een "vrij lichaam diagram" of een "geïsoleerd lichaam diagram" genoemd. De krachten die door het lichaam op andere objecten worden uitgeoefend, mogen in dit diagram niet worden weergegeven.

Als er meer dan één object bij het probleem betrokken is, is het noodzakelijk om voor elk van de objecten een vrijlichaamdiagram te tekenen, waarbij u eraan herinnert dat de actie-reactieparen op verschillende lichamen inwerken.

a) De versnelling die elke skater verkrijgt dankzij de push.

b) De snelheid van elk wanneer ze uit elkaar gaan

Oplossing

a) Neem de positieve horizontale richting van links naar rechts. Door de tweede wet van Newton toe te passen met de waarden van de verklaring hebben we:

F ₂₁ = m ₁ tot ₁

Waarvan:

Voor de tweede schaatser:

b) De kinematische vergelijkingen van uniform versnelde rechtlijnige beweging worden gebruikt om de snelheid te berekenen die ze dragen net zoals ze scheiden:

De beginsnelheid is 0, aangezien ze in het midden van de baan stil waren:

v _f = op

v _f1 = een ₁ t = -4 m / s ² . 0,40 s = -1,6 m / s

v _f2 = een ₂ t = +2,5 m / s ² . 0,40 s = +1 m / s

Resultaten

Zoals verwacht, verwerft persoon 1, die lichter is, een grotere versnelling en dus een grotere snelheid. Let nu op het volgende over het product van de massa en de snelheid van elke schaatser:

m ₁ tegen ₁ = 50 kg. (-1,6 m / s) = - 80 kg.m / s

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

De som van beide producten is 0. Het product van massa en snelheid wordt momentum P genoemd. Het is een vector met dezelfde richting en gevoel voor snelheid. Wanneer de schaatsers in rust waren en hun handen in contact waren, kon worden aangenomen dat ze hetzelfde object vormden waarvan het momentum was:

P _o = (m ₁ + m ₂ ) v _o = 0

Nadat de push is voltooid, blijft de hoeveelheid beweging van het schaatssysteem 0. Hierdoor blijft de hoeveelheid beweging behouden.

Voorbeelden van de derde wet van Newton in het dagelijks leven

Wandelen

Lopen is een van de meest alledaagse handelingen die kunnen worden uitgevoerd. Indien zorgvuldig geobserveerd, vereist het lopen dat de voet tegen de grond wordt gedrukt, zodat deze een gelijke en tegengestelde kracht op de voet van de rollator teruggeeft.

Terwijl we lopen, passen we constant de derde wet van Newton toe. Bron: Pixabay.

Het is precies die kracht waardoor mensen kunnen lopen. Tijdens de vlucht oefenen de vogels kracht uit op de lucht en de lucht duwt de vleugels zodat de vogel zichzelf voortstuwt.

Beweging van een auto

Bij een auto oefenen de wielen krachten uit op de stoep. Dankzij de reactie van het wegdek oefent het krachten uit op de banden die de auto voortstuwen.

Sport

In de sport zijn de krachten van actie en reactie talrijk en hebben ze een zeer actieve deelname.

Laten we bijvoorbeeld eens kijken naar de atleet met zijn voet op een startblok. Het blok geeft een normale kracht als reactie op de druk die de atleet erop uitoefent. Het resultaat van deze normaal en het gewicht van de loper, resulteren in een horizontale kracht waarmee de atleet zichzelf vooruit kan stuwen.

De atleet gebruikt het startblok om bij de start een voorwaarts momentum toe te voegen. Bron: Pixabay.

Brandslangen

Een ander voorbeeld waarin de derde wet van Newton aanwezig is, zijn brandweerlieden die brandslangen vasthouden. Het uiteinde van deze grote slangen heeft een handvat op het mondstuk dat de brandweerman moet vasthouden wanneer de waterstraal naar buiten komt, om de terugslag te voorkomen die optreedt wanneer het water naar buiten stroomt.

Om dezelfde reden is het handig om de boten aan het dok te binden voordat u ze verlaat, want wanneer ze worden geduwd om het dok te bereiken, wordt een kracht aan de boot geleverd die deze ervan weg beweegt.

Referenties

1. Giancoli, D. 2006. Fysica: principes met toepassingen. Zesde editie. Prentice Hall. 80 - 82.
2. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson. 73 - 75.
3. Tipler, P. 2010. Fysica. Deel 1. 5e editie. Redactioneel Reverté. 94 - 95.
4. Stern, D. 2002. Van astronomen tot ruimteschepen. Genomen uit: pwg.gsfc.nasa.gov.