Законы Ньютона

Введение

Данная работа посвящена трем законам Ньютона. Основываясь на достижениях своих предшественников, таких как Галилей, Кеплер, Гюйгенс, Декарт, он описал точным математическим языком механические процессы, движения небесных тел, ряд оптических явлений. Именно Ньютон открыл универсальные законы природы, ставшие основой механистического подхода, господствовавшего в науке и технике до конца XIX века и до сих пор являющегося базисом классической физики. [1]
Из важнейших практических достижений Исаака Ньютона можно назвать усовершенствование телескопа (рефлектор Ньютона) и изобретение водяных часов.
Законы Ньютона являются основой классической физики, которая описывает процессы и явления, происходящие при скоростях на много меньше скорости света. Таким образом, механика Ньютона с достаточной точностью описывает все взаимодействия тел, которые нас окружают.
Поэтому данная работа является актуальной.
Цель работы — дать достаточное описание законов Ньютона.
В работе должны быть решены следующие задачи:
Рассказать о научных представлениях до открытий Исаака Ньютона;
Сформулировать понятия, необходимые для понимания и описания трех законов Ньютона.
Сформулировать три закона Ньютона
Привести примеры процессов и явлений, описываемых законами Ньютона.

Наука до Ньютона
Зарождение науки, в то время единой и неделимой, которая называлась одним общим словом «философия», то есть «любовь к мудрости» началось приблизительно в V веке до нашей эры в Древней Греции. Древнегреческие ученые уже на заре зарождения научной мысли оставили великий вклад в познании человеком природы. Мудрость философов того времени до сих пор является объектом изучения и исследования. Любому образованному человеку должно быть известно имя Аристотеля, заложившего основы формальной или математической логики, являющейся основой для всех точных наук: математики, физики, химии, информатики, биологии и других. Великий вклад в формирование научной картины мира внесли Сократ или Платон, впервые давшие логичное и связное описание структуры материального мира. Первым великим изобретением, в корне изменившим хозяйственную деятельность человечества, стало колесо. Историки указывают ориентировочное время появления на свет этого важнейшего изобретения около III века до н.э. Оно позволило появиться колесным экипажам, ветряным и водяным мельницам и гончарным кругам.
Великий древнегреческий ученый Архимед внес неоценимый вклад в физику жидкости и газов (гидростатику), установив несколько фундаментальных законов носящих теперь его имя. Был изобретателем таких сложных и полезных устройств, сконструировал дамбу и мосты. Винт Архимеда позволял поднимать воду на высоту до 4 метров и применялся для осушения водянистых местностей.
Отметим, что уже в Древней Греции были заложены представления об атомарном характере вещества. И хотя атомизм Левкиппа и Демокрита был далек от современных представлений о веществе, его структуре и свойствах, это был огромный толчок для исследований фундаментальных свойств материи в будущем.
В X веке начали подковывать тягловый скот, что привело к тому, что лошади стали широко применяться в сельском хозяйстве. Вместе с тем изменилась конструкция плуга – он стал колёсным. В XI в. на Западе широкое распространение получили водяные и ветряные мельницы. Последние нашли широкое применение в металлургии. Ранее в печах применялся ручной труд для растопки печей, что приводило к их низкой производительности. Использование доменных печей с мельничным механизмом позволило увеличить температуру плавки металлов. В XVI в. чугун стал основным материалом для изготовления оружия, орудий труда, посуды, механизмов и много другого.
Эпоха Возрождения дала миру целую плеяду гениев, но для науки и техники самым важным из них был Леонардо да Винчи. Этот человек был сверхталантлив: он был величайшим из художников и скульпторов, изобретателей и инженеров. Он на много веков опередил историю. Итальянец оставил широкое наследие также в медицине и литературе. Большинство его изобретений остались в виде чертежей, так и не воплощенными в жизнь. В этом нет него удивительного, так как состояние технической базы того времени не давало надежды на осуществление таких смелых задумок. К числу изобретений да Винчи относят парашют, несколько видов летательных аппаратов, автомобиль, военная машина, арбалет, прожектор. В его чертежах мы находим карданную и цепную передачи, широко применяющиеся сейчас в автомобилях и велосипедах и других устройствах.
В XVI-XVII веке все возрастающие потребности людей стали толчком для развития физики и техники

. Это была эпоха великих географических открытий. Для обеспечения безопасных и быстрых морских плаваний требовались точные знания о движении небесных тел, особенно Солнца и Луны. Другой острой проблемой было расхождение календаря с астрономическими данными на целых 10 дней.
Причина таких затруднений таилась в использовавшейся в те времена птолемеевской модели мира, описанной еще во II веке Клавдием Птолемеем. Модель была основана на наблюдениях в земной или геоцентрической системе координат. Птолемей расположил в центре мира Землю, а вокруг нее вращались все остальные планеты и Солнце, а также другие звезды. При этом предполагалось, что Земля не движется вокруг своей оси.
Коренным образом изменил представления о движении небесных тел польский ученый Николай Коперник. Он утверждал, что Солнце находится в центре Вселенной, а вокруг него по круговым орбитам движутся все остальные планеты. Гелиоцентрическая система получила подтверждение в трудах итальянского физика и астронома Галилео Галилея, который наблюдал движение небесных тел при помощи телескопа.
В результате конфликта с церковью, которая объявила гелиоцентрическую систему ересью, Галилей был приговорен к пожизненному тюремному заключению, которое вскоре было заменено на домашний арест и пожизненный надзор инквизиции. Открытие гелиоцентрической системы часто называют основой первой научной революцией, так как впоследствии оно полностью изменило представление человека об окружающем мире.

Основные понятия
Вначале сформулируем основные понятия, которые необходимы для понимания процессов и явлений, описываемых законами Ньютона.
Первое утверждение называется основным утверждением механики или принципом причинности. Оно формулируется следующим образом:
«изменение скорости тела всегда вызывается действием на него других тел.»[2] Другими словами, для того, чтобы тело изменило свою скорость, то есть приобрело ускорение, оно должно взаимодействовать с другими телами.
Приведем пример. Поднимем рукой камень вверх и отпустим. Такой камень неминуемо начнет падать вниз, при этом изменится его скорость. С чем взаимодействует камень в процессе падения? С Землей. Если мы сможем замерить расстояния, которые проходит камень за равные промежутки времени, мы убедимся, что со временем эти промежутки становятся все больше. Для этого можно, например, кидать камень вдоль столба, на котором есть отметки, перенесенные с линейки или другого прибора для измерения. Таким образом, скорость движения камня во время падения возрастает.
Другой, еще более очевидный пример. Предмет, покоящийся на столе, никогда не начнет движение без причины, если только на него не подействовать внешней силой. Например, сдвинуть рукой, привязать веревку и тянуть.
Также мы знаем, что некоторые металлические предметы, например железный или стальной гвоздь, под действием магнита также начинают двигаться. Но и здесь очевидно воздействие внешнего тела — магнита.
Основное утверждение механики кажется современному наблюдательному человеку очевидным. Однако, еще в 17 веке, до формирования механики Ньютона, это было не так.
Кроме того, нужно понимать, что тело может находиться в покое или двигаться равномерно и прямолинейно, даже при наличии взаимодействия с другими телами. Ведь тело, покоящееся на столе, взаимодействует с двумя телами:
со столом;
с Землей.
Однако, воздействие этих двух тел оказывается скомпенсированным. Самым сложным аспектом основного утверждения механики является тот факт, что тело может двигаться равномерно и прямолинейно, даже если на него не будут действовать другие тела.
Со времен древнегреческих философов, человечество было убеждено, что для того, чтобы тело двигалось, оно должно находиться в постоянном взаимодействии с другими телами. И действительно, весь наш жизненный опыт говорит о том, что для поддержания движения нужно постоянное действие.
Шайба, пущенная хоккеистом по льду, обязательно когда-нибудь остановится. Однако, остановка эта происходит из-за наличия сил трения. Если мы сможем создать условия для почти полной минимизации сил трения, такая шайба сможет двигаться равномерно очень долго.
Еще более интересен вопрос касается систем отсчета.
Вообще системой отсчета называется совокупность тела отсчета, системы координат и системы отсчёта времени, связанных с этим телом [3] .
Оказывается, что основное утверждение механики выполняется не для всех систем отсчета, а только для инерциальных. Это такие системы отсчета, в которых тело меняет свою скорость только при действии на него других тел