Два тела, взаимодействующие между собой, всегда действуют друг на друга с силами, векторы которых равны по модулю, противоположны по направлению и лежат на одной прямой.
В справедливости третьего закона Ньютона мы убеждаемся на каждом шагу. Действительно, делая шаг, мы действуем на землю с силой, направленной вниз. От действия нашей силы участок земли под ступнёй деформируется, и возникающие в результате этого упругие силы земли действуют на ступню вверх. Стоя на земле, мы давим на неё вниз с силой, равной силой тяжести, а она в ответ действует на нас с точно такой же силой, направленной вверх.
Попробуем использовать третий закон Ньютона, чтобы найти силу, с которой мяч массой m действует на стену, отскакивая от неё (см. рис.10а). В течение короткого промежутка времени Dt контакта мяча со стеной на него действовала сила, изменившая его скорость на величину (v2-v1), которую можно найти по второму закону Ньютона. Третий закон Ньютона утверждает, что в любой момент этого контакта сила, с которой мяч действовал на стену, всегда была равна по величине силе, с которой стена действовала на мяч, изменяя скорость его движение. Это позволяет вычислить силу F, действующую со стороны мяча на стену (см. рис.10а).
Опыты показали, что третий закон Ньютона справедлив не только для сил упругости, которыми обмениваются взаимодействующие тела, но и для сил трения. Так, тело А, скользящее по поверхности тела Б со скоростью v , испытывая на себе тормозящее действие силы трения F, действует на тело Б с силой, равной по величине силе трения, но противоположно направленной (см. рис. 10б).
Наглядным примером, иллюстрирующим третий закон Ньютона, может служить плавание человека в воде, когда он движется вперёд, толкая назад воду руками и ногами. Каждый раз, когда он с силой толкает воду назад, такая же по величине сила действует на него вперёд со стороны воды.
Взаимодействующие тела действуют друг на друга с равными по величине силами не только при непосредственном контакте, но и на расстоянии. Земля с помощью сил гравитации притягивает Луну с точно такой же силой, с какой Луна притягивает Землю. Однако сила притяжения Луны для Земли очень мала, так масса Земли в 80 раз больше, чем у Луны. Поэтому Луна вращается вокруг Земли, а Земля вокруг Солнца, масса которого почти в миллион раз больше. Третий закон Ньютона справедлив также для электрических и магнитных сил.
Третий закон Ньютона, казалось бы, делает бессмысленной известную игру «перетягивание каната», ведь, на людей, тянущих за канат с обеих сторон, действуют одинаковая сила – упругая сила растянутой верёвки (см. рис. 10в). Однако на человека, держащего канат, действует не только сила растянутого каната FК, но и направленная в противоположную сторону горизонтальная составляющая силы реакции опоры. Сила реакции опоры возникает тогда, когда тянущий канат человек начинает упираться ногами в землю, деформируя её, и в ответ (по третьему закону Ньютона) получает от земли силу направленную горизонтально. Если оба человека одинаково сильно упираются в землю, то сила натяжения каната FК= FА= FБ, и никакого движения не будет, но как только, например, FБ станет меньше FА, результирующая сил, приложенных к человеку Б, сразу же сдвинет его и он проиграет. Таким образом, в эту игру выигрывает не тот, кто сильнее тянет, а тот, кто сильнее упирается.
Автомобиль не мог бы сдвинуться с места без третьего закона Ньютона. Работа мотора заставляет участок колеса, соприкасающийся с землёй, двигаться назад (см. рис. 10г). Однако хорошее сцепление с дорогой препятствует этому движению, и колесо лишь давит на землю с силой F в этом направлении. Земля, как только на неё начинает давить, отвечает силой, приложенной к колесу и направленной противоположно, т.е. вперёд. Таким образом, сила реакции земли и является той силой, которая движет автомобилем.
Вопросы для повторения:
· Сформулируйте третий закон Ньютона?
· Для каких видов сил справедлив этот закон?
· Приведите несколько примеров, иллюстрирующих действие третьего закона Ньютона.
Рис. 10. Применение третьего закона Ньютона для (а) вычисления силы, действующей на стену со стороны отскакивающего мяча, (б) силы трения, (в) анализа игры «перетягивание каната» и (г) нахождения силы, движущей автомобиль.
§ 11. ГРАВИТАЦИОННЫЕ СИЛЫ: ЗАКОН ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ