Todos sabemos que si perfore la pared con la fuerza de $100\,\mathrm{N}$, la pared me impulsa a $100\,\mathrm{N}$ y me sale lastimado. ¿Pero si perfora el aire con $100\,\mathrm{N}$, hace aire me golpea con $100\,\mathrm{N}$? Me refiero a que no volver $100\,\mathrm{N}$. No me lastime. ¿Viola la tercera ley de Newton? Agradeceria si alguien puede responder. Esta pregunta ha sido me molestando durante más de 5 años.
Respuestas
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tmwilson26
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1940
La suposición de que usted está haciendo aquí es que, con el mismo movimiento de un puñetazo, que se aplica $\text{100 N}$ de la fuerza a una pared y el aire. Sin embargo, usted debe pensar de la mayoría de la ecuación fundamental de las leyes de Newton, es decir,
$F=ma$
La parte más importante de este en relación a lo que usted está hablando es de que la fuerza aplicada, $F$, es proporcional a la aceleración, $a$. Cuando usted golpea la pared, su mano va desde toda velocidad hasta detenerse por completo con bastante rapidez. Esta es una rápida desaceleración, o de un alto valor de $a$, por lo que el valor de la fuerza es alta.
Sin embargo, cuando usted perfora a través del aire, las moléculas de aire apenas ralentizar su mano en todo. Esto significa que su desaceleración es baja, o un valor bajo de $a$, lo que significa que la fuerza, $F$ también es baja.
En la ausencia de una pared para detener el puño, lo que es realmente detener el punzón es su propio cuerpo, no el aire, como el brazo de socket tendrá que tirar de su brazo para mantener el puño de volar lejos. Esto también disminuirá su brazo más lentamente que un muro sin embargo, ya que los tendones y ligamentos en su brazo tienden a estirarse, la reducción de la desaceleración en comparación con el de la pared, y por lo tanto la fuerza.
Así que, lo que estoy tratando de decir aquí, es que sí, las fuerzas son siempre iguales y opuestas, que está en línea con las leyes de Newton. Sin embargo, su suposición de que la fuerza de golpear una pared con un golpe de puño es el mismo como una fuerza de balanceo de su puño en el aire es incorrecta.
Espero que esto aclare las cosas para usted.
Chris C.
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211
¿Este es el mismo problema que los Estados de la famosa pregunta: que es más pesado, 1k de plumas o 1kg de hierro?
Requiere muchas más plumas para obtener 1kg de ellos, por lo que confunde la mayoría de las personas. En este caso, requiere que tenga un ala grande para poder aplicar una fuerza de 100N en el aire.
Aniket
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1584
No, la tercera ley de Newton no es violado.
De acuerdo a la Segunda Ley de Newton, tenemos que la fuerza es la tasa de cambio del momento, con el tiempo, es decir,$$F=\frac{\Delta p}{\Delta t}$$ where $ p$ is momentum and $\Delta t$ es el tiempo transcurrido.
Cuando El Sacador Golpea La Pared
El ímpetu inicial de puño = $mv$
Final el impulso de puño = $0$
Fuerza aplicada = $\frac{mv-o}{t} = \frac{mv}{t}$
Cuando El Sacador Golpea El Aire
El ímpetu inicial de puño = $mv$
Final el impulso de puño = $0$
Fuerza aplicada = $\frac{mv-o}{T} = \frac{mv}{T}$
Por lo tanto la fuerza de $F$ que se aplica en ambos casos no es la misma.
Como usted no puede tocar un aire molécula como tales y que las moléculas de aire tienen muy baja o ninguna rigidez, por lo que el cambio en el momentum se lleva a cabo muy lentamente y $T$ es considerablemente grande.
Pero usted puede sentir golpear la pared moléculas como tal y las moléculas de pared muy alta rigidez, por lo que el cambio en el momentum se lleva a cabo muy rápidamente y $t$ es bastante pequeña.
Creo que la diferencia es bastante obvia.
Floris
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54054
Vamos a revisar "la fuerza de impacto" por un momento.
Me considero un "sticky" bola de masa $m$ viajando a la velocidad de $v$ en el fijo de la pared. Cuando llega a la pared (y palos), ¿cuál es la fuerza máxima que sentía por la pelota de la pared?
Que en realidad no es trivial la pregunta a responder. La bola tiene un momento $p=mv$, y si el impacto de tiempo (tiempo para que la pelota se detenga por completo en una colisión inelástica) es $\Delta t$, el promedio de la fuerza de $F_{av} = \frac{p}{\Delta t}$
Esto ayuda a explicar por qué, si lanzar un golpe, hay una diferencia (de dolor) entre un guante de punch vs los puños desnudos. El guante se hace el puño para frenar a una mayor distancia (no $\Delta t$), resultando en menos de media fuerza. También se propaga a la fuerza sobre un área mayor, lo que significa que la presión local va a ser menos. Una vez más, reducir el dolor.
Usted puede mirar en términos de aceleración, así: si lento hacia abajo con una distancia más corta, la aceleración (y la fuerza) debe ser mayor.
Esto me lleva a la pregunta que le hice en un comentario anterior: "¿cómo se puede tirar un 100 N puñetazo en el aire?". Si tu mano se mueve a la misma velocidad, experimenta muy poco vigor desde el aire, que no es un "100 N punch". Si de alguna manera podría mover su puño lo suficientemente rápido que se experimentaría una fuerza de 100 N de la resistencia del aire, entonces todavía espero no ser menos "dolor" (del aire) ya que la fuerza se distribuye de forma más homogénea (puño golpeando la pared = sólo una pequeña área de contacto; puño golpeando el aire = área de contacto grande).
¿Qué tan rápido que su puño se han de mover? Si modelamos el puño como una esfera de 10 cm de diámetro, y el uso de la resistencia de aire ecuación
$$F = \frac12 \rho v^2 A C_D$$
podemos resolver para $v$:
$$v = \sqrt{\frac{2F}{\rho A C_D}}\approx 200\; \rm{m/s}$$
Si usted puede mover su puño rápido que usted debe dar para arriba en la física y toma de boxeo profesional. La fuerza necesaria para acelerar un puño (conectada a un brazo) para que la velocidad en el rango de un golpe es significativo. Si usted se considera un musculoso brazo a tener una masa de 10 kg, y la mitad inferior (por debajo del codo) 5 kg, entonces la aceleración que a 200 m/s, con un 50 cm rango requiere una fuerza promedio de 200 kN. aproximadamente la fuerza necesaria para benchpress una familia de elefantes. Con una sola mano.
MW99
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Así que hay dos situaciones en las que las fuerzas son "igual y opuesta", y veo a los estudiantes de pregrado se confunda todo el tiempo. La única vez que le he enseñado una recitación de la sección para estas cosas, he hecho esta distinción, un punto de una lección, y parecía que les ayude; tal vez ayuda a usted.
La tercera ley de Newton.
La tercera ley de Newton establece, en su más profunda y más abstracta, teórica sentido, que las leyes de la física son las mismas en todas partes. Resulta que este tipo de "continuo simetría" (espacio, simetría de traslación) corresponde siempre a una cantidad conservada, un número que se puede calcular la cual nunca cambia su valor total. Usted puede, a continuación, tratar de que esta cantidad como una de las "cosas" que se distribuye en diferentes partes del sistema. Para el espacio-simetría de traslación, este "material" se llama impulso (más precisamente, los números son los componentes de impulso en cada una de las tres direcciones perpendiculares). El principio de conservación del momento dice que cada componente es una de las "cosas" que no puede ser creada o destruida, pero sólo redistribuido: si este objeto tiene un impulso de esta manera, luego de que el objeto debe obtener el correspondiente impulso de esa manera.
Newton definió cualquier disposición al cambio de momentum por unidad de tiempo, como una fuerza. Por lo tanto, la conservación del momento se manifiesta como "toda la fuerza en una fuerza-par: al presionar sobre una pared con un poco de fuerza, empuja con la misma fuerza." Este ha sido ridículamente perspectiva de éxito para el bien de la ingeniería. Pero se trata del hecho de que al pegarle a la pared, el impulso hacia adelante de su punzón tiene que ser absorbido por algo: por eso, cuando su mano se detiene, la pared (y lo que es adjunto a) debe seguir adelante. Estos son el mismo principio; tratarlos de la misma.
En particular, si se mira en el centro de masa de la estructura de un sistema, donde el impulso de este sistema es cero, no hay fuerzas internas del sistema, posiblemente, puede cambiar. Si usted mira en el centro de masa de un cohete antes de que despegue, el cohete que no se puede cambiar que el centro de masa no importa lo que hace con su combustible: el combustible tiene que ir hacia atrás muy rápido para el cohete para ir poco a poco hacia delante, de modo que el total de combustible de más de cohete de impulso es igual a cero.
El balance de la fuerza
Ahora hay otra, completamente diferente, cosa que también ocurre debido a que Newton definición (una fuerza es una disposición a cambio de momentum durante una unidad de tiempo): si el impulso de un objeto no cambia, entonces existe en un estado de equilibrio de fuerzas: todos los componentes de todas las fuerzas sobre el objeto debe, en cada una de las tres direcciones, se anulan. Esto se ve muy similar, ya que para el caso más simple, la de estar sentado en su silla, la fuerza de la gravedad hacia abajo en usted es compensada por un "igual y opuesta a la fuerza" de su silla de ruedas hacia arriba en usted, para mantenerlo quieto. Pero no es la misma cosa, no tiene que existir: su presidente podría ser de resorte, el envío; o se podría romper, dejar de caer. Es sólo que el presidente pasa a ser de trabajo según lo planeado, que estas cosas equilibrio. La ley de conservación del momento dice que su fuerza en la silla es igual y opuesta a la del presidente de la fuerza; el principio de equilibrio de fuerzas, dice que la gravedad es la fuerza sobre usted es también igual y opuesta a la del presidente de la fuerza.
La conservación del momento es algo fácil localmente violar aquí: si yo plop abajo en la silla, seguramente me vienen a descansar, ¿no? Eso es porque las "cosas" (impulso) deja el "sistema" (me plus presidente) para unirse a una mucho más grande sistema (el piso, y finalmente el planeta). Así que la conservación del momento puede ser un muy inútil principio si el impulso se escapa el sistema que estamos estudiando, y de equilibrio de fuerza que puede ser un muy inútil principio si algo no está manteniendo un constante impulso (que podría ser cero, pero, en general, cualquier movimiento uniforme en una línea recta es constante impulso debido a la simetría que genera su conservación). A veces uno es útil y el otro no, independientemente de sus detalles.
Pegarle a una pared de la frente de perforación de aire.
Aquí es un gran ejemplo. La pared está en un estado de equilibrio de fuerza: no se mueve, no importa lo duro que un puñetazo! Cualquier impulso que verter en él con su poco insignificantes puños tienden a escapar en el planeta en sí, por lo que el impulso no se conserva localmente, pero sólo a nivel mundial. Pero mientras su puño no ir a través de él, que el balance de la fuerza también se va a aplicar a la vanguardia de su puño: sin embargo, es duro usted perfora la pared, la pared se sacador de vuelta.
Del mismo modo se puede sacador de aire, pero se necesita mucho más tiempo para que el aire de la fuerza de arrastre para reducir la velocidad: en el hecho de que lleva tanto tiempo que la principal cosa que ralentiza el puño es de su brazo no estirar lo suficiente. La mayor parte de ese impulso que hace que no se vaya a mover el aire hacia adelante. Sin embargo, hay fuerzas similares, como el aire de arrastre que te ralentiza cuando estás en una bicicleta: y todos ellos obedecen a la conservación del momento.
Bien, esto es mucho más fácil si usted perfora bajo el agua, más o menos: si usted golpea el agua con una paleta de madera, como en una canoa o kayak, usted puede ver el agua "derivando" su paleta: y mueve la otra manera, la conservación del momentum. Este es un estado donde la fuerza-equilibrio no es necesariamente una idea útil (cada pulsación del botón, se mueve tanto usted como el agua, ni el impulso se mantiene constante), pero el impulso de la conservación es una gran manera de mirar el problema.
El papel de dolor y daño
La última cosa a tener en cuenta es que ninguna de estas cosas tienen que ver mucho con la sensación de dolor; se siente dolor cuando su cuerpo se daña, y los nervios enviar las señales de "hey, stop it!" a su cerebro.
Daño tiende a ocurrir debido a tensiones, que son las presiones o fuerzas por unidad de área. Me gusta decirle a los estudiantes "se necesita mucha menos fuerza a la punta de su dedo del pie," porque la sección transversal de su dedo del pie es muy pequeña, y que la perpendicular área de sección transversal importa tanto como su fuerza. Si usted se imagina una cadena que está cargado con mucho peso que está cerca de romper, algo de peso W y puse una segunda cadena junto a ella, era de esperar que ahora podía colgar 2W antes de ser igualmente cerca de romper: W a partir de una cadena, W de otro. Pero si se colgó la cadena de caracteres de otra cadena, que acababa de imagen que tanto estirar y ambos están cerca de romper con apenas W en ellos.
Hay dos efectos aquí. La primera es que una fuerza es un cambio en el momento **por unidad de tiempo*: ya veces hacer para reducir las fuerzas. Así que si usted está en un coche ir a 60 mph, usted va a mantener menos daños a 0 km / h, si se hace normalmente con sus frenos en el transcurso de 50 segundos, que si se bloquea de repente en un árbol, debido a que las fuerzas pueden ser cientos de veces más grande en el 0,5 segundos de árbol-crash que en los 50 segundos de la lentitud de frenado.
La segunda es que la presión es una fuerza por unidad de área. Esto sucede mucho durante mi deporte preferido, ultimate, donde no es raro para bucear después de un disco volador que está justo fuera de su alcance. Al hacerlo, la evolución endurecidas de la tendencia (que tienes que resistir) es llegar con sus brazos: evolución iría más bien la fuerza de la reducción de la ruta por la que salen los brazos a torcer y romper lentamente, a fin de minimizar las fuerzas de su pecho y la cabeza. Pero en definitiva, es mucho más seguro si usted puede absorber el impacto sobre la hierba con el pecho y el estómago y los muslos, tirando de su cabeza y los brazos hasta fuera del camino. También hay algo de fuerza-reducción, porque deslice un poco, por lo que sólo necesita para disipar su tendencia descendente de inmediato, no su impulso hacia adelante, pero el premio más grande es el área de superficie de alta que la fuerza se disipa.
