Третий закон Ньютона (действие и противодействие)

Толкая шар рукой, мы встречаем с его стороны противодействие, причем сила, с которой шар давит на нашу руку— сила инерции — равна той силе, с которой мы толкнули шар, но направлена в противоположную сторону; если мы ударим кулаком в стену, то и стена с той же силой «ударит» по нашему кулаку — это мы очень хорошо чувствуем; когда мы прыгаем с лодки на берег, отталкиваясь от нее с некоторой силой, то и лодка толкает нас с такой же силой — и эта сила выносит нас на берег; вагон давит на рельсы силой своего веса, и с такой же силой рельсы „отвечают“ — давят на обода колес и т. д.

Наблюдения над подобными явлениями привели Ньютона к выводу, что если одно тело действует на второе с некоторой силой, то второе противодействует первому с той же силой. Это положение он сформулировал кратко: действие всегда равно и прямо противоположно противодействию (третий закон Ньютона или третий закон механики).

Таким образом, одиночных сил в природе не существует. Иными словами, силы могут возникнуть только в результате взаимодействия двух тел друг на друга. Силу, приложенную к одному телу, называют действующей силой, а силу, приложенную к другому телу, равную первой, но направленную в прямо противоположную сторону,— противодействующей силой, или силой реакции.

Если мы обозначим действие тела I на тело II (рис. 28) через ƒ₁, а противодействие тела II — через ƒ₂, то математически третий закон можно выразить так: ƒ₁ = -ƒ₂

Рис. 28. Сила, с которой первое тело действует на второе, равна силе, с которой второе тело действует на первое (третий закон Ньютона)

Знак минус показывает, что противодействующая сила направлена в противоположную сторону.

Третий закон Ньютона наиболее труден для понимания, особенно в применении его к движущимся телам. Например, сила, с которой паровоз тянет вагоны, равна согласно третьему закону Ньютона и прямо противоположна силе, с которой вагоны действуют на паровоз (рис. 29).

Рис. 29. Сила, с которой паровоз тянет вагоны, равна силе, с которой вагоны задерживают паровоз

Из сказанного можно вынести впечатление, что как будто никакое движение в таком случае невозможно, так как обе силы должны взаимно уничтожаться. Но это неверно. Дело в том, что две равные силы, направленные в противоположные стороны, могут взаимно уравновесить друг друга только в том случае, если они приложены к одному и тому же твердому телу.

В нашем же случае силы приложены к разным телам и каждая из них действует самостоятельно: сила тяги паровоза, приложенная к вагонам, преодолевая их инерцию, трение колес о рельсы и сопротивление воздуха, сообщает вагонам некоторое ускорение, а сила противодействия вагонов тормозит движение паровоза (без вагона паровоз двигался бы со значительно большим ускорением).

Таким образом, при ускоренном движении поезда избыток тяги паровоза идет только на то, чтобы сообщать вагонам некоторое ускорение. В случае же равномерного движения поезда вся тяга паровоза идет на преодоление инерции вагонов, трения колес и сопротивления воздуха, движение же поезда совершается по инерции.