WikiSort.ru - Не сортированное

Возможные формулировки

• В своём труде «Математические начала натуральной философии» Исаак Ньютон приводит следующую формулировку^[11] своего закона:

Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.

• Современная формулировка:

В инерциальных системах отсчёта ускорение, приобретаемое материальной точкой, прямо пропорционально вызывающей его силе, совпадает с ней по направлению и обратно пропорционально массе материальной точки.

Обычно этот закон записывается в виде формулы

${\displaystyle {\vec {a}}={\frac {\vec {F}}{m}},}$

где ${\displaystyle {\vec {a}}}$ — ускорение тела, ${\displaystyle {\vec {F}}}$ — сила, приложенная к телу, а ${\displaystyle \ m}$ — масса тела.

Или в ином виде:

${\displaystyle m{\vec {a}}={\vec {F}}}$

• Формулировка второго закона Ньютона с использованием понятия импульса:

В инерциальных системах отсчёта производная импульса материальной точки по времени равна действующей на неё силе^[12]:

${\displaystyle {\frac {d{\vec {p}}}{dt}}={\vec {F}},}$

где ${\displaystyle {\vec {p}}=m{\vec {v}}}$ — импульс (количество движения) точки, ${\displaystyle {\vec {v}}}$ — её скорость, а ${\displaystyle t}$ — время.

Область применения закона

Второй закон Ньютона в классической механике сформулирован применительно к движению материальной точки. Предполагается, что масса материальной точки неизменна во времени^[13][14][15]. Уравнения, соответствующие данному закону, называются уравнениями движения материальной точки или основными уравнениями динамики материальной точки.

Иногда в рамках классической механики предпринимались попытки распространить сферу применения уравнения ${\displaystyle d{\vec {p}}/dt={\vec {F}}}$ и на случай тел переменной массы. Однако вместе с таким расширительным толкованием уравнения приходилось существенным образом модифицировать принятые ранее определения и изменять смысл таких фундаментальных понятий, как материальная точка, импульс и сила^[16][17].

В случае, когда на материальную точку действует несколько сил, каждая из них сообщает точке ускорение, определяемое вторым законом Ньютона так, как если бы других сил не было (принцип независимости действия сил). Поэтому результирующее ускорение материальной точки можно определить по второму закону Ньютона, подставив в него равнодействующую силу^[18].

Уравнение второго закона Ньютона ${\displaystyle {\vec {F}}=m{\vec {a}}}$ предполагает скалярную аддитивность масс^[19].

Помимо материальной точки, уравнение второго закона Ньютона применимо также для описания механического движения центра масс механической системы. Центр масс движется, как материальная точка, имеющая массу, равную массе всей системы, и находящаяся под действием всех внешних сил, приложенных к точкам системы (теорема о движении центра масс системы).

Второй закон Ньютона выполняется только в инерциальных системах отсчёта^[20][21]. Тем не менее, добавляя к силам, действующим со стороны других тел, силы инерции, для описания движения в неинерциальных системах отсчёта можно пользоваться уравнением второго закона Ньютона^[22]. В таком случае для неинерциальной системы отсчёта уравнение движения записывается в той же форме, что и для инерциальной системы: масса тела, умноженная на его ускорение относительно неинерциальной системы отсчёта, равна по величине и направлению равнодействующей всех сил, включая и силы инерции, приложенные к телу^[23][24].

Логическая роль второго закона Ньютона

В ньютоновском изложении классической механики законы Ньютона ниоткуда не «выводятся», они имеют статус аксиом, базирующихся на совокупности экспериментальных фактов. Как и аксиомы математики, аксиомы ньютоновской динамики можно сформулировать немного по-разному.

При одном подходе второй закон Ньютона позиционируется как экспериментально проверяемое утверждение о пропорциональности ускорения вызывающей его силе и, одновременно, определение инертной массы тела через отношение величин силы и ускорения^[25][26]. Тогда основная идея второго закона состоит в декларации линейности соотношения «сила—ускорение», то есть что именно эти величины (а не, скажем, сила и скорость) и именно таким образом (а не квадратично и т. п.) связаны между собой.

При другом подходе можно ввести инертную массу независимо от второго закона Ньютона, через массу определённого тела, принимаемого за эталон. Тогда второй закон содержит два независимо экспериментально проверяемых утверждения: о пропорциональности ускорения силе и обратной пропорциональности массе^[27].

Уравнение второго закона Ньютона ${\displaystyle {\vec {F}}=m{\vec {a}}}$ рассматривается как уравнение связи между физическими величинами при определении единиц силы в системах СИ, СГС и других^[28]. Единица силы определяется как такая сила, которая материальной точке с массой, равной единице массы, принимаемой в качестве основной, сообщает ускорение, равное единице ускорения, определённой ранее в качестве производной единицы^[29]. (При независимом выборе единиц массы, силы и ускорения выражение второго закона нужно писать в виде ${\displaystyle m{\vec {a}}=k{\vec {F}}}$ , где ${\displaystyle k}$ — коэффициент пропорциональности, определяющийся выбором единиц измерения^{[30][31][32][33]}).

Во многих практических и учебных задачах второй закон Ньютона позволяет вычислять силу. Но данный закон не является дефиницией силы^[34](высказывание типа «по определению, сила есть произведение массы на ускорение» неуместно), иначе он превратился бы в тавтологию.

В случае отсутствия воздействия на тело со стороны других тел (${\displaystyle {\vec {F}}=0}$ ), из второго закона Ньютона следует, что ускорение тела равно нулю. Отсюда может показаться, что первый закон Ньютона входит во второй как его частный случай. Однако, это не так, поскольку именно первым законом постулируется существование инерциальных систем отсчёта, что является самостоятельным содержательным утверждением. Соответственно, первый закон Ньютона формулируется независимо от второго^[35].

Формула второго закона Ньютона ${\displaystyle {\vec {a}}={\vec {F}}/m}$ выражает принцип причинности классической механики. Координаты и скорости материальной точки в момент времени ${\displaystyle t+\Delta t}$ (где ${\displaystyle \Delta t\to 0}$ ) непрерывно и однозначно определяются через их значения в момент времени ${\displaystyle t}$ и заданную силу ${\displaystyle {\vec {F}}}$ , действующую на материальную точку. Разлагая в ряд Тейлора и ограничиваясь малыми первого порядка по ${\displaystyle t}$ , получаем^[36]: ${\displaystyle {\vec {r}}(t+\Delta t)={\vec {r}}(t)+{\vec {v}}\Delta t}$ , ${\displaystyle {\vec {v}}(t+\Delta t)={\vec {v}}(t)+{\vec {a}}\Delta t}$ . Форма, в которой в механике реализуется причинность, называется механистическим или лапласовским детерминизмом^[37].

Второй закон Ньютона устанавливает связь между динамическими и кинематическими величинами^[38].

В случае, когда сила ${\displaystyle {\vec {F}}}$ постоянна, интегрирование уравнения второго закона Ньютона ${\displaystyle {\frac {d{\vec {v}}}{dt}}={\frac {\vec {F}}{m}}}$ в этом случае приводит к равенству ${\displaystyle {\vec {v_{2}}}-{\vec {v_{1}}}={\frac {\vec {F}}{m}}(t_{2}-t_{1})}$ . Это соотношение показывает, что под действием заданной силы ${\displaystyle {\vec {F}}}$ определённое изменение скорости ${\displaystyle \Delta {\vec {v}}={\vec {v_{2}}}-{\vec {v_{1}}}}$ у тела с большей массой происходит за более продолжительный промежуток времени. Поэтому говорят, что все тела обладают инерцией, а массу ${\displaystyle m}$ называют мерой инерции тела^[39].

Запись закона в разных системах координат

Векторная запись второго закона Ньютона ${\displaystyle m{\vec {a}}={\vec {F}}}$ верна для любой инерциальной системы координат, относительно которой определяются входящие в этот закон величины (сила, масса, ускорение)^[40]. Однако, разложение на компоненты (проекции) будет различным для декартовой, цилиндрической и сферической систем. Интерес также представляет разложение на нормальную и тангенциальную составляющие.

• Декартова прямоугольная система координат

${\displaystyle m{\ddot {x}}=F_{x}}$ , ${\displaystyle m{\ddot {y}}=F_{y}}$ , ${\displaystyle m{\ddot {z}}=F_{z}}$ , где ${\displaystyle {\vec {F}}=F_{x}{\vec {i}}+F_{y}{\vec {j}}+F_{z}{\vec {k}}}$ , а орты декартовой системы ${\displaystyle {\vec {i}}}$ , ${\displaystyle {\vec {j}}}$ , ${\displaystyle {\vec {k}}}$ направлены по осям координат (в сторону возрастания конкретной координаты),

• Цилиндрическая система координат

${\displaystyle m({\ddot {\rho }}-\rho {\dot {\varphi }}^{2})=F_{\rho }}$ , ${\displaystyle m(\rho {\ddot {\varphi }}-2{\dot {\rho }}{\dot {\varphi }})=F_{\varphi }}$ , ${\displaystyle m{\ddot {z}}=F_{z}}$ , где ${\displaystyle {\vec {F}}=F_{\rho }{\vec {e}}_{\rho }+F_{\varphi }{\vec {e}}_{\varphi }+F_{z}{\vec {e}}_{z}}$ , а орты ${\displaystyle {\vec {e}}_{\rho }}$ , ${\displaystyle {\vec {e}}_{\varphi }}$ , ${\displaystyle {\vec {e}}_{z}}$ цилиндрической системы берутся в точке приложения силы и направлены, соответственно, от оси ${\displaystyle z}$ под 90⁰ к ней, по окружности в плоскости ${\displaystyle xy}$ с центром на оси, и вдоль ${\displaystyle z}$ (в сторону возрастания конкретной координаты),

• Сферическая система координат

${\displaystyle m({\ddot {r}}-r{\dot {\varphi }}^{2}\sin ^{2}\theta -r{\dot {\theta }}^{2})=F_{r}}$ , ${\displaystyle m([r{\ddot {\varphi }}+2{\dot {r}}{\dot {\varphi }}]\sin \theta +2r{\dot {\varphi }}{\dot {\theta }}\cos \theta )=F_{\varphi }}$ , ${\displaystyle m(2{\dot {r}}{\dot {\theta }}+r{\ddot {\theta }}-r{\dot {\varphi }}^{2}\sin \theta \cos \theta )=F_{\theta }}$ , где ${\displaystyle {\vec {F}}=F_{r}{\vec {e}}_{r}+F_{\varphi }{\vec {e}}_{\varphi }+F_{\theta }{\vec {e}}_{\theta }}$ , а орты ${\displaystyle {\vec {e}}_{r}}$ , ${\displaystyle {\vec {e}}_{\varphi }}$ , ${\displaystyle {\vec {e}}_{\theta }}$ сферической системы берутся в точке приложения силы и направлены, соответственно, от центра ${\displaystyle O}$ , по «параллелям», и по «меридианам» (в сторону возрастания конкретной координаты).

• Разложение в соприкасающейся плоскости

В соприкасающейся плоскости ускорение ${\displaystyle {\vec {a}}={\vec {a_{n}}}+{\vec {a_{t}}}}$ материальной точки массой ${\displaystyle m}$ и действующую на неё силу ${\displaystyle {\vec {F}}={\vec {F_{n}}}+{\vec {F_{t}}}}$ можно разложить на нормальную (перпендикулярную касательной к траектории в соприкасающейся плоскости) ${\displaystyle {\vec {F_{n}}}=m{\vec {a_{n}}}}$ и тангенциальную (параллельную касательной к траектории в соприкасающейся плоскости) ${\displaystyle {\vec {F_{t}}}=m{\vec {a_{t}}}}$ составляющие.

Абсолютная величина нормальной силы равна ${\displaystyle F_{n}=ma_{n}=mv^{2}/R}$ , где ${\displaystyle R}$ — радиус кривизны траектории материальной точки, ${\displaystyle v}$ — абсолютная величина её скорости. Нормальная сила направлена к центру кривизны траектории материальной точки. В случае круговой траектории радиуса ${\displaystyle R}$ абсолютная величина нормальной силы ${\displaystyle F_{n}=m\omega ^{2}R}$ , где ${\displaystyle \omega }$ — угловая скорость обращения точки. Нормальную силу также называют центростремительной.

Тангенциальная составляющая силы равна ${\displaystyle F_{t}=ma_{t}=m{\frac {d^{2}s}{dt^{2}}}}$ , где ${\displaystyle s=s(t)}$ - дуговая координата по траектории точки^[41]. Если ${\displaystyle {\frac {d^{2}s}{dt^{2}}}>0}$ , то сила ${\displaystyle {\vec {F_{t}}}}$ совпадает по направлению с вектором скорости ${\displaystyle {\vec {v}}}$ и её называют движущей силой. Если ${\displaystyle {\frac {d^{2}s}{dt^{2}}}<0}$ , то сила ${\displaystyle {\vec {F_{t}}}}$ противоположна по направлению вектору скорости ${\displaystyle {\vec {v}}}$ и её называют тормозящей силой.

В релятивистской динамике

Второй закон Ньютона в виде ${\displaystyle m{\vec {a}}={\vec {F}}}$ приближённо справедлив только для скоростей, много меньших скорости света, и в инерциальных системах отсчёта.

В виде ${\displaystyle {\frac {d{\vec {p}}}{dt}}={\vec {F}}}$ второй закон Ньютона точно справедлив также в инерциальных системах отсчёта специальной теории относительности и в локально инерциальных системах отсчёта общей теории относительности, однако при этом вместо прежнего выражения для импульса используется равенство ${\displaystyle {\vec {p}}={\frac {m{\vec {v}}}{\sqrt {1-{\frac {\displaystyle v^{2}}{\displaystyle c^{2}}}}}}}$ , где ${\displaystyle c}$ — скорость света^[42].

Существует и четырёхмерное релятивистское обобщение второго закона Ньютона. Производная четырёхимпульса ${\displaystyle {\vec {\mathrm {P} }}}$ по собственному времени ${\displaystyle \tau }$ материальной точки равна четырёхсиле ${\displaystyle {\vec {\Phi }}}$ ^[43]:

${\displaystyle {\vec {\Phi }}={\frac {d{\vec {\mathrm {P} }}}{d\tau }}}$ .

В релятивистской динамике вектор трёхмерного ускорения ${\displaystyle {\vec {a}}}$ уже не параллелен вектору трёхмерной силы ${\displaystyle {\vec {F}}}$ ^[44].

В квантовой механике

Законы ньютоновской динамики, в том числе второй закон Ньютона, неприменимы, если длина волны де Бройля рассматриваемого объекта соизмерима с характерными размерами области, в которой изучается его движение. В этом случае необходимо пользоваться квантовомеханическими законами^[45].

Тем не менее, второй закон Ньютона при определённых условиях актуален применительно к движению волнового пакета в квантовой механике. Если потенциальная энергия волнового пакета пренебрежимо мало изменяется в области нахождения пакета, то производная по времени среднего значения импульса пакета будет равна силе, понимаемой как градиент потенциальной энергии, взятый с обратным знаком (теорема Эренфеста).

Видоизменённый второй закон Ньютона используется и при квантовомеханическом описании движения электронов в кристаллической решётке. Взаимодействие электрона с периодическим электромагнитным полем решётки при этом учитывается введением понятия эффективной массы.