Newtonov tretí zákon pohybu a jeho význam
Typ úlohy: Analýza
Pridané: dnes o 14:09
Zhrnutie:
Vysvetlite Newtonov tretí zákon pohybu a význam akcie a reakcie, pochopíte sily vo dvojici, odraz, tlak aj príklady z praxe 📘
3. Newtonov pohybový zákon
Newtonove pohybové zákony patria medzi tie poznatky fyziky, s ktorými sa žiak na Slovensku stretne pomerne skoro, no ich skutočný význam si často uvedomí až neskôr. Na prvý pohľad ide o stručné poučky z učebnice, ktoré sa treba naučiť. V skutočnosti však vysvetľujú veľmi konkrétne deje, ktoré denne pozorujeme okolo seba. Keď kráčame po chodníku, keď sa odrážame pri skoku do diaľky, keď sa lopta odrazí od steny v telocvični alebo keď auto zrýchľuje na ceste, všade sa prejavujú zákony pohybu, ktoré sformuloval Isaac Newton.Spomedzi troch Newtonových zákonov má tretí zákon osobitné postavenie, pretože nás učí dívať sa na silu nie ako na niečo izolované, ale ako na vzťah medzi dvoma telesami. Nehovorí len o tom, že sila niečo „robí“, ale predovšetkým o tom, že každé pôsobenie je vzájomné. Práve v tom spočíva jeho veľká hodnota: pomáha pochopiť pohyb, rovnováhu, odraz, tlak aj fungovanie mnohých technických zariadení. V školskom vyučovaní fyziky je preto tento zákon dôležitý nielen ako teoretická veta, ale aj ako nástroj, pomocou ktorého si žiaci vysvetľujú javy z bežného života. Tretí Newtonov zákon totiž ukazuje, že sily vznikajú vždy vo dvojici ako vzájomné pôsobenie dvoch telies, majú rovnakú veľkosť, opačný smer a pôsobia na rôzne telesá. Bez pochopenia tejto myšlienky by sme len ťažko rozumeli pohybu sveta okolo nás.
Základná formulácia a význam pojmu akcia a reakcia
Tretí Newtonov pohybový zákon sa v škole často vyjadruje známou formuláciou o akcii a reakcii. Jeho podstata je jednoduchá, ale veľmi hlboká: ak teleso A pôsobí na teleso B určitou silou, potom aj teleso B pôsobí na teleso A silou rovnakej veľkosti, ale opačného smeru. Tieto dve sily vznikajú súčasne a nemožno jednu oddeliť od druhej. Nie je možné, aby existovala akcia bez reakcie.V bežnej reči sa niekedy slová „akcia“ a „reakcia“ používajú aj vo význame čin a odpoveď. Vo fyzike však nejde o časové následníctvo, akoby najprv nastala jedna sila a až potom druhá. Obe sily vznikajú naraz. Keď ruka tlačí na stôl, stôl v tom istom okamihu tlačí na ruku. Keď lopta narazí do steny, stena v tom istom okamihu pôsobí na loptu. Medzi týmito silami nie je oneskorenie v tom zmysle, ako si to niekedy žiaci predstavujú.
Veľmi dôležité je správne pochopiť, že tieto dve sily sa „nezrušia“ tak, ako sa môžu navzájom vyrušiť dve sily pôsobiace na jedno teleso. To je častý omyl. Akcia a reakcia patria k sebe, ale nepôsobia na ten istý predmet. Jedna sila pôsobí na prvé teleso, druhá na druhé teleso. Preto ich nemožno sčitovať ako sily pôsobiace na jediný predmet. Táto zdanlivo drobná poznámka je v skutočnosti jadrom celého zákona.
Prečo zákon odporuje bežnej predstave
Mnohí žiaci majú po prvom stretnutí s tretím Newtonovým zákonom podobnú otázku: ak sú sily rovnaké a opačné, prečo sa telesá vôbec pohybujú? Veď by sa predsa všetko malo zastaviť. Táto úvaha vyzerá logicky, ale vychádza z nesprávneho predpokladu, že obe sily pôsobia na to isté teleso. V skutočnosti ide o silovú dvojicu medzi dvoma telesami.Ak napríklad človek tlačí na stenu, sila jeho ruky pôsobí na stenu. Reakčná sila steny však nepôsobí na stenu, ale na ruku človeka. Preto sa tieto sily navzájom „nevymažú“ na jednom predmete. Podobne pri chôdzi noha tlačí zem dozadu, ale reakcia zeme pôsobí na človeka dopredu. Práve táto reakčná sila umožňuje pohyb vpred.
Rozlišovanie medzi silami pôsobiacimi na jedno teleso a silami, ktoré tvoria akciu a reakciu medzi dvoma telesami, je vo fyzike nevyhnutné. Keď riešime úlohy o pohybe, o trení alebo o rovnováhe, musíme si vždy položiť otázku: Na ktoré teleso sila pôsobí? Bez tejto disciplíny sa fyzikálne myslenie veľmi ľahko zamotá. Aj preto učitelia fyziky na základných školách a gymnáziách venujú tejto téme toľko pozornosti.
Znaky dvojice akcia – reakcia
Tretí Newtonov zákon nehovorí len všeobecne o dvoch silách, ale presne určuje ich vlastnosti. Každá dvojica akcia – reakcia má niekoľko základných znakov.Rovnaká veľkosť síl
Prvým znakom je rovnaká veľkosť. Ak človek tlačí na stenu silou 50 N, stena tlačí na človeka tiež silou 50 N. Ak pneumatika pôsobí na cestu, cesta pôsobí na pneumatiku rovnako veľkou silou. Tento princíp platí vždy, bez výnimky.Na prvý pohľad sa to môže zdať prekvapujúce, najmä keď sa porovnávajú veľmi rozdielne telesá. Napríklad pri zrážke nákladného auta a malej lopty sa môže zdať, že väčšie teleso musí vyvíjať väčšiu silu. V skutočnosti je však sila vzájomného pôsobenia v oboch smeroch rovnako veľká. Rozdiel je v účinku, pretože rôzne telesá majú odlišnú hmotnosť, tvar, pružnosť alebo spôsob upevnenia.
Opačný smer
Druhým znakom je opačný smer. Sily smerujú proti sebe. Ak jedna sila pôsobí doprava, druhá pôsobí doľava; ak jedna nadol, druhá nahor. Opačný smer je prirodzeným dôsledkom vzájomnosti pôsobenia. Keď zatlačíme na dvere smerom dopredu, dvere tlačia na nás smerom dozadu.Ani tu však nesmieme zabudnúť, že opačný smer neznamená automaticky vzájomné vyrovnanie na jednom telese. Opačnosť smerov je len vlastnosťou dvojice síl, nie dôkazom toho, že sa účinky zrušia.
Pôsobenie na dve rôzne telesá
Tretím, azda najdôležitejším znakom je to, že akcia a reakcia pôsobia na dve rôzne telesá. Jedna sila patrí prvému telesu, druhá druhému. Bez tohto rozlíšenia sa tretí Newtonov zákon nedá správne používať.Typickými príkladmi sú noha a zem, ruka a lopta, pneumatika a vozovka, plavec a voda, raketa a spaliny. Vždy ide o dvojicu telies, ktoré na seba vzájomne pôsobia. Keď sa toto pravidlo zanedbá, ľahko vznikne chyba pri kreslení síl do obrázka alebo pri výpočtoch.
Pôsobenie v jednej priamke
Štvrtým znakom je, že sily akcie a reakcie ležia na tej istej priamke pôsobenia. Inými slovami, sú viazané na spojnicu oboch vzájomne pôsobiacich telies. Tento detail sa pri jednoduchom výklade niekedy vynecháva, no vo fyzike má význam, lebo pomáha presnejšie opísať smer a účinok síl.Zákon neplatí len pri „jednoduchých“ silách
Niekedy sa tretí Newtonov zákon vysvetľuje iba na príkladoch tlačenia alebo odrážania. To môže v žiakoch vyvolať dojem, že ide o pravidlo platné len pri dotyku telies. V skutočnosti je jeho platnosť oveľa širšia. Týka sa všetkých druhov síl, ktoré v klasickej fyzike poznáme.Platí pri tlakových silách, keď sa telesá navzájom stláčajú. Platí pri ťahových silách, napríklad keď dve deti ťahajú lano. Platí pri trecích silách medzi topánkou a podlahou alebo medzi pneumatikou a cestou. Platí aj pri elastických silách pružiny. Dokonca sa týka aj gravitačného pôsobenia: Zem priťahuje jablko, ale aj jablko priťahuje Zem. Hoci účinok na Zem si v bežnom živote nevšimneme, zákon zostáva v platnosti.
Práve táto univerzálnosť robí z tretieho Newtonovho zákona jeden zo základov klasickej mechaniky. Nie je to len „školská poučka“, ale všeobecný princíp vzájomného pôsobenia telies.
Príklady z bežného života
Najlepšie sa fyzikálne zákony chápu vtedy, keď ich človek rozpozná vo vlastnej skúsenosti. Tretí Newtonov zákon pritom vidíme doslova na každom kroku.Chôdza po zemi
Keď človek kráča, nohou tlačí na zem mierne dozadu. Zem na oplátku pôsobí na nohu doprednou silou. Vďaka nej sa človek pohybuje vpred. Keby medzi podrážkou a zemou nebolo dostatočné trenie, napríklad na ľade, odraz by bol slabý a chôdza neistá. To je dôvod, prečo sa v zime šmýkame: nie preto, že by prestal platiť Newtonov zákon, ale preto, že podmienky vzájomného pôsobenia sa zmenia.Plávanie
Plavec pri zábere tlačí vodu dozadu. Voda pôsobí na plavca dopredu, a tým ho posúva. V plávaní je to veľmi názorné, lebo pohyb vzniká z priameho pôsobenia na okolité prostredie. Podobný princíp platí aj pri veslovaní alebo pri pohybe člna.Raketa a spaliny
Klasickým príkladom z učebníc je raketa. Raketa vyvrhuje spaliny vysokou rýchlosťou dozadu. Spaliny potom pôsobia na raketu silou opačného smeru, teda dopredu. Veľkou výhodou tohto príkladu je, že ukazuje platnosť zákona aj vo vesmíre, kde nie je vzduch, o ktorý by sa raketa „opierala“. Pohyb rakety teda nevzniká preto, že by tlačila na vzduch, ale preto, že dochádza k vzájomnému pôsobeniu rakety a unikajúcich plynov.Skákanie
Pri skoku človek tlačí nohami na zem smerom nadol. Zem pôsobí na človeka smerom nahor. Ak je táto sila dostatočne veľká, telo sa odrazí od podložky. Športovci, napríklad skokani do výšky alebo volejbalisti pri smeči, využívajú tento princíp vedome, aj keď ho možno nevyjadrujú fyzikálnymi pojmami.Tlak ruky na stenu
Jednoduchý a názorný príklad je aj tlak ruky na stenu. Každý si môže vyskúšať, že ak silno zatlačí na pevnú stenu, cíti protitlak. Stena sa síce viditeľne nepohne, ale sila existuje. Práve tento pocit odporu je prejavom reakčnej sily steny.Školské pokusy a vyučovanie fyziky na Slovensku
V slovenskom školskom prostredí sa tretí Newtonov zákon často overuje jednoduchými pokusmi, ktoré nevyžadujú drahé prístroje. Veľmi známa je demonštrácia s dvoma dynamometrami spojenými oproti sebe. Keď za ne dvaja žiaci ťahajú, oba ukazujú rovnakú hodnotu sily. Tento pokus je cenný práve preto, že žiaci vidia rovnosť síl na vlastné oči.Ďalším častým príkladom sú vozíky na koľajnici alebo na hladkej podložke. Keď sa od seba odtlačia, oba sa pohnú opačnými smermi. Takýto experiment pomáha pochopiť, že vzájomné sily sú rovnaké, ale dôsledky pohybu môžu byť rozdielne, ak majú telesá inú hmotnosť.
V škole sa používa aj odraz loptičky od steny, meranie síl pri stláčaní telies, alebo sledovanie toho, ako sa predmety správajú na pružine. Podstatou týchto pokusov nie je len „urobiť efekt“, ale naučiť žiaka myslieť fyzikálne: určiť dvojicu telies, pomenovať sily, rozlíšiť, na čo ktorá sila pôsobí, a vyvodiť správny záver. V slovenských školách má experiment vo fyzike stále významné miesto práve preto, že pomáha meniť abstraktné poučky na konkrétnu skúsenosť.
Najčastejšie chyby a omyly
Pri treťom Newtonovom zákone sa opakuje niekoľko typických chýb. Prvou je tvrdenie, že akcia a reakcia sa navzájom rušia. Ako už bolo spomenuté, je to nesprávne, pretože tieto sily nepôsobia na jedno teleso.Druhou chybou je predstava, že silnejšie alebo ťažšie teleso vytvára väčšiu reakciu. V skutočnosti je reakcia vždy rovnako veľká ako akcia. Ak nákladné auto tlačí na cestu, cesta tlačí na auto rovnako veľkou silou. To, že sa cesta nepohne a auto áno, závisí od ďalších podmienok, nie od porušenia zákona.
Treťou chybou je myslenie, že pohyb vzniká len pôsobením jednej izolovanej sily. Pohyb býva výsledkom súhry viacerých síl, napríklad tiaže, trenia, odporu prostredia a reakčných síl podložky. Tretí Newtonov zákon opisuje jeden dôležitý aspekt tejto súhry, ale nevysvetľuje celý pohyb sám osebe.
Štvrtým omylom je zámena akcie a reakcie s rovnováhou síl. Rovnováha síl nastáva vtedy, keď sa sily pôsobiace na jedno teleso navzájom vykompenzujú. Akcia a reakcia však patria dvom rôznym telesám. Tento rozdiel je vo fyzike zásadný.
Význam v technike, športe a každodennom živote
Praktický význam tretieho Newtonovho zákona je obrovský. V doprave sa prejavuje pri pohybe automobilu, keď pneumatiky tlačia na vozovku a vozovka pôsobí späť na pneumatiky. Bez tohto vzájomného pôsobenia by auto nezrýchľovalo. Podobný princíp sa uplatňuje aj pri bicykli.V športe je tento zákon priam všadeprítomný. Bežec sa odráža od tartanu, plavec od vody, veslár od vody cez veslo, lyžiar pôsobí na sneh a sneh na lyže. Mnohé športové výkony závisia práve od toho, ako účinne športovec dokáže využiť reakčnú silu podložky alebo prostredia.
V technike má tretí Newtonov zákon zásadný význam pri raketových motoroch, vrtuliach, turbínach aj v rôznych mechanizmoch, kde si súčiastky navzájom odovzdávajú sily. Bez neho by nebolo možné správne navrhovať stroje a predpovedať ich správanie.
Aj v obyčajnom živote sa s ním stretávame neustále. Keď sedíme na stoličke, naše telo tlačí na sedadlo a stolička tlačí na nás. Keď otvárame dvere, pôsobíme na ne a ony pôsobia na nás. Keď sa oprieme o múr, cítime jeho odpor. To všetko sú jednoduché, ale názorné prejavy rovnakého fyzikálneho princípu.
Prepojenie so školským učivom fyziky
V slovenskej škole sa tretí Newtonov zákon nevyučuje izolovane. Je súčasťou širšej témy o pohybe, sile a vzájomnom pôsobení telies. Nadväzuje na poznatky o meraní sily silomerom, o hmotnosti, zrýchlení, trecej sile, tlaku či pohybe po naklonenej rovine. Zároveň pomáha žiakom pochopiť, prečo sa pri riešení fyzikálnych úloh musí presne určiť, ktoré sily pôsobia na konkrétne teleso.Kto dobre rozumie tretiemu Newtonovmu zákonu, ľahšie zvládne aj ďalšie učivo mechaniky. Nebude si zamieňať rovnováhu síl s akciou a reakciou, lepšie porozumie odrazu, treniu aj správaniu telies pri vzájomnom dotyku. V tomto smere nejde o okrajovú tému, ale o základ fyzikálneho myslenia.
Záver
Tretí Newtonov pohybový zákon patrí medzi najdôležitejšie zákony klasickej fyziky, pretože vyjadruje samotnú podstatu vzájomného pôsobenia telies. Učí nás, že každá sila má svoju protiváhu: rovnako veľkú, opačne orientovanú a pôsobiacu na iné teleso. Táto myšlienka je jednoduchá len na prvý pohľad. V skutočnosti mení náš pohľad na pohyb, rovnováhu aj každodenné deje.Jeho význam presahuje školskú učebnicu. Vysvetľuje chôdzu, plávanie, skákanie, jazdu auta, odraz lopty aj let rakety. Pomáha pri školských pokusoch, pri riešení úloh a zároveň má veľké uplatnenie v technike aj športe. Práve preto patrí medzi tie poznatky, ktoré by si žiak nemal zapamätať len mechanicky, ale najmä im porozumieť.
Tretí Newtonov pohybový zákon nám ukazuje, že každý pohyb, dotyk či odraz je výsledkom vzájomného pôsobenia dvoch telies, a práve preto patrí medzi najdôležitejšie zákony fyziky.
Ohodnoťte:
Prihláste sa, aby ste mohli ohodnotiť prácu.
Prihlásiť sa