A treia lege a lui Newton (legea acțiunii și reacțiunii)

Până acum am considerat forța ca o împingere sau o tragere; totuși, dacă te gândești la asta, îți dai seama că nicio împingere sau tragere nu apare niciodată de la sine. Când împingi un perete, acesta te împinge înapoi. Aceasta ne duce la a treia lege a lui Newton.

A TREIA LEGE A MIȘCĂRII A LUI NEWTON

Ori de câte ori un corp exercită o forță asupra unui al doilea corp, primul corp experimentează o forță care este egală ca mărime și opusă ca direcție forței pe care o exercită. Matematic, dacă un corp A exercită o forță F⃗ asupra corpului B, atunci B exercită simultan o forță −F⃗ asupra lui A, sau sub formă de ecuație vectorială,

(5.10) F⃗_AB = −F⃗_BA.

A treia lege a lui Newton reprezintă o anumită simetrie în natură: forțele apar întotdeauna în perechi, iar un corp nu poate exercita o forță asupra altuia fără a experimenta o forță în sine. Uneori ne referim la această lege în mod liber ca „acțiune-reacție”, unde forța exercitată este acțiunea, iar forța experimentată ca o consecință este reacția. A treia lege a lui Newton are utilizări practice în analiza originii forțelor și în înțelegerea forțelor externe unui sistem.

Putem vedea cu ușurință a treia lege a lui Newton la lucru, aruncând o privire asupra modului în care oamenii se mișcă. Luați în considerare un înotătoare care împinge de pe marginea piscinei (Figura 5.16). Ea se împinge cu picioarele de peretele piscinei și accelerează în direcția opusă împingerii ei. Zidul a exercitat o forță egală și opusă asupra înotătoarei. S-ar putea să credeți că două forțe egale și opuse s-ar anula, dar nu o fac pentru că acționează pe sisteme diferite. În acest caz, există două sisteme pe care le-am putea investiga: înotătoarea și peretele. Dacă selectăm înotătoarea să fie sistemul de interes, ca în figură, atunci F_perete asupra picioarelor este o forță externă asupra acestui sistem și îi afectează mișcarea. Înotătoarea se deplasează în direcția acestei forțe. În schimb, forța F_picioare asupra peretelui acționează asupra peretelui, nu asupra sistemului nostru de interes. Astfel, F_picioare asupra peretelui nu afectează direct mișcarea sistemului și nu anulează F_perete asupra picioarelor. Înotătoarea împinge în direcția opusă celei în care dorește să se miște. Reacția la împingerea ei este astfel în direcția dorită. Într-o diagramă cu corp liber, cum ar fi cea prezentată în Figura 5.16, nu includem niciodată ambele forțe ale unei perechi acțiune-reacție; în acest caz, folosim doar F_perete asupra picioarelor, nu F_picioare asupra peretelui.

Figura 5.16 Când înotătoarea exercită o forță asupra peretelui, ea accelerează în direcția opusă; cu alte cuvinte, forța externă netă asupra ei este în direcția opusă F_picioare asupra peretelui. Această opoziție apare deoarece, în conformitate cu cea de-a treia lege a lui Newton, peretele exercită asupra înotătorului o forță F_perete asupra picioarelor, care este egală ca mărime, dar în direcția opusă celei pe care ea o exercită asupra lui. Linia din jurul înotătorului indică sistemul de interes. Astfel, diagrama corpului liber arată doar F_perete asupra picioarelor, w (forța gravitațională) și BF, care este forța de plutire a apei care susține greutatea înotătorului. Forțele verticale w și BF se anulează deoarece nu există accelerație verticală.

Alte exemple de a treia lege a lui Newton sunt ușor de găsit:

În timp ce un profesor se plimbă în fața unei table albe, el exercită o forță înapoi asupra podelei. Podeaua exercită o forță de reacție înainte asupra profesorului care îl face să accelereze înainte.
O mașină accelerează înainte, deoarece solul împinge înainte pe roțile motrice, ca reacție la împingerea înapoi a roților motrice pe sol. Puteți vedea dovezi ale roților care se împing înapoi atunci când anvelopele se învârt pe un drum cu pietriș și aruncă pietrele înapoi.
Rachetele se deplasează înainte prin expulzarea gazului înapoi la viteză mare. Aceasta înseamnă că racheta exercită o forță mare înapoi asupra gazului din camera de ardere a rachetei; prin urmare, gazul exercită o forță mare de reacție înainte asupra rachetei. Această forță de reacție, care împinge un corp înainte ca răspuns la o forță înapoi, se numește împingere. Este o concepție greșită comună că rachetele se propulsează prin împingere pe sol sau pe aer în spatele lor. De fapt, funcționează mai bine în vid, unde pot expulza mai ușor gazele de eșapament.
Elicopterele creează portanță împingând aerul în jos, experimentând astfel o forță de reacție ascendentă.
Păsările și avioanele zboară, de asemenea, prin exercitarea forței asupra aerului într-o direcție opusă forței de care au nevoie. De exemplu, aripile unei păsări forțează aerul în jos și înapoi pentru a se ridica și a avansa.
O caracatiță se propulsează în apă prin ejectarea apei printr-o pâlnie din corpul său, asemănător unui ski jet.
Când o persoană trage în jos de o frânghie verticală, frânghia trage în sus persoana (Figura 5.17).

Figura 5.17 Când alpinistul trage în jos de frânghie, frânghia trage în sus de alpinist. (credit rămas: modificarea lucrării lui Cristian Bortes)

Există două caracteristici importante ale celei de-a treia legi a lui Newton. În primul rând, forțele exercitate (acțiunea și reacția) sunt întotdeauna egale ca mărime, dar opuse ca direcție. În al doilea rând, aceste forțe acționează asupra unor corpuri sau sisteme diferite: forța lui A acționează asupra lui B și forța lui B acționează asupra lui A. Cu alte cuvinte, cele două forțe sunt forțe distincte care nu acționează asupra aceluiași corp. Astfel, nu se anulează reciproc.

Pentru situația prezentată în figura 5.6, a treia lege indică faptul că, deoarece scaunul împinge în sus pe băiat cu forța C⃗ , acesta împinge în jos scaunul cu forța −C⃗ . În mod similar, el împinge în jos cu forțele −F⃗ și −T⃗ pe podea și, respectiv, pe masă. În cele din urmă, deoarece Pământul trage în jos pe băiat cu forța w⃗ , el trage în sus pe Pământ cu forța −w⃗. Dacă acel student ar bate cu furie masa, frustrat, ar învăța rapid lecția dureroasă (evitabilă studiind legile lui Newton) în care masa îl lovește la fel de tare.

O persoană care merge sau aleargă aplică instinctiv a treia lege a lui Newton. De exemplu, alergătorul din figura 5.18 împinge înapoi pe sol, astfel încât acesta îl împinge înainte.

Figura 5.18 Alergătorul experimentează a treia lege a lui Newton. (a) O forță este exercitată de alergător pe sol. (b) Forța de reacție a solului asupra alergătorului îl împinge înainte. (Credit „runner”: modificarea lucrării „Greenwich Photography”/Flickr)