Druhý Newtonův zákon je diferenciální zákon mechanického pohybu , který popisuje závislost zrychlení tělesa na výslednici všech sil a hmotnosti tělesa působících na těleso. Jeden ze tří Newtonových zákonů . Základní zákon dynamiky [1] [2] [3] .
Předmět uvedený ve druhém Newtonově zákoně je hmotný bod , který má nezcizitelnou vlastnost - setrvačnost [4] , jejíž hodnota je charakterizována hmotností . V klasické (newtonovské) mechanice se předpokládá, že hmotnost hmotného bodu je konstantní v čase a nezávislá na jakýchkoli vlastnostech jeho pohybu a interakce s jinými tělesy [5] [6] [7] [8] .
Druhý Newtonův zákon ve své nejběžnější formulaci, která platí pro rychlosti mnohem menší než rychlost světla , říká: v inerciálních vztažných soustavách zrychlení získané hmotným bodem, které je přímo úměrné síle, která je způsobuje, nezpůsobuje závisí na jeho povaze [9] , shoduje se s ním ve směru a je nepřímo úměrný hmotnosti hmotného bodu [10] .
Změna hybnosti je úměrná působící hnací síle a nastává ve směru přímky, podél které tato síla působí.
V inerciálních vztažných systémech je zrychlení získané hmotným bodem přímo úměrné síle, která jej způsobuje, shoduje se s ní ve směru a je nepřímo úměrné hmotnosti hmotného bodu.
Tento zákon se obvykle píše jako vzorec kde je zrychlení tělesa, síla působící na těleso a hmotnost tělesa . Nebo v jiné podobě:V inerciálních vztažných systémech je časová derivace hybnosti hmotného bodu rovna síle, která na něj působí [12] :
kde je hybnost (hybnost) bodu, je jeho rychlost a je čas .Druhý Newtonův zákon v klasické mechanice je formulován ve vztahu k pohybu hmotného bodu. Předpokládá se, že hmotnost hmotného bodu je konstantní v čase [13] [14] [15] . Rovnice odpovídající tomuto zákonu se nazývají pohybové rovnice hmotného bodu nebo základní rovnice dynamiky hmotného bodu .
Někdy byly v rámci klasické mechaniky učiněny pokusy rozšířit rozsah rovnice na případ těles s proměnnou hmotností. Spolu s takto širokým výkladem rovnice však bylo nutné výrazně upravit dříve uznávané definice a změnit význam tak základních pojmů, jako je hmotný bod, hybnost a síla [16] [17] .
V případě, že na hmotný bod působí více sil, uděluje každá z nich bodu zrychlení určené druhým Newtonovým zákonem, jako by žádné jiné síly neexistovaly ( princip superpozice sil ). Výsledné zrychlení hmotného bodu lze tedy určit druhým Newtonovým zákonem tak, že do něj dosadíme výslednou sílu [18] .
Druhá rovnice Newtonova zákona předpokládá skalární aditivitu hmotností [19] .
Kromě hmotného bodu je pro popis mechanického pohybu těžiště mechanické soustavy použitelná také rovnice druhého Newtonova zákona. Těžiště se pohybuje jako hmotný bod, který má hmotnost rovnou hmotnosti celé soustavy a je pod působením všech vnějších sil působících na body soustavy ( teorém o pohybu těžiště soustavy). systém ).
Druhý Newtonův zákon platí pouze v inerciálních vztažných soustavách [20] [21] . Přidáním setrvačných sil k silám působícím od jiných těles však k popisu pohybu v neinerciálních vztažných soustavách můžete použít rovnici druhého Newtonova zákona [22] . V tomto případě je pro neinerciální vztažnou soustavu pohybová rovnice zapsána ve stejném tvaru jako pro inerciální soustavu: hmotnost tělesa vynásobená jeho zrychlením vzhledem k neinerciální vztažné soustavě je velikostí a směrem se rovná výslednici všech sil, včetně setrvačných sil působících na těleso [23] [24] .
V newtonovském podání klasické mechaniky nejsou Newtonovy zákony odnikud „odvozeny“, mají status axiomů založených na souboru experimentálních faktů. Stejně jako axiomy matematiky mohou být axiomy newtonovské dynamiky formulovány mírně odlišnými způsoby.
V jednom přístupu je druhý Newtonův zákon umístěn jako experimentálně ověřitelné tvrzení o úměrnosti zrychlení k síle, která jej způsobuje, a zároveň definice setrvačné hmotnosti tělesa prostřednictvím poměru síly a zrychlení [25 ] [26] . Hlavní myšlenkou druhého zákona je pak deklarace linearity vztahu „síla-zrychlení“, to znamená, že jsou to tyto veličiny (a ne řekněme síla a rychlost) a tímto způsobem (a nikoli kvadraticky atd.), které jsou vzájemně propojeny.
S jiným přístupem lze zavést setrvačná hmotnost , bez ohledu na druhý Newtonův zákon, prostřednictvím hmotnosti určitého tělesa brané jako standard. Pak druhý zákon obsahuje dvě nezávisle experimentálně ověřená tvrzení: o úměrnosti zrychlení k síle a nepřímé úměrnosti k hmotnosti [27] .
V mnoha praktických a vzdělávacích problémech vám druhý Newtonův zákon umožňuje vypočítat sílu . Tento zákon však není definicí síly [28] (výrok typu „síla je podle definice produktem hmotnosti a zrychlení“ je nevhodný), jinak by se změnil v tautologii.
Nedojde-li k nárazu na těleso od jiných těles ( ), vyplývá z druhého Newtonova zákona, že zrychlení tělesa je nulové. Odtud se může zdát, že první Newtonův zákon vstupuje do druhého jako jeho speciální případ. Není tomu tak, protože je to první zákon , který předpokládá existenci inerciálních vztažných soustav, což je nezávislé smysluplné tvrzení. Podle toho je první Newtonův zákon formulován nezávisle na druhém [29] .
Druhý Newtonův zákon zakládá souvislost mezi dynamickými a kinematickými veličinami [30] . Rovnici zákona lze navíc považovat za rovnici souvislosti mezi fyzikálními veličinami při určování jednotek síly v soustavách SI , CGS a dalších [31] . Jednotka síly je definována jako taková síla, která uděluje zrychlení hmotnému bodu o hmotnosti rovné jednotce hmotnosti, brané jako hlavní, rovné jednotce zrychlení, dříve definované jako derivační jednotka [32] . (Při nezávislé volbě jednotek hmotnosti , síly a zrychlení musí být výraz druhého zákona zapsán ve tvaru
Síla ve druhém Newtonově zákoně závisí pouze na souřadnicích a rychlosti hmotného bodu: . Hlavní problém fyzikální mechaniky se redukuje na hledání funkce [37] .
Vzorec druhého Newtonova zákona vyjadřuje princip kauzality v klasické mechanice. Souřadnice a rychlosti hmotného bodu v časovém bodě (kde ) jsou průběžně a jednoznačně určeny prostřednictvím jejich hodnot v určitém časovém bodě a dané síly působící na bod. Rozšiřováním v Taylorově řadě a omezením se na malý první řád v , dostáváme [38] : , . Forma, ve které se kauzalita v mechanice realizuje, se nazývá mechanistický nebo Laplaciánský determinismus [39] .
Rovnice druhého Newtonova zákona je při Galileových transformacích neměnná . Toto tvrzení se nazývá Galileův princip relativity [40] .
V klasické mechanice jsou zákon zachování energie , zákon zachování hybnosti a zákon zachování momentu hybnosti důsledky druhého Newtonova zákona, homogenity času, homogenity a izotropie prostoru, stejně jako některé předpoklady týkající se charakter působících sil [41] .
V případě, že je síla konstantní, integrace rovnice druhého Newtonova zákona vede k rovnosti . Tento poměr ukazuje, že působením dané síly dochází za delší dobu k určité změně rychlosti tělesa o větší hmotnosti. Proto říkají, že všechna tělesa mají setrvačnost a hmotnost se nazývá mírou setrvačnosti těles [42] .
Vektorový zápis druhého Newtonova zákona platí pro jakýkoli inerciální souřadnicový systém, vůči kterému jsou určovány veličiny zahrnuté v tomto zákoně (síla, hmotnost, zrychlení) [43] . Rozklad na složky (projekce) však bude odlišný pro kartézské, válcové a kulové systémy. Zajímavý je také rozklad na normální a tangenciální složky.
, , , kde , a orty kartézského systému , , směřují podél souřadnicových os (ve směru rostoucí konkrétní souřadnice),
, , , kde , a orts , , válcového systému jsou brány v místě působení síly a směřují v tomto pořadí od osy v úhlu 90 0 k ní, podél obvodu v rovině se středem na osu, a podél (ve směru rostoucí konkrétní souřadnice),
, , , kde , a jednotkové vektory , , sférického systému jsou brány v místě působení síly a směrovány, v tomto pořadí, ze středu , podél "rovnoběžek" a podél "meridiánu" (ve směru rostoucího konkrétní souřadnice).
V přilehlé rovině lze zrychlení hmotného bodu hmotou a sílu, která na něj působí, rozložit na normální (kolmé k tečně k trajektorii v souvislé rovině) a tečné (rovnoběžné s tečnou k trajektorii v souvislé rovině). souvislá rovina) komponenty.
Absolutní hodnota normálové síly je , kde je poloměr zakřivení trajektorie hmotného bodu, je absolutní hodnota jeho rychlosti. Normálová síla směřuje ke středu zakřivení trajektorie hmotného bodu. V případě kruhové trajektorie o poloměru je absolutní hodnota normálové síly , kde je úhlová rychlost bodu. Normálová síla se také nazývá dostředivá .
Tangenciální složka síly je , kde je oblouková souřadnice podél trajektorie bodu [44] . Jestliže , pak se síla shoduje ve směru s vektorem rychlosti a nazývá se hnací síla . Jestliže , pak je síla ve směru opačném k vektoru rychlosti a nazývá se brzdná síla .
Druhý Newtonův zákon ve formě platí přibližně pouze pro rychlosti mnohem menší než je rychlost světla a v inerciálních vztažných soustavách .
V podobě druhého Newtonova zákona to přesně platí i v inerciálních vztažných soustavách speciální teorie relativity a v lokálně inerciálních vztažných soustavách obecné teorie relativity , avšak místo předchozího výrazu pro hybnost používá se rovnost , kde je rychlost světla [45] .
Existuje také čtyřrozměrné relativistické zobecnění druhého Newtonova zákona. Derivace čtyřhybnosti vzhledem k vlastnímu času hmotného bodu se rovná čtyřsíle [46] :
.V relativistické dynamice již není trojrozměrný vektor zrychlení paralelní s trojrozměrným vektorem síly [47] .
Zákony newtonovské dynamiky, včetně druhého Newtonova zákona, jsou nepoužitelné, pokud je de Broglieho vlnová délka uvažovaného objektu úměrná charakteristickým rozměrům oblasti, ve které je studován jeho pohyb. V tomto případě je nutné použít kvantově mechanické zákony [48] .
Nicméně druhý Newtonův zákon je za určitých podmínek relevantní ve vztahu k pohybu vlnového balíčku v kvantové mechanice. Pokud se potenciální energie vlnového paketu v oblasti, kde se paket nachází, změní zanedbatelně, bude časová derivace průměrné hodnoty hybnosti paketu rovna síle, chápané jako gradient potenciální energie s opačným znaménkem ( Ehrenfestova věta ).
Pro popis pohybu částice v potenciálním poli v kvantové mechanice platí operátorová rovnice, která se ve formě shoduje s rovnicí druhého Newtonova zákona: . Zde: je hmotnost částice, je operátor rychlosti, je operátor hybnosti, je operátor potenciální energie [49] .
Upravený druhý Newtonův zákon se také používá v kvantově mechanickém popisu pohybu elektronů v krystalové mřížce. Interakce elektronu s periodickým elektromagnetickým polem mřížky je zohledněna zavedením konceptu efektivní hmotnosti .
Při posuzování významu druhého Newtonova zákona A. Einstein napsal:
Diferenciální zákon je jedinou formou kauzálního vysvětlení, která může plně uspokojit moderního fyzika. Jasné pochopení diferenciálního zákona je jedním z Newtonových největších duchovních úspěchů... Teprve přechod k uvažování o jevu v nekonečně krátkém čase (tj. k diferenciálnímu zákonu) umožnil Newtonovi dát formulaci vhodnou pro popis jakéhokoli pohybu. Takže Newton přišel... k ustanovení slavného zákona pohybu:
Vektor zrychlení × Hmotnost = Vektor síly.To je základ veškeré mechaniky a možná i celé teoretické fyziky.
- Einstein A. Sborník vědeckých prací. - M. : Nauka, 1967. - T. 4. - S. 82, 92. - 599 s. - 31 700 výtisků.Všechny přírodní zákony pro síly v závislosti na vlastnostech těles, jejich stavech a pohybech jsou získávány z experimentů a jsou vždy a jen stanoveny na základě řešení rovnice , která se používá k vyjádření síly [50] .
Druhý Newtonův zákon je důležitou součástí paradigmatu přijatého v klasickém fyzikálním obrazu světa [51] .
V analytické mechanice existují dva axiomatické přístupy. Jeden přístup bere Newtonův druhý zákon jako axiom a odvozuje z něj Lagrangeovy rovnice . V jiném přístupu jsou Lagrangeovy rovnice brány jako axiom. Pak je druhý Newtonův zákon považován za jejich důsledek [52] .
Z Lagrangeových rovnic pro libovolný holonomický systém , který je ovlivňován jak potenciálními ( ) tak nepotencionálními ( ) zobecněnými silami , vyplývá , že časová derivace zobecněné hybnosti je rovna celkové zobecněné síle :
.Takto zapsané Lagrangeovy rovnice v kartézských souřadnicích se nazývají Newtonovy pohybové rovnice [53] .
Věta o změně zobecněné hybnosti zobecňuje a jako speciální případy zahrnuje věty newtonovské dynamiky o změně hybnosti a o změně momentu hybnosti [54] .
,kde, jak je uvedeno výše, je zobecněná hybnost, označovaná Hamiltonovou funkcí , a je Lagrangián , tj. rozdíl mezi kinetickou a potenciální energií systému.