Trzecia zasada dynamiki Newtona

Informacje teoretyczne

Trzecia zasada dynamiki Newtona często określana jest zasadą „akcji i reakcji”. Wynika to z definicji, która mówi, że jeżeli ciało A oddziałuje na ciało B z siłą F_AB, to ciało B działa na ciało A siłą F_BA o takiej samej wartości i kierunku, lecz przeciwnym zwrocie. Można to zapisać w skróconej formie wzorem F_AB = - F_BA(wartości wektorowe).
Mówiąc prościej Newton ukazał równowagę występującą w fizyce. Siła jako taka „nie istnieje”, aby powstała konieczne jest oddziaływanie między dwoma ciałami. Dlatego też musi być ona symetryczna i z tego powodu przedmioty oddziałują na siebie wzajemnie, niezależnie od tego do którego z nich została przyłożona siła.

Występowanie praktyczne

Omawiana reguła jest bliżej nas niż mogłoby się wydawać. Budzimy się rano i spoglądamy na naszą szafkę, na której leży kilka poukładanych jedna na drugiej książek. Stoją one w miejscu, nieruchomo. Wydaje się, że to nic szczególnego, przecież to „normalne, prawda? Tak naprawdę jednak jest to spowodowane tym, że ciała oddziałują na siebie wzajemnie. Woluminy naciskają ciężarem na podłoże, na którym są oparte, a powierzchnia półki działa na nie z taką samą siłą o przeciwnym zwrocie. Celowo to podkreślamy, gdyż przy rozpatrywaniu tego tematu należy uwzględnić, że siły się tutaj nie równoważą, gdyż obie działają na różne ciała. Równowaga sił ma miejsce tylko wtedy, gdy antagonistyczne siły oddziałują na ten sam przedmiot.

Wstajemy, jemy śniadanie, wychodzimy z domu i idziemy na siłownię, aby rozgrzać się przed nadchodzącym dniem. Kiedy chwytamy sztangę i podnosimy ją do góry, ona odpycha się od nas co powoduje, że czujemy obciążenie, ale jednocześnie pozwala nam wykonać powtórzenie.
Jesteśmy jednak bardzo aktywni, więc po tym wysiłku udajemy się jeszcze na basen. Wskakujemy do wody i odbijamy się stopami od ściany aby nadać sobie przyspieszenie w przeciwnym kierunku. Na powierzchnię od której się odpychamy działa siła równa co do wartości i przeciwnie skierowana niż ta która nas napędza. Zapewne, części z was „zapaliła się teraz czerwona lampka”.

Dlaczego siły się nie równoważą?

Dlaczego te siły się nie znoszą? Otóż dlatego, że działają one na różne ciała. Zgodnie ze wzorem podanym na początku artykułu, mamy tutaj do czynienia z dwoma ciałami – pływakiem oraz ścianą basenu. Kiedy spojrzymy na osobę, działa na nią sią siła ściany odpychająca stopy, która będąc niezrównoważona, jest przyczyną przyspieszenia. Oddziaływanie nóg na powierzchnię pływalni nie działa na pływaka, więc nie wpływa na jego ruch. Zauważmy, że odbijając się od ściany działamy siłą skierowaną przeciwnie do kierunku w którym chcemy się poruszać. Jest tak gdyż będzie na nas oddziaływać siła reakcji, która otrzyma pożądany zwrot. Podobna sytuacja ma miejsce we wcześniej przytoczonych przykładach. Skończyliśmy pływać, więc udajemy się na przystanek aby wrócić do domu.

Nawet nasz chód opiera się na omawianym zjawisku. Kiedy idziemy, odpychamy się stopami od podłoża, a siła jego reakcji powoduje, że możemy poruszać się naprzód. Czekamy na przystanku, a potem wsiadamy do autobusu. Ruszamy do przodu… a co to ma wspólnego z dynamiką? Kiedy koła zaczynają się kręcić oddziałują na asfalt „usiłując” odepchnąć go do tyłu. Siła reakcji powierzchni drogi działająca na opony sprawia, że zaczynamy jechać naprzód (bądź do tyłu kiedy cofamy). W końcu szczęśliwe wracamy do domu i opadamy na łóżko, które działa na nas z siłą równą do tej jaką generuje nasze ciało popychane grawitacją. Leżymy sobie na mięciutkiej kanapie; teraz to ona „wykonuje pracę”, siła o przeciwnym zwrocie „wypycha nas” ku górze, więc nasze mięśnie są odciążone.

Zastosowanie w lotnictwie

Trzecia zasada dynamiki ma również odzwierciedlenie w skali makro. Można tutaj przytoczyć przykład lotnictwa. Samolot odrzutowy to szczególny rodzaj statku powietrznego, w którym możliwość lotu powstaje dzięki efektowi odrzutu (stąd nazwa). Gazy wylotowe, które powstają w komorze spalania silnika są wyrzucane na zewnątrz, a samolot „odpycha się” od nich poruszając się w przeciwną stronę, na podobnej zasadzie opiera się również lot rakiety kosmicznej. Nawet śmigłowce korzystają z omawianej zasady. Pchają w dół powietrze znajdujące się pod śmigłami, a ono popycha je do góry i w ten sposób mogą latać.