Что такое третий закон Ньютона?

Вероятно, вы знаете, что Земля вас притягивает. Но вы, возможно, не догадываетесь, что мы притягиваем Землю ровно с такой же силой, с какой Земля притягивает нас. Например, если Земля притягивает вас с силой 500 Н, то в этот момент вы тоже притягиваете Землю с силой равной 500 Н. Этот удивительный факт является следствием третьего закона Ньютона.

Третий закон Ньютона. Если тело A воздействует с некой силой на тело B, то тело B воздействует на тело A с точно такой же силой, направленной в противоположную сторону.

Этот закон отражает природную симметрию: согласно которому силы всегда возникают в парах и если одно тело воздействует с некой силой на другое, то второе тело всегда воздействует на первое с точно такой же силой, противоположенной по направлению. Иногда этот закон называют «законом действия и противодействия», где приложенная телом сила называется «действием», а обратная сила, приложенная к этому же телу, — «противодействием».

Действие третьего закона Ньютона можно увидеть на следующем примере. Представьте, что пловчиха оттолкнулась от борта бассейна, как показано на иллюстрации ниже.

Пловчиха отталкивается от борта бассейна ногой и ускоряется в направлении, противоположном толчку. Это происходит потому, что борт в ответ воздействует силой на пловчиху. Вас может это смутить и тогда вы ошибочно предположите, что равные силы, направленные в противоположные стороны, должны взаимоуничтожиться, но в действительности этого не происходит, поскольку они приложены к разным телам. В данном случае есть две системы отсчёта. Если рассмотреть происходящее с точки зрения пловчихи, как на картинке ниже, тогда $F_{\text{борта к ноге}}$‍ — это внешняя сила, которая придаёт ей движение. Пловчиха движется в сторону силы $F_{\text{борта к ноге}}$‍. Сила $F_{\text{ноги к борту}}$‍, наоборот, воздействует на борт, и не влияет на нашу систему. Таким образом, $F_{\text{ноги к борту}}$‍ не имеет непосредственного влияния на движение системы и не компенсирует $F_{\text{борта к ноге}}$‍. Обратите внимание, что пловчиха толкает борт в направлении, противоположном желаемому направлению движения. В нужном направлении её отталкивает противодействие со стороны борта.

Легко найти и другие примеры проявления третьего закона Ньютона. Например, если учительница подойдёт к доске, то она воздействует на пол с некой силой, направленной назад. В ответ возникает сила противодействия, направленная вперёд, в результате которой учительница и будет идти к доске.

Аналогично, автомобиль ускоряется, поскольку дорога толкает колёса вперёд в результате противодействия, возникающего при толкании колёсами дороги назад. Вы можете увидеть подтверждение этого факта если посмотрите на движение автомобиля по гравию: камни, от которых отталкиваются шины, летят в сторону, противоположную движению автомобиля.

Ещё один пример: космическая ракета летит вперёд, выбрасывая с огромной скоростью сгорающее топливо. Топливо в камере сгорания воспламеняется, и ракета с силой отталкивает его. Со стороны газа возникает сила противодействия, воздействующая на ракету. Такая сила противодействия называется тягой. Часто можно встретить заблуждение, якобы ракета взлетает, отталкиваясь от земли при помощи топлива. В действительности в вакууме, где отработанное топливо легче выбрасывать, описанный выше принцип работает даже лучше.

Аналогично летают вертолёты: они поднимаются, отталкивая воздух вниз, в результате чего возникает сила противодействия со стороны воздуха, поднимающая вертолёт. Птицы и самолёты также летают, воздействия на воздух с силой, направленной в противоположную сторону от требуемого направления движения. Например, крылья птиц толкают воздух вниз и назад, в результате чего птицы поднимаются и летят вперёд.

Человек ведёт тележку №1, двигающуюся вправо, и толкает другую тележку №2, на которой стоит тяжёлый холодильник. Общая масса тележки №2 вместе с холодильником втрое больше массы тележки №1 вместе с человеком. Если сила тяги первой тележки достаточна, чтобы обе тележки двигались вправо с ускорением, что можно уверенно сказать о величинах сил, приложенных к тележкам?

Ящик лежит на столе в состоянии покоя, как показано ниже на рисунке. Различные силы, действующие при этом, перечислены в таблице под иллюстрацией.