Il Terza legge di Newton, chiamato anche legge di azione e reazione afferma che quando un oggetto esercita una forza su un altro, quest'ultimo esercita anche sul primo una forza di uguale grandezza e direzione e direzione opposta.
Isaac Newton rese note le sue tre leggi nel 1686 nel suo libro Philosophiae Naturalis Principia Mathematica o Principi matematici della filosofia naturale.
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La formulazione matematica della terza legge di Newton è molto semplice:
F12 = -Fventuno
Viene chiamata una delle forze azione e l'altro è il reazione. Tuttavia, è necessario sottolineare l'importanza di questo dettaglio: entrambi agiscono su oggetti diversi. Lo fanno anche simultaneamente, sebbene questa terminologia suggerisca erroneamente che l'azione si verifica prima e la reazione dopo..
Poiché le forze sono vettori, sono indicate in grassetto. Questa equazione indica che abbiamo due oggetti: oggetto 1 e oggetto 2. La forza F12 è quella esercitata dall'oggetto 1 sull'oggetto 2. La forza Fventuno è esercitato dall'oggetto 2 sull'oggetto 1. E il segno (-) indica che sono opposti.
Quando si osserva attentamente la terza legge di Newton, si osserva un'importante differenza con le prime due: mentre invocano un unico oggetto, la terza legge si riferisce a due oggetti diversi.
Ed è che se pensi attentamente, le interazioni richiedono coppie di oggetti.
Per questo le forze di azione e di reazione non si annullano o si equilibrano, anche se hanno la stessa grandezza e direzione, ma la direzione opposta: sono applicate a corpi diversi..
Ecco un'applicazione molto quotidiana di un'interazione correlata alla Terza legge di Newton: una palla che cade verticalmente e la Terra. La palla cade a terra perché la Terra esercita una forza attrattiva, nota come gravità. Questa forza fa cadere la palla con un'accelerazione costante di 9,8 m / sDue.
Tuttavia, quasi nessuno pensa al fatto che la palla eserciti anche una forza attrattiva sulla Terra. Ovviamente la terra rimane invariata, perché la sua massa è molto maggiore di quella della palla e quindi subisce un'accelerazione trascurabile.
Un altro punto degno di nota sulla terza legge di Newton è che il contatto tra i due oggetti interagenti non è necessario. È evidente dall'esempio appena citato: la palla non è ancora entrata in contatto con la Terra, ma esercita comunque la sua attrazione. E anche la palla sulla Terra.
Una forza come la gravità, che agisce indistintamente indipendentemente dal fatto che vi sia contatto tra oggetti o meno, è chiamata "forza di azione a distanza". D'altra parte, forze come attrito e normale, richiedono che gli oggetti interagenti siano in contatto, ecco perché sono chiamate "forze di contatto".
Tornando alla coppia di oggetti palla - Terra, scegliendo gli indici P per la palla e T per la terra e applicando la seconda legge di Newton a ciascun partecipante a questo sistema, otteniamo:
Frisultante = m.per
La terza legge afferma che:
mPperP = - mTperT
perP = 9,8 m / sDue diretto verticalmente verso il basso. Poiché questo movimento avviene lungo la direzione verticale, si può fare a meno della notazione vettoriale (grassetto); e scegliendo la direzione verso l'alto come positiva e verso il basso come negativa, abbiamo:
perP = 9,8 m / sDue
mT ≈ 6 x 10 24 Kg
Indipendentemente dalla massa della palla, l'accelerazione della Terra è zero. Ecco perché si osserva che la palla cade verso la Terra e non viceversa..
I razzi sono un buon esempio di applicazione della terza legge di Newton. Il razzo mostrato nell'immagine all'inizio si alza grazie alla propulsione di gas caldi ad alta velocità.
Molti credono che ciò accada perché questi gas in qualche modo "si appoggiano" sull'atmosfera o sul terreno per sostenere e spingere il razzo. Non funziona così.
Proprio come il razzo esercita una forza sui gas e li espelle all'indietro, i gas esercitano una forza sul razzo, che ha lo stesso modulo, ma in direzione opposta. Questa forza è ciò che dà al razzo la sua accelerazione verso l'alto.
Se non hai un simile razzo a portata di mano, ci sono altri modi per verificare che la Terza Legge di Newton funzioni per fornire propulsione. Possono essere costruiti razzi ad acqua, in cui la spinta necessaria è fornita dall'acqua espulsa per mezzo di un gas in pressione..
Va notato che l'avvio di un razzo ad acqua richiede tempo e richiede molte precauzioni.
Un modo più economico e immediato per controllare l'effetto della Terza Legge di Newton è indossare un paio di pattini e spingersi contro un muro..
Il più delle volte, la capacità di esercitare la forza è associata agli oggetti che sono in movimento, ma la verità è che anche gli oggetti immobili possono esercitare forze. Il pattinatore viene spinto all'indietro grazie alla forza che il muro immobile esercita su di lui.
Le superfici a contatto esercitano forze di contatto (normali) tra loro. Quando un libro è appoggiato su un tavolo orizzontale, esercita su di esso una forza verticale chiamata normale. Il libro esercita sul tavolo una forza verticale dello stesso valore numerico e direzione opposta.
Bambini e adulti possono facilmente sperimentare la terza legge di Newton e verificare che le forze di azione e di reazione non si annullano a vicenda e sono in grado di fornire movimenti..
Due pattinatori sul ghiaccio o su una superficie molto liscia possono spingersi a vicenda e sperimentare movimenti nella direzione opposta, che abbiano o meno la stessa massa, grazie alla legge di azione e reazione.
Considera due pattinatori con masse abbastanza diverse. Si trovano nel mezzo di una pista di pattinaggio con attrito trascurabile e sono inizialmente a riposo. In un dato momento si spingono l'un l'altro applicando una forza costante con i palmi delle mani. Come si muoveranno entrambi?
È importante notare che poiché si tratta di una superficie priva di attrito, le uniche forze sbilanciate sono le forze che i pattinatori applicano l'uno all'altro. Sebbene il peso e il normale agiscano su entrambi, queste forze si equilibrano, altrimenti i pattinatori accelererebbero in direzione verticale.
La terza legge di Newton afferma che:
F12 = -Fventuno
Cioè, la forza esercitata dal pattinatore 1 su 2 è uguale in grandezza a quella esercitata da 2 su 1, con la stessa direzione e direzione opposta. Si noti che queste forze vengono applicate a oggetti diversi, nello stesso modo in cui le forze sono state applicate alla palla e alla Terra nell'esempio concettuale precedente..
m1 per1 = -mDue perDue
Poiché le forze sono opposte, anche le accelerazioni che causano saranno opposte, ma le loro magnitudini saranno diverse, poiché ogni pattinatore ha una massa diversa. Diamo un'occhiata all'accelerazione acquisita dal primo pattinatore:
Quindi il movimento successivo è la separazione di entrambi i pattinatori in direzioni opposte. In linea di principio i pattinatori erano a riposo al centro della pista. Ciascuno esercita una forza sull'altro che fornisce l'accelerazione fintanto che le mani sono a contatto e la spinta dura.
Dopo di che i pattinatori si allontanano l'uno dall'altro con un movimento rettilineo uniforme, poiché le forze sbilanciate non agiscono più. La velocità di ogni pattinatore sarà diversa se anche le loro masse lo saranno.
Per risolvere i problemi in cui devono essere applicate le leggi di Newton, è necessario disegnare con attenzione le forze che agiscono sull'oggetto. Questo disegno è chiamato "diagramma a corpo libero" o "diagramma a corpo isolato". Le forze esercitate dal corpo su altri oggetti non dovrebbero essere mostrate in questo diagramma..
Se c'è più di un oggetto coinvolto nel problema, è necessario disegnare un diagramma a corpo libero per ciascuno degli oggetti, ricordando che le coppie azione-reazione agiscono su corpi diversi..
1- I pattinatori della sezione precedente hanno rispettive masse m1 = 50 kg e mDue = 80 kg. Si spingono l'un l'altro con una forza costante di 200 N. La spinta dura 0,40 secondi. Trova:
a) L'accelerazione che ogni pattinatore acquisisce grazie alla spinta.
b) La velocità di ciascuno quando si separano
a) Prendi come direzione orizzontale positiva quella che va da sinistra a destra. Applicando la seconda legge di Newton con i valori forniti dall'affermazione, abbiamo:
Fventuno = m1per1
Da dove:
Per il secondo pattinatore:
b) Per calcolare la velocità che portano proprio quando si separano, vengono utilizzate le equazioni cinematiche del moto rettilineo uniformemente accelerato:
La velocità iniziale è 0, poiché erano a riposo al centro della traccia:
vF = a
vf1 = a1t = -4 m / sDue . 0,40 s = -1,6 m / s
vf2 = aDuet = +2,5 m / sDue . 0,40 s = +1 m / s
Come previsto, la persona 1, essendo più leggera, acquisisce maggiore accelerazione e quindi maggiore velocità. Ora nota quanto segue sul prodotto della massa e della velocità di ciascun pattinatore:
m1 v1 = 50 kg. (-1,6 m / s) = - 80 kg.m / s
mDue vDue = 80 kg. 1 m / s = +80 kg.m / s
La somma di entrambi i prodotti è 0. Il prodotto di massa e velocità è chiamato quantità di moto P. È un vettore con la stessa direzione e senso di velocità. Quando i pattinatori erano a riposo e le loro mani erano in contatto, si poteva presumere che formassero lo stesso oggetto il cui slancio era:
Po = (m1 +mDue) vo = 0
Dopo la fine della spinta, la quantità di movimento del sistema di pattinaggio rimane 0. Pertanto la quantità di movimento viene conservata.
Camminare è una delle azioni più quotidiane che si possono compiere. Se osservata attentamente, l'azione del camminare richiede di spingere il piede contro il suolo, in modo che restituisca una forza uguale e contraria al piede del deambulatore..
È proprio quella forza che permette alle persone di camminare. In volo, gli uccelli esercitano una forza sull'aria e l'aria spinge le ali in modo che l'uccello si spinga in avanti.
In un'auto, le ruote esercitano forze sul marciapiede. Grazie alla reazione della pavimentazione, esercita forze sui pneumatici che spingono in avanti l'auto.
Nello sport le forze di azione e reazione sono numerose e hanno una partecipazione molto attiva.
Ad esempio, vediamo l'atleta con il piede appoggiato su un blocco di avviamento. Il blocco fornisce una forza normale in reazione alla spinta che l'atleta esercita su di esso. Il risultato di questa normalità e il peso del corridore, si traducono in una forza orizzontale che consente all'atleta di spingersi in avanti..
Un altro esempio in cui è presente la terza legge di Newton è nei vigili del fuoco che tengono manichette antincendio. L'estremità di questi grandi tubi ha una maniglia sulla lancia che il vigile del fuoco deve tenere quando esce il getto d'acqua, per evitare il rinculo che si verifica quando l'acqua scorre veloce.
Per lo stesso motivo è conveniente legare le barche alla banchina prima di lasciarle, perché quando si spingono per raggiungere la banchina viene fornita una forza alla barca che la allontana da essa..
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