Объектом, о котором идёт речь во втором законе Ньютона, является материальная точка, обладающая неотъемлемым свойством — инерцией[4], величина которой характеризуется массой. В классической (ньютоновской) механике масса материальной точки полагается постоянной во времени и не зависящей от каких-либо особенностей её движения и взаимодействия с другими телами[5][6][7][8].
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.
Иногда в рамках классической механики предпринимались попытки распространить сферу применения уравнения 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 суперпозиции сил). Поэтому результирующее ускорение материальной точки можно определить по второму закону Ньютона, подставив в него равнодействующую силу[18].
Уравнение второго закона Ньютона 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[21][22]. 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[23]. 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[24][25].
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[26][27]. 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[28].
Во многих практических и учебных задачах второй закон Ньютона позволяет вычислять силу. Но данный закон не является дефиницией силы[29] (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 (), 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[30].
Второй закон Ньютона устанавливает связь между динамическими и кинематическими величинами[32]. Кроме того, уравнение закона может рассматриваться как уравнение связи между физическими величинами при определении единиц силы в системах СИ, СГС и других[33]. 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[34]. (При независимом выборе единиц массы, силы и ускорения выражение второго закона нужно писать в виде , где — коэффициент пропорциональности, определяющийся выбором единиц измерения[35][36][37][38]; в частности, такая форма записи — с размерным коэффициентом — практикуется в американской технической литературе при использовании британской системы единиц[39][40][41].)
Сила во втором законе Ньютона зависит только от координат и скорости материальной точки: . Основная задача физической механики сводится к нахождению функции [42].
Формула второго закона Ньютона выражает принцип причинности классической механики. Координаты и скорости материальной точки в момент времени (где ) непрерывно и однозначно определяются через их значения в момент времени и заданную силу , действующую на материальную точку. Разлагая в ряд Тейлора и ограничиваясь малыми первого порядка по , получаем[43]: , . Форма, в которой в механике реализуется причинность, называется механистическим или лапласовскимдетерминизмом[44].
В классической механике закон сохранения энергии, закон сохранения импульса и закон сохранения момента импульса являются следствиями второго закона Ньютона, однородности времени, однородности и изотропности пространства, а также некоторых предположений относительно характера действующих сил[46].
В случае, когда сила постоянна, интегрирование уравнения второго закона Ньютона приводит к равенству . Это соотношение показывает, что под действием заданной силы определённое изменение скорости у тела с большей массой происходит за более продолжительный промежуток времени. Поэтому говорят, что все тела обладают инерцией, а массу называют мерой инерции тела[47].
Векторная запись второго закона Ньютона верна для любой инерциальной системы координат, относительно которой определяются входящие в этот закон величины (сила, масса, ускорение)[48]. Однако, разложение на компоненты (проекции) будет различным для декартовой, цилиндрической и сферической систем. Интерес также представляет разложение на нормальную и тангенциальную составляющие.
, , ,
где , а орты , , цилиндрической системы берутся в точке приложения силы и направлены, соответственно, от оси под 900 к ней, по окружности в плоскости с центром на оси, и вдоль (в сторону возрастания конкретной координаты),
,
,
,
где , а орты , , сферической системы берутся в точке приложения силы и направлены, соответственно, от центра , по «параллелям», и по «меридианам» (в сторону возрастания конкретной координаты).
В соприкасающейся плоскости ускорение материальной точки массой и действующую на неё силу можно разложить на нормальную (перпендикулярную касательной к траектории в соприкасающейся плоскости) и тангенциальную (параллельную касательной к траектории в соприкасающейся плоскости) составляющие.
Абсолютная величина нормальной силы равна , где — радиус кривизны траектории материальной точки, — абсолютная величина её скорости. Нормальная сила направлена к центру кривизны траектории материальной точки. В случае круговой траектории радиуса абсолютная величина нормальной силы , где — угловая скорость обращения точки. Нормальную силу также называют центростремительной.
Тангенциальная составляющая силы равна , где — дуговая координата по траектории точки[49]. Если , то сила совпадает по направлению с вектором скорости и её называют движущей силой. Если , то сила противоположна по направлению вектору скорости и её называют тормозящей силой.
В виде 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 , где — скорость света[50].
В релятивистской динамике вектор трёхмерного ускорения уже не параллелен вектору трёхмерной силы [52].
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[53].
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).
Для описания движения частицы в потенциальном поле, в квантовой механике справедливо операторное уравнение, по форме совпадающее с уравнением второго закона Ньютона: . Здесь: — масса частицы, — оператор скорости, — оператор импульса, — оператор потенциальной энергии[54].
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.
Научно-историческое значение закона
Оценивая значение второго закона Ньютона, А. Эйнштейн писал:
Дифференциальный закон является той единственной формой причинного объяснения, которая может полностью удовлетворять современного физика. Ясное понимание дифференциального закона есть одно из величайших духовных достижений Ньютона… Только переход к рассмотрению явления за бесконечно малое время (т. е. к дифференциальному закону) позволил Ньютону дать формулировку, пригодную для описания любого движения… Так Ньютон пришёл… к установлению знаменитого закона движения:
Вектор ускорения × Масса = Вектор силы.
Это — фундамент всей механики и, пожалуй, всей теоретической физики.
— Эйнштейн А. Собрание научных трудов. — М.: Наука, 1967. — Т. 4. — С. 82, 92. — 599 с. — (Классики науки). — 31 700 экз.
Все законы природы для сил в зависимости от свойств тел, их состояний и движений получаются из опытов и устанавливаются всегда и только на основе решения уравнения , которое употребляется для выражения силы[55].
В аналитической механике существует два аксиоматических подхода. При одном подходе в качестве аксиомы принимается второй закон Ньютона и из него выводятся уравнения Лагранжа. При другом подходе в качестве аксиомы принимаются уравнения Лагранжа. Тогда второй закон Ньютона рассматривается как следствие из них [57].
Записанные так в декартовых координатах уравнения Лагранжа называются уравнениями движения в форме Ньютона[58].
Теорема об изменении обобщённого импульса обобщает и включает как частные случаи теоремы ньютоновской динамики об изменении количества движения и об изменении кинетического момента[59].
где, как и выше, — обобщённый импульс, через обозначена функция Гамильтона, а — лагранжиан, то есть разность кинетической и потенциальной энергий системы.
↑Тарасов В. Н., Бояркина И. В., Коваленко М. В., Федорченко Н. П., Фисенко Н. И. Теоретическая механика. — М., ТрансЛит, 2012. — ISBN 978-5-94976-455-8. — Тираж 1000 экз. — с. 249
↑"Дополнительной характеристикой (по сравнению с геометрическими характеристиками) материальной точки является скалярная величина m — масса материальной точки, которая, вообще говоря, может быть как постоянной, так и переменной величиной. ... В классической ньютоновской механике материальная точка обычно моделируется геометрической точкой с присущей ей постоянной массой) являющейся мерой её инерции." стр. 137 Седов Л. И., Цыпкин А. Г. Основы макроскопических теорий гравитации и электромагнетизма. М: Наука, 1989.
↑Маркеев А. П. Теоретическая механика. — М.: ЧеРО, 1999. — С. 87. — 572 с. «Масса материальной точки считается постоянной величиной, не зависящей от обстоятельств движения».
↑Голубев Ю. Ф. Основы теоретической механики. — М.: МГУ, 2000. — С. 160. — 720 с. — ISBN 5-211-04244-1. «Аксиома 3.3.1. Масса материальной точки сохраняет своё значение не только во времени, но и при любых взаимодействиях материальной точки с другими материальными точками независимо от их числа и от природы взаимодействий».
↑Тарг С. М. Краткий курс теоретической механики. — М.: Высшая школа, 1995. — С. 287. — 416 с. — ISBN 5-06-003117-9. «В классической механике масса каждой точки или частицы системы считается при движении величиной постоянной»
↑Бутиков Е.И., Быков А.А., Кондратьев А.С. Физика для поступающих в вузы. — М.: Наука, 1982. — С.39.
↑Ландсберг Г. С. Элементарный учебник физики. Том 1. Механика. Теплота. Молекулярная физика. — М.: Наука, 1975. — C. 107
↑Исаак Ньютон. Математические начала натуральной философии. — М.: Наука, 1989. — С. 40. — 690 с. — («Классики науки»). — 5000 экз. — ISBN 5-02-000747-1.
↑Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Физматлит; изд-во МФТИ, 2005. — Т. I. Механика. — С. 76. — 560 с. — ISBN 5-9221-0225-7.
↑Маркеев А. П. Теоретическая механика. — М.: ЧеРО, 1999. — С. 254. — 572 с. «…второй закон Ньютона справедлив только для точки постоянного состава. Динамика систем переменного состава требует особого рассмотрения».
↑Иродов И. Е. Основные законы механики. — М.: Высшая школа, 1985. — С. 41. — 248 с.«В ньютоновской механике… m=const и dp/dt=ma».
↑Kleppner D., Kolenkow R. J.An Introduction to Mechanics. — McGraw-Hill, 1973. — P. 112. — ISBN 0-07-035048-5. Архивировано 17 июня 2013 года.Архивированная копия (неопр.). Дата обращения: 9 февраля 2013. Архивировано 17 июня 2013 года. «For a particle in Newtonian mechanics, M is a constant and (d/dt)(Mv) = M(dv/dt) = Ma».
↑Зоммерфельд А. Механика = Sommerfeld A. Mechanik. Zweite, revidierte Auflage, 1944. — Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001. — С. 45-46. — 368 с. — ISBN 5-93972-051-X.
↑Кильчевский Н. А. Курс теоретической механики. Том 1. — М.: Наука, 1977. 480 с.
↑Айзерман М.А. Классическая механика. — М.: Наука, 1980. — Тираж 17 500 экз. — С. 164-165
↑Медведев Б. В. Начала теоретической физики. Механика, теория поля, элементы квантовой механики. — М.: Физматлит, 2007. — ISBN 978-5-9221-0770-9 — С. 38.
Gundlach J. H., Schlamminger S., Spitzer C. D., Choi K.-Y., Woodahl B. A., Coy J. J., Fischbach E.Laboratory Test of Newton’s Second Law for Small Accelerations(англ.). Phys. Rev. Lett., Vol. 98. American Physical Society (13 апреля 2007). Дата обращения: 7 апреля 2017. Архивировано 30 марта 2021 года.
هذه المقالة يتيمة إذ تصل إليها مقالات أخرى قليلة جدًا. فضلًا، ساعد بإضافة وصلة إليها في مقالات متعلقة بها. (يوليو 2014) مذبحة الكلية الفنية العسكرية المعلومات البلد مصر الموقع القاهرة، مصر التاريخ 18 إبريل 1974 الهدف اغتيال السادات نوع الهجوم مذبحة الخسائر الوفيات 17 الإصابا...
Pauline Wengeroff Pauline Wengeroff (russisch Полина Юльевна Венгерова, Polina Juljewna Wengerowa; * 1833 in Babrujsk; † 1916 in Minsk) war eine russisch-jüdische Autorin. Sie hinterließ kulturgeschichtlich bedeutsame Memoiren zur Welt der russisch-jüdischen Frau. Sie ist die Mutter von Isabelle Vengerova und dem Historiker und Literaturkritiker Semjon Afanasjewitsch Wengerow (17. April 1855 – 14. September 1920). Veröffentlichungen Memoiren einer Grossmutter: Bi...
هذه مقالة غير مراجعة. ينبغي أن يزال هذا القالب بعد أن يراجعها محرر مغاير للذي أنشأها؛ إذا لزم الأمر فيجب أن توسم المقالة بقوالب الصيانة المناسبة. يمكن أيضاً تقديم طلب لمراجعة المقالة في الصفحة المخصصة لذلك. (ديسمبر 2019) هذه المقالة يتيمة إذ تصل إليها مقالات أخرى قليلة جدًا. ف...
Hong Kong philosopherYuk Hui許煜EducationUniversity of Hong Kong Goldsmiths, University of London Leuphana University of LüneburgEra21st CenturyRegionWestern Philosophy, Eastern PhilosophySchoolContinental Philosophy, Chinese PhilosophyMain interestsPhilosophy of Technology, History of Philosophy, History of Technology, Cybernetics Websitedigitalmilieu.net Yuk Hui is a Hong Kong philosopher and professor of philosophy at the Erasmus University Rotterdam. He is known for his writings on phi...
Francesco Francia Francesco Francia (1568) Data i miejsce urodzenia ok. 1450 Bolonia Data i miejsce śmierci 5 stycznia 1517 Bolonia Narodowość włoska Dziedzina sztuki malarstwo Epoka renesans Multimedia w Wikimedia Commons Święta Rodzina ze św. Franciszkiem Muzeum Pałacu Króla Jana III w Wilanowie, Warszawa (II poł. XV) Portret Federiga Gonzagi Metropolitan Museum of Art, Nowy Jork (1510) Francesco Francia, właśc. Francesco di Marco di Giacomo Raibolini (ur. ok. 1450 w B...
Artikel ini sebatang kara, artinya tidak ada artikel lain yang memiliki pranala balik ke halaman ini.Bantulah menambah pranala ke artikel ini dari artikel yang berhubungan atau coba peralatan pencari pranala.Tag ini diberikan pada Maret 2023. Tumis buncis tabur badam hias Badam hias, terkadang diinggriskan sebagai almondine ataupun amandine, adalah istilah kuliner yang menunjukkan hiasan dari badam. Hidangan semacam ini biasanya dimasak dengan mentega dan bumbu, kemudian ditaburi badam pangga...
Wakil Bupati SerangSepi ing Pamrih Rame ing Gawe (Jawa) Tidak mengharapkan imbalan namun tetap bersungguh-sungguh dalam bekerjaPetahanaJabatan lowongsejak 27 September 2023Masa jabatan5 tahunDibentuk2000Pejabat pertamaA. Taufik NurimanSitus webserangkab.go.id Berikut ini adalah daftar pejabat Wakil Bupati Serang dari masa ke masa. No Wakil Bupati Mulai Jabatan Akhir Jabatan Prd. Ket. Bupati 1 Letkol Inf. (Purn.) Drs. H.A. Taufik NurimanM.M., M.B.A. 20 April 2000 20 April 2005 1 Dr...
This article relies largely or entirely on a single source. Relevant discussion may be found on the talk page. Please help improve this article by introducing citations to additional sources.Find sources: Éditions Alphonse Leduc – news · newspapers · books · scholar · JSTOR (May 2021) French music publishing house Éditions Alphonse LeducParent companyWise Music GroupFounded1841; 182 years ago (1841)Country of originFranceHeadquarter...
Leak of American classified intelligence In April 2023, two sets of leaked classified foreign intelligence documents of the United States began circulating on Twitter, Telegram, and 4chan. Jack Teixeira, an airman first class of the Massachusetts Air National Guard, had allegedly photographed printouts of the documents at his parents' home in Dighton, Massachusetts, and posted them to the instant messaging platform Discord on a server named Thug Shaker Central. The earliest posts dated to Oct...
Pedro Pablo CaroBornPedro Pablo Caro Rodríguez(1875-05-12)12 May 1875San Antonio de Petrel, Pichilemu, ChileDied3 July 1959(1959-07-03) (aged 84)Rancagua, ChileNationalityChileanAlma materUniversity of ChileOccupationLawyerSpouse(s)Clementina Leiva Espinoza (married 1902)Elena Salinas MonzónChildren6Parent(s)José María Caro MartínezRita Rodríguez Cornejo Pedro Pablo Caro Rodríguez (12 May 1875 – 3 July 1959) was a Chilean lawyer. After obtaining the degree of law and politi...
Israeli bibliographic services company Ex Libris Group Ltd.Native nameאקס ליבריסTypePrivate; subsidiaryIndustryLibrary automation softwareFounded1986 (1986)HeadquartersJerusalem, IsraelNumber of locations11Area servedWorldwideKey peopleOfer Mosseri (General Manager)OwnerClarivateNumber of employees950Websitewww.exlibrisgroup.com Ex Libris development centre in the Jerusalem Technology Park Ex Libris Group is an Israeli software company that develops integrated library systems an...
Jekyll & Hyde Musicaldaten Titel: Jekyll & Hyde Originaltitel: Jekyll & Hyde Originalsprache: Englisch Musik: Frank Wildhorn Buch: Leslie Bricusse Liedtexte: Leslie Bricusse Literarische Vorlage: Der Seltsame Fall des Dr. Jekyll & Mr. Hyde von Robert Louis Stevenson Uraufführung: 24. Mai 1990 Ort der Uraufführung: Houston, Alley Theatre Spieldauer: ca. 3 Stunden; inkl. 20-minütiger Pause Ort und Zeit der Handlung: London des 20. Jahrhunderts Rollen/Personen Henry Jekyll / E...
Northern Irish footballer (born 2000) Kofi Balmer Balmer with Port Vale in 2023Personal informationFull name Kofi Balmer[1]Date of birth (2000-09-19) 19 September 2000 (age 23)[2]Place of birth Newtownabbey, Northern Ireland[3]Height 1.83 m (6 ft 0 in)[2]Position(s) Centre-backTeam informationCurrent team Port Vale(on loan from Crystal Palace)Number 5Youth career Ballymena UnitedSenior career*Years Team Apps (Gls)2016–2021 Ballymena United...
Species of mammal Egyptian slit-faced bat Conservation status Least Concern (IUCN 3.1)[1] Scientific classification Domain: Eukaryota Kingdom: Animalia Phylum: Chordata Class: Mammalia Order: Chiroptera Family: Nycteridae Genus: Nycteris Species: N. thebaica Binomial name Nycteris thebaicaE. Geoffroy Saint-Hilaire, 1818 The Egyptian slit-faced bat (Nycteris thebaica) is a species of slit-faced bat broadly distributed throughout Africa and the Middle East. It is a species of ...
Boarding and day school in Middlebury, Connecticut, United StatesWestover SchoolAddress1237 Whittemore RoadMiddlebury, Connecticut 06762United StatesCoordinates41°31′36″N 73°07′24″W / 41.5267°N 73.1233°W / 41.5267; -73.1233InformationSchool typeBoarding and DayMottoCogitare Agere Esse(To think, to do, to be)Founded1909FoundersMary Robbins HillardCEEB code070395Head of schoolPolly Oppmann FredlundGrades9-12Average class size12Student to teacher ratio1:4Campu...
County in Georgia, United States County in GeorgiaMurray CountyCountyMurray County courthouse in ChatsworthLocation within the U.S. state of GeorgiaGeorgia's location within the U.S.Coordinates: 34°47′N 84°45′W / 34.78°N 84.75°W / 34.78; -84.75Country United StatesState GeorgiaFounded1832; 191 years ago (1832)SeatChatsworthLargest cityChatsworthArea • Total347 sq mi (900 km2) • Land344 sq...
2015 single by Brad PaisleyCountry NationSingle by Brad Paisleyfrom the album Moonshine in the Trunk ReleasedSeptember 14, 2015 (2015-09-14)GenreCountryLength3:45 (album version)LabelArista NashvilleSongwriter(s) Brad Paisley Chris DuBois Kelley Lovelace Producer(s) Brad Paisley Luke Wooten Brad Paisley singles chronology Crushin' It (2015) Country Nation (2015) Without a Fight (2016) Country Nation is a song recorded by the American country music artist Brad Paisley. It was re...