Newton második törvénye a mechanikai mozgás differenciáltörvénye , amely a test gyorsulásának a testre ható összes erő és testtömeg eredőjétől való függését írja le . Newton három törvényének egyike . A dinamika alaptörvénye [1] [2] [3] .
A Newton második törvényében említett tárgy egy anyagi pont , amelynek elidegeníthetetlen tulajdonsága - tehetetlensége [4] , amelynek értékét tömeggel jellemezzük . A klasszikus (newtoni) mechanikában egy anyagi pont tömegét időben állandónak feltételezik, és függetlenek mozgásának és más testekkel való kölcsönhatásnak minden jellemzőjétől [5] [6] [7] [8] .
Newton második törvénye a legelterjedtebb megfogalmazásában, amely a fénysebességnél jóval kisebb sebességekre érvényes , kimondja: inerciális referenciakeretekben az anyagi pont által felvett gyorsulás, amely egyenesen arányos az azt kiváltó erővel, nem természetétől függ [9] , irányában egybeesik vele és fordítottan arányos egy anyagi pont tömegével [10] .
Az impulzus változása arányos az alkalmazott hajtóerővel, és annak az egyenesnek az irányában következik be, amely mentén ez az erő hat.
Inerciális vonatkoztatási rendszerekben az anyagi pont által elért gyorsulás egyenesen arányos az őt kiváltó erővel, irányában egybeesik vele, és fordítottan arányos az anyagi pont tömegével.
Ezt a törvényt általában képletként írják le ahol a test gyorsulása , a testre ható erő és a test tömege . Vagy más formában:Inerciális vonatkoztatási rendszerekben egy anyagi pont lendületének időbeli deriváltja egyenlő a rá ható erővel [12] :
hol van a pont lendülete (impulzusa), a sebessége és az idő .Newton második törvénye a klasszikus mechanikában egy anyagi pont mozgásával kapcsolatban fogalmazódik meg. Feltételezzük, hogy egy anyagi pont tömege időben állandó [13] [14] [15] . Az ennek a törvénynek megfelelő egyenleteket egy anyagi pont mozgásegyenleteinek vagy egy anyagi pont dinamikájának alapegyenleteinek nevezzük .
Néha a klasszikus mechanika keretein belül megpróbálták kiterjeszteni az egyenlet hatályát a változó tömegű testekre. Az egyenlet ilyen tág értelmezése mellett azonban szükség volt a korábban elfogadott definíciók jelentős módosítására, és olyan alapvető fogalmak jelentésének megváltoztatására, mint az anyagi pont, lendület és erő [16] [17] .
Abban az esetben, ha egy anyagi pontra több erő hat, mindegyik Newton második törvénye által meghatározott gyorsulást ad a pontnak, mintha nem lennének más erők ( az erők szuperpozíciójának elve ). Ezért egy anyagi pont eredő gyorsulása Newton második törvényével határozható meg úgy, hogy az eredő erőt behelyettesítjük [18] .
Newton második törvényének egyenlete a tömegek skaláris additivitását feltételezi [19] .
Az anyagi ponton kívül Newton második törvényének egyenlete is alkalmazható egy mechanikai rendszer tömegközéppontjának mechanikai mozgásának leírására. A tömegközéppont úgy mozog, mint egy anyagi pont, amelynek tömege megegyezik az egész rendszer tömegével, és amelyre a rendszer pontjaira ható összes külső erő hat ( a tömegközéppont mozgásának tétele rendszer ).
Newton második törvénye csak inerciális vonatkoztatási rendszerekben érvényes [20] [21] . Ha azonban tehetetlenségi erőket adunk a más testekből ható erőkhöz, a mozgás leírásához nem inerciális vonatkoztatási rendszerben, használhatjuk Newton második törvényének [22] egyenletét . Ebben az esetben egy nem inerciális vonatkoztatási rendszerre a mozgásegyenletet ugyanolyan formában írjuk fel, mint az inerciarendszerre: a test tömegét megszorozva a nem inerciális vonatkoztatási rendszerhez viszonyított gyorsulásával nagysága és iránya egyenlő az összes erő eredőjével, beleértve a testre ható tehetetlenségi erőket is [23] [24] .
A klasszikus mechanika newtoni bemutatásában a Newton-törvények nem „származtatják” sehonnan , kísérleti tények halmazán alapuló axiómák státuszával rendelkeznek. A matematika axiómáihoz hasonlóan a newtoni dinamika axiómái is kissé eltérő módon fogalmazhatók meg.
Az egyik megközelítésben Newton második törvénye egy kísérletileg igazolható állítás a gyorsulás és az azt kiváltó erő arányosságáról, és egyben a test tehetetlenségi tömegének meghatározása az erő és a gyorsulás arányán keresztül [25] ] [26] . Ezután a második törvény fő gondolata az „erő-gyorsulás” kapcsolat linearitásának deklarálása, vagyis hogy ezek a mennyiségek (és nem mondjuk az erő és a sebesség) és így (és nem) négyzetesen stb.) amelyek egymással összefüggenek.
Egy másik megközelítéssel egy tehetetlenségi tömeget lehet bevezetni , függetlenül Newton második törvényétől, egy bizonyos test tömegén keresztül, amelyet etalonnak tekintünk. Ekkor a második törvény két, egymástól függetlenül kísérletileg igazolt állítást tartalmaz: a gyorsulásnak az erővel és a tömeggel való fordított arányosságáról [27] .
Sok gyakorlati és oktatási probléma esetén Newton második törvénye lehetővé teszi az erő kiszámítását . De ez a törvény nem az erő definíciója [28] (az olyan kijelentés, mint „a definíció szerint az erő a tömeg és a gyorsulás szorzata”, nem megfelelő), különben tautológiává alakulna.
Ha más testek nem érik a testet ( ), Newton második törvényéből következik, hogy a test gyorsulása nulla. Innentől úgy tűnhet, hogy Newton első törvénye speciális esetként lép be a másodikba. Ez azonban nem így van, hiszen ez az első törvény , amely feltételezi az inerciális vonatkoztatási rendszerek létezését, ami független értelmes állítás. Ennek megfelelően Newton első törvénye a másodiktól függetlenül fogalmazódik meg [29] .
Newton második törvénye kapcsolatot teremt a dinamikus és a kinematikai mennyiségek között [30] . Ezen túlmenően a törvény egyenlete a fizikai mennyiségek összefüggésének egyenletének tekinthető az SI , CGS és más rendszerekben az erőegységek meghatározásában [31] . Az erő mértékegysége olyan erő, amely gyorsulást kölcsönöz egy anyagi pontnak, amelynek tömege megegyezik a főnek vett tömegegységgel, és egyenlő a gyorsulás mértékegységével, amelyet korábban derivált egységként határoztak meg [32]. . (A tömeg , az erő és a gyorsulás mértékegységeinek független megválasztásával a második törvény kifejezését a következő formában kell írni
A Newton második törvényében szereplő erő csak az anyagi pont koordinátáitól és sebességétől függ: . A fizikai mechanika fő problémája egy függvény megtalálására redukálódik [37] .
Newton második törvényének képlete a klasszikus mechanika oksági elvét fejezi ki. Egy anyagi pont koordinátáit és sebességeit egy adott időpontban (ahol ) folyamatosan és egyedileg határozzák meg az adott időpontban elért értékeik és a pontra ható erő . Kibővítve egy Taylor sorozatot , és kis elsőrendűre korlátozva magunkat -ben , a következőt kapjuk : [38] : , . Azt a formát, amelyben az okság a mechanikában megvalósul, mechanisztikus vagy laplaci determinizmusnak nevezzük [39] .
Newton második törvényének egyenlete invariáns a galilei transzformációk alatt . Ezt az állítást nevezzük Galilei relativitáselvének [40] .
A klasszikus mechanikában az energiamegmaradás törvénye, az impulzus-megmaradás törvénye és a szögimpulzus megmaradásának törvénye Newton második törvényének, az idő homogenitásának, a tér homogenitásának és izotrópiájának, valamint néhány feltételezésnek a következményei. a ható erők természete [41] .
Abban az esetben, ha az erő állandó, Newton második törvényének egyenletének integrálása az egyenlőséghez vezet . Ez az arány azt mutatja, hogy adott erő hatására a nagyobb tömegű test sebességében hosszabb időn keresztül bizonyos változás következik be . Ezért azt mondják, hogy minden testnek van tehetetlensége, és a tömeget a test tehetetlenségének mértékének nevezik [42] .
Newton második törvényének vektoros jelölése igaz minden tehetetlenségi koordináta-rendszerre, amelyhez viszonyítva az e törvényben foglalt mennyiségeket meghatározzák (erő, tömeg, gyorsulás) [43] . A komponensekre (vetületekre) való bontás azonban más lesz derékszögű, hengeres és gömb alakú rendszerek esetén. Érdekes még a normál és tangenciális komponensekre bontás.
, , , ahol , és a , , derékszögű rendszer ortjai a koordinátatengelyek mentén irányulnak (a fajlagos koordináta növekedésének irányába),
, , , ahol , és a hengeres rendszer ortjai , , az erő alkalmazási pontjában vannak felvéve, és rendre a 90 0 -os tengelytől arra irányulnak, a kerület mentén a tengelyközéppontú síkban, és végig (a fajlagos koordináta növelésének irányába),
, , , ahol , és a gömbrendszer , , egységvektorait az erőkifejtési pontban veszik fel, és a középpontból a "párhuzamok", illetve a "meridiánok" mentén (a növekedés irányába) irányítják. konkrét koordináta).
Egy összefüggő síkban egy anyagi pont tömeggel való gyorsulása és a rá ható erő felbontható normálra (a szomszédos síkban a pálya érintőjére merőlegesen) és érintőlegesre (párhuzamosan a pálya érintőjével összefüggő sík) összetevői.
A normálerő abszolút értéke , ahol az anyagi pont pályájának görbületi sugara, sebességének abszolút értéke. A normálerő az anyagi pont pályájának görbületi középpontja felé irányul. Sugárú körpálya esetén a normálerő abszolút értéke , ahol a pont szögsebessége. A normál erőt centripetálisnak is nevezik .
Az erő érintőleges összetevője , ahol az ív koordinátája a pont pályája mentén [44] . Ha , akkor az erő irányában egybeesik a sebességvektorral , és ezt hajtóerőnek nevezzük . Ha , akkor az erő ellentétes irányú a sebességvektorral , és ezt fékezőerőnek nevezzük .
Newton második törvénye a formában megközelítőleg csak a fénysebességnél jóval kisebb sebességekre és inerciális vonatkoztatási rendszerekre érvényes .
Newton második törvénye formájában a speciális relativitáselmélet inerciális vonatkoztatási rendszereiben és az általános relativitáselmélet lokálisan inerciális vonatkoztatási rendszereiben is pontosan igaz , azonban az impulzus korábbi kifejezése helyett a egyenlőséget használunk , ahol a fénysebesség [45] .
Van Newton második törvényének egy négydimenziós relativisztikus általánosítása is. A négy-impulzus deriváltja egy anyagi pont megfelelő idejére vonatkoztatva egyenlő a négyes erővel [46] :
.A relativisztikus dinamikában a háromdimenziós gyorsulásvektor már nem párhuzamos a háromdimenziós erővektorral [47] .
A newtoni dinamika törvényei, beleértve Newton második törvényét is, nem alkalmazhatók, ha a vizsgált objektum de Broglie hullámhossza arányos annak a tartománynak a jellemző dimenzióival, amelyben a mozgást vizsgálják. Ebben az esetben kvantummechanikai törvények alkalmazása szükséges [48] .
Mindazonáltal Newton második törvénye bizonyos feltételek mellett releváns a kvantummechanikában egy hullámcsomag mozgásával kapcsolatban. Ha egy hullámcsomag potenciális energiája elhanyagolható mértékben változik abban a tartományban, ahol a csomag található, akkor a csomag impulzusának átlagos értékének időbeli deriváltja egyenlő lesz az erővel, amely az ellenkező előjellel vett potenciális energia gradiensként értendő ( Ehrenfest tétele ).
A részecske potenciálmezőben történő mozgásának leírására a kvantummechanikában egy operátoregyenlet érvényes, amely formailag egybeesik Newton második törvényének egyenletével: . Itt: a részecske tömege, a sebesség operátora, a lendület operátora, a potenciális energia operátora [49] .
A módosított Newton második törvényt az elektronok kristályrácsban való mozgásának kvantummechanikai leírásában is alkalmazzák. Az elektron és a rács periodikus elektromágneses mezőjének kölcsönhatását az effektív tömeg fogalmának bevezetése veszi figyelembe .
Newton második törvényének jelentőségét értékelve A. Einstein ezt írta:
A differenciáltörvény az oksági magyarázat egyetlen formája, amely teljes mértékben kielégítheti a modern fizikust. A differenciáltörvény világos megértése Newton egyik legnagyobb spirituális vívmánya... Csak a jelenség végtelenül rövid idő alatti figyelembevételére (vagyis a differenciáltörvényre) való áttérés tette lehetővé Newton számára, hogy bármilyen mozgás leírására alkalmas megfogalmazást adjon. Newton tehát eljutott... a híres mozgástörvény megállapításához:
Gyorsulási vektor × Tömeg = Erővektor.Ez az alapja minden mechanikának és talán minden elméleti fizikának.
- Einstein A. Tudományos művek gyűjteménye. - M. : Nauka, 1967. - T. 4. - S. 82, 92. - 599 p. - 31 700 példány.Az erőkre vonatkozó természeti törvények, a testek tulajdonságaitól, állapotaiktól és mozgásaiktól függően, kísérletekből származnak, és mindig és csak az erő kifejezésére használt egyenlet megoldása alapján állapíthatók meg [50] .
Newton második törvénye a klasszikus fizikai világképben elfogadott paradigma fontos része [51] .
Az analitikai mechanikában két axiomatikus megközelítés létezik. Az egyik megközelítés Newton második törvényét veszi axiómának, és ebből vezeti le a Lagrange-egyenleteket . Egy másik megközelítésben a Lagrange-egyenleteket axiómának tekintjük. Ekkor Newton második törvényét ezek következményének tekintjük [52] .
A Lagrange-egyenletekből egy tetszőleges holonomrendszerre , amelyre mind a potenciális ( ) mind a nem potenciális ( ) általánosított erők hatással vannak , az következik, hogy az általánosított impulzus időbeli deriváltja egyenlő a teljes általánosított erővel :
.Az így Descartes-koordinátákban felírt Lagrange-egyenleteket Newton-féle mozgásegyenleteknek nevezzük [53] .
Az általánosított impulzus változására vonatkozó tétel általánosítja és speciális esetként tartalmazza a newtoni dinamika impulzusváltozásra és a szögimpulzus változására vonatkozó tételeit [54] .
,ahol, mint fent, az általánosított impulzus, amelyet a Hamilton-függvény jelöl , és a Lagrange , azaz a rendszer kinetikus és potenciális energiái közötti különbség.