ニュートンの第2法則：アプリケーション、実験、演習 - 物理的

ニュートンの第二法則またはオブジェクトが力または力のセットに供される場合、そのダイナミクス状態の根本的な法則さに比例する加速度であること、取り消されていない場合、オブジェクトは合力の方向に加速されるであろうがその力の強度は正味で、オブジェクトの質量に反比例します。

場合Fは正味の力、M物体の質量となるまで取得した加速度は、ニュートンの第二法則を数学的に表現されるような、以下： = F / Mの又は最も一般的な形でF = M∙ に

ニュートンの第二法則の説明。出典：自作。

説明と公式

上で説明したように、第2法則を表現する通常の方法は次の式を使用します。

F = M∙ a

加速度と力の両方を慣性基準フレームから測定する必要があります。質量は正の量であるため、加速度は合力と同じ方向を指すことに注意してください。

また、合力がゼロ（F = 0）の場合、M> 0のときは常に加速度もゼロ（a = 0）になります。この結果は、ニュートンの最初の法則または慣性の法則と完全に一致します。

ニュートンの第1法則は、慣性参照系を、自由粒子に対して一定速度で移動するものとして確立します。実際には、そして最も一般的なアプリケーションの目的のために、地面に固定された参照システムまたはそれに対して一定の速度で動くその他のシステムは、慣性と見なされます。

力は、オブジェクトと環境との相互作用を数学的に表現したものです。力は一定量にすることも、オブジェクトの時間、位置、速度に応じて変化させることもできます。

力の国際システム（SI）の単位はニュートン（N）です。（SI）の質量は（kg）で測定され、加速度は（m / s ²）で測定されます。力の1ニュートンは、質量1 kgの物体を1 m / s ²で加速するのに必要な力です。

解決された演習

演習1

質量mの物体が特定の高さから落下し、9.8 m /s²の落下加速度が測定されます。

質量mの別のオブジェクト「および質量mの別のオブジェクト」および別のオブジェクトでも同じことが起こります。結果は常にgで示される重力加速度であり、9.8 m /s²に等しくなります。これらの実験では、物体の形状とその質量の値は、空気抵抗による力が無視できる程度のものです。

実験結果と一致する地球の吸引力（重量と呼ばれる）のモデルを見つけることが求められます。

解決

垂直X軸の正の方向と下向きの慣性参照システム（地面に対して固定）を選択します。

質量mの物体に作用する唯一の力は、地上の引力です。この力は、下向きで正であるため、重みPと呼ばれます。

質量mのオブジェクトが解放された後に取得する加速度はa = gで、下向きで正の値です。

ニュートンの第二法則を提案します

P = ma

第2法則によって予測される加速度がmの値に関係なくgになるようなPのモデルは何でしょうか。：唯一の選択肢は、m> 0のときは常にP = mgです。

mg = maは私たちが解決するところから：a = g

重量、つまり地球が物体を引き付ける力は、物体の質量に重力の加速度を掛けたものであり、その方向は垂直で下向きであると結論付けます。

P = m∙g

演習2

質量2 kgのブロックは、完全に平らで水平な床に置かれます。1 Nの力が加えられた場合、ブロックはどのような加速度を取得し、1秒後にどのような速度になります。

解決

まず、慣性座標系を定義します。1つは、床のX軸とそれに垂直なY軸で選択されています。次に力図が作成され、ブロックとその環境との相互作用による力が配置されます。

力Nは法線を表し、床面がブロックMに及ぼす垂直上向きの力です。ブロックは垂直方向に移動しないため、NはPと正確に釣り合います。

Fは、ブロックMに適用される水平力で、X軸の正の方向を指します。

正味の力は、質量ブロックMのすべての力の合計です。F、P、Nのベクトルの合計を作成します。PとNは等しく反対であるので、これらは互いに相殺され、正味の力はFです。

したがって、結果として生じる加速度は、正味の力と質量の商になります。

a = F / M = 1 N / 2 kg = 0.5 m /s²

ブロックは1秒後に静止から始まるため、速度は0 m / sから0.5 m / sに変更されます。

ニュートンの第二法則の適用

エレベーターの加速

少年は体重計を使用して体重を測定しています。あなたが得る値は50キロです。少年はエレベーターの加速度を測定したいので、建物のエレベーターに体重をかけます。起動時に得られる結果は次のとおりです。

体重計は1.5秒間で58 kgの重量を記録します
その後、再度50 kgを測定します。

これらのデータを使用して、エレベーターの加速度とその速度を計算します。

解決

体重計は、キログラム力と呼ばれる単位で重量を測定します。定義により、kilogram_forceは、地球が1 kgの質量の物体を引き付ける力です。

オブジェクトに作用する唯一の力がその重量である場合、9.8 m /s²の加速度を取得します。つまり、1 kg_fは9.8 Nに相当します。

少年の体重Pは50 kg * 9.8m /s²= 490 Nです。

加速中、スケールは男の子に58 kg_fの力Nを加え、58 kg * 9.8 m /s²= 568.4 Nに相当します。

エレベーターの加速は次のように与えられます：

a = N / M-g = 568.4 N / 50 kg-9.8 m /s²= 1.57 m /s²

1.57 m /s²の加速度で1.5秒後にエレベーターによって取得される速度は次のとおりです。

v = a * t = 1.57 m /s²* 1.5 s = 2.36 m / s = 8.5 Km / h

次の図は、少年に作用する力の図を示しています。

マヨネーズジャー

テーブルの向こう側にいる弟に、少年が弟にマヨネーズの瓶を渡した。そのため、3 m / sの速度を獲得するように駆動します。ボトルを落とした瞬間から、テーブルの反対側で止まるまでの距離は1.5 mでした。

ボトルの質量が0.45 kgであることを確認して、テーブルがボトルに及ぼす摩擦力の値を決定します。

解決

まず、ブレーキの加速を決定します。これには、均一に加速された直線運動から既知の次の関係を使用します。

Vf²=Vi²+ 2 * a * d

ここで、Vfは最終速度、Viは初期速度、加速度での変位、dは変位です。

前の関係から得られた加速度は、ボトルの変位が正であると見なされた場合です。

a =（0-9（m / s）²）/（2 * 1.5 m）= -3 m /s²

マヨネーズの瓶にかかる正味の力は、摩擦力です。これは、瓶の垂直と重量のバランスがとれているためです。Fnet=Fr。

Fr = m * a = 0.45 kg *（-3 m /s²）= -1.35 N = -0.14 kg-f

子供のための実験

子供と大人は、ニュートンの第二法則が実際に実際に機能することを確認できる簡単な実験を実行できます。ここに2つの非常に興味深いものがあります。

実験1

簡単な実験には、バスルームスケールとエレベーターが必要です。浴室の重量をエレベーターに取り、アップスタート、ダウンスタート、および一定の速度で移動している間のマークの値を記録します。ケースごとにエレベーターの加速度を計算します。

実験2

車輪の潤滑が十分にされているおもちゃの車に乗る
最後にロープを取り付けます。
テーブルの端に、鉛筆またはその他の滑らかな円柱状の物体をテープで留め、紐を掛けます。
ロープの反対側には小さなバスケットがあり、そこに硬貨や重りとなるものを置きます。

実験のスキームを以下に示します。

カートから手を離し、加速する様子を観察します。
次に、カートの上にコインを置くか、その質量を増やす何かをすることでカートの質量を増やします。
加速度が増加するか減少するかを言います。カートにさらに生地を入れ、速度が上がるのを見て、仕上げます。

カートは余分な重量なしで放置され、加速することができます。次に、カートに加えられる力を増やすために、より多くの重量がバスケットにかかります。

加速度を前のケースと比較し、増加するか減少するかを示します。バスケットにさらに重量を追加して、カートの加速を観察できます。
増加するか減少するかを示します。
結果を分析し、ニュートンの第二法則に同意するかどうかを言います。

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