Wirtualne laboratorium fizyki

Doświadczalne sprawdzenie III zasady dynamiki Newtona

Dwa siłomierze połączone haczykami — jeden trzymasz ty, drugi kolega. Nieważne kto ciągnie mocniej: oba pokazują dokładnie tę samą wartość. To jest właśnie III zasada dynamiki.

Dwa siłomierze połączone haczykami — demonstracja III zasady dynamiki

Rys. Dwa siłomierze połączone haczykami. Każda osoba odczytuje wskazanie swojego siłomierza — niezależnie od kierunku i wartości siły oba pokazują to samo.

01. Model fizyczny

III zasada dynamiki Newtona mówi, że jeśli ciało A działa na ciało B siłą \(\vec{F}_{AB}\), to ciało B działa na ciało A siłą \(\vec{F}_{BA}\) równą co do wartości i przeciwną co do kierunku:

\(\vec{F}_{AB} = -\vec{F}_{BA}\)

Siły te nazywamy akcją i reakcją. Działają jednocześnie, na różne ciała i nigdy się nie równoważą (bo są przyłożone do różnych obiektów).

W tym doświadczeniu mierzymy obie siły bezpośrednio — każdy siłomierz wskazuje siłę działającą na to ciało, które go trzyma.

Dlaczego siłomierze zawsze pokazują to samo?

Siłomierz mierzy rozciągnięcie sprężyny, a sprężyna jest w równowadze: siła z lewej strony = siła z prawej strony (II zasada dla sprężyny w spoczynku: wypadkowa = 0). Dlatego każdy siłomierz wskazuje tę samą wartość — jest ona równa sile, z jaką oba końce są rozciągane. Żaden z uczestników nie może „dać więcej siły" do jednego siłomierza kosztem drugiego.

Ważny wniosek: siłomierz między ścianą a ręką pokaże tę samą wartość co siłomierz trzymany przez drugą osobę — ściana „odpycha" z dokładnie taką samą siłą, choć się nie porusza.

02. Instrukcja pomiaru

Połącz dwa siłomierze haczykami (lub liną przez haczyki).
Wariant A — ciągnięcie: dwie osoby trzymają po jednym siłomierzu i ciągną od siebie. Odczytujcie wskazania jednocześnie.
Wariant B — ściana: jeden siłomierz zaczepiony o hak w ścianie, drugi trzyma uczeń i ciągnie. Porównaj wskazania.
Zmieniaj siłę między próbami (delikatnie, mocno, bardzo mocno) — wpisuj pary odczytów F₁ i F₂.
Działki siłomierza to typowo 0,1 N lub 0,2 N — przyjmij niepewność \(u(F) = \frac{\Delta F}{2\sqrt{3}}\) (połowa działki podzielona przez √3).

Wskazówka: odczytujcie wskazania w tym samym momencie — najlepiej na komendę lub robiąc zdjęcie. Przy szybkich zmianach siły odczyty mogą się różnić przez bezwładność wskazówki.

Doświadczenie — III zasada dynamiki - Medianauka.pl — symulacja interaktywna

04. Interpretacja wyników

Porównujemy wskazania F₁ i F₂. Niepewność pojedynczego odczytu (typ B, skala analogowa):

\(u(F) = \frac{\Delta F}{2\sqrt{3}}\)

gdzie \(\Delta F\) to wartość jednej działki skali. Niepewność różnicy:

\(u(F_1 - F_2) = \sqrt{u(F_1)^2 + u(F_2)^2} = \frac{\Delta F}{\sqrt{6}}\)

Wynik uznajemy za:

Zgodny z III zasadą — gdy \(|F_1 - F_2| \leq 2\,u(F_1-F_2)\).
Graniczny — gdy \(2u < |F_1 - F_2| \leq 5u\). Możliwe przyczyny: opóźnienie odczytu, inercja wskazówki przy zmieniającej się sile.
Niezgodny — gdy \(|F_1 - F_2| > 5u\). Sprawdź, czy siłomierze są wyskalowane poprawnie (zerowanie) i czy odczyty były jednoczesne.

Wariant ze ścianą — co pokazuje doświadczenie?

Gdy jeden siłomierz jest zaczepiony o nieruchomą ścianę, a uczeń ciągnie drugi, oba wskazują tę samą wartość. To obala intuicję „ściana nie działa" — ściana wywiera siłę reakcji dokładnie równą sile, z jaką ją ciągniemy. Ściana nie porusza się, bo jest utrzymywana przez podłoże (kolejna para akcja–reakcja).

Warto zapytać uczniów: Co się stanie, gdy ściana będzie mniej sztywna — np. gąbka? Czy siły wciąż będą równe? Tak — III zasada obowiązuje zawsze, niezależnie od rodzaju ciała.

Wirtualne laboratorium

Głównym celem wirtualnego laboratorium jest umożliwienie uczniom przeprowadzania doświadczeń na poziomie szkolnym.