Question:
Les «lois» du mouvement de Newton sont-elles des lois ou des définitions de la force et de la masse?
user5402
2013-07-06 21:38:53 UTC
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Si vous les considérez comme des lois, alors il doit y avoir des définitions indépendantes de force et masse, mais je ne pense pas qu'il existe de telles définitions .

Si vous les considérez comme des définitions, pourquoi sont-elles encore appelées lois?

* il doit y avoir des définitions indépendantes de la force et de la masse mais je ne pense pas qu'il y ait de telles définitions. * Supposons que je définis la force comme ce que je mesure avec une balance à ressort, et que je définis la masse comme ce que je mesure avec une balance (qui a été calibrée au même endroit avec une masse standard).
@BenCrowell Je souhaite que la vie soit aussi simple que cela.
Pensez simplement aux lois comme disant "on peut attribuer une" masse "à chaque objet et une" force "à chaque interaction pour que ...". Il est tout à fait possible qu'avec certaines lois de la physique, il n'y ait pas d'attribution cohérente de «masses» et de «forces» faisant tenir les lois de Newton. Cela signifie que les lois de Newton sont plus que de simples définitions. Par exemple, les lois de Newton impliquent qu'un astronaute flottant dans l'espace ne peut pas se propulser sans lancer quelque chose. Une définition peut-elle impliquer quelque chose?
Les forces conservatrices satisfont $ m \ ddot {\ vec {x}} = - \ vec {\ nabla} V \ left (x \ right) $, donc même dans ce cas particulier, une équation quantifiant la force n'est pas vraie par définition.Une formulation lagrangienne rend cela plus clair avec le concept on-shell.
Six réponses:
joshphysics
2013-07-06 22:24:43 UTC
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À mon avis, les énoncés standards des lois de Newton sont généralement trop concis, et ce manque de détails entraîne une confusion sur ce qu'est une définition et ce qu'est un fait empirique. Pour éviter cette confusion, procédons d'une manière systématique qui rend les distinctions entre ces définitions et les déclarations empiriques claires.

Ce qui suit n'est certainement pas l'énoncé original des lois faites par Newton lui-même; c'est une interprétation moderne destinée à clarifier les fondements de la mécanique newtonienne. En conséquence, les lois seront présentées dans le désordre dans un souci de clarté logique.

Pour commencer, notons que les définitions de masse et de force données ci-dessous nécessiteront le concept de cadre inertiel local . Ce sont des cadres de référence dans lesquels lorsqu'un objet est isolé de toute autre matière, son accélération locale est nulle. C'est un fait empirique que de tels cadres existent, et nous prendrons cela comme la première loi:

Première loi. Des cadres de référence inertiels locaux existent.

En quoi cela est-il lié de quelque manière que ce soit à la première loi que nous connaissons et aimons? Eh bien, comme cela est souvent dit, cela dit essentiellement "si un objet n'interagit avec rien, alors il n'accélérera pas". Bien sûr, ce n'est pas tout à fait correct car il existe des référentiels (non inertiels) dans lesquels cette déclaration se décompose. Vous pourriez alors dire, d'accord, tout ce que nous avons à faire est alors de nuancer cet énoncé de la première loi en disant " à condition que nous faisons des observations dans un référentiel inertiel, un objet qui n'interagit pas avec quoi que ce soit n'accélérera pas », mais on pourrait alors objecter que cela découle simplement de la définition des cadres inertiels, donc il n'a aucun contenu physique. Cependant, en allant plus loin, nous voyons qu'il n'est pas du tout clair a priori que les cadres inertiels existent même, donc l'affirmation qu'ils existent a un contenu physique (profond). En fait, il me semble que cette déclaration d'existence est en quelque sorte l'essence de la façon dont la première loi devrait être pensée parce qu'elle dit essentiellement qu'il y a ces cadres spéciaux dans le monde réel, et si vous observez un objet isolé dans un. de ces cadres, il ne sera pas accélérer comme dit Newton. Cette version de la première loi évite également la critique habituelle que la première loi découle trivialement de la deuxième loi.

Équipé de la première loi comme indiqué ci-dessus, nous pouvons maintenant définir la masse. Ce faisant, nous allons trouver utile d'avoir un autre fait physique.

Troisième loi. Si deux objets, suffisamment isolés des interactions avec d'autres objets, sont observés dans un référentiel inertiel local, alors leurs accélérations seront de direction opposée, et le rapport de leurs accélérations seront constantes.

Comment cela est-il lié à l'énoncé habituel de la troisième loi? Eh bien, en pensant un peu «méta» ici pour utiliser des termes que nous n'avons pas encore définis, notez que la façon dont la troisième loi est généralement énoncée est «lorsque les objets interagissent dans un cadre inertiel, ils exercent des forces les uns sur les autres qui sont égales magnitude, mais dans la direction opposée. " Si vous associez cela à la deuxième loi, alors vous obtenez que le produit de leurs masses et accélérations respectives est égal au signe; $ m_1 \ mathbf a_1 = -m_2 \ mathbf a_2 $. L'énoncé de la troisième loi donnée dans ce traitement est équivalent à cela, mais c'est juste une façon de le dire qui évite de se référer aux concepts de force et de masse que nous n'avons pas encore définis.

Maintenant, nous utilisez la troisième loi pour définir la masse. Soit deux objets $ O_0 $ et $ O_1 $, et supposons qu'ils sont observés à partir d'un référentiel inertiel local. Par la troisième loi ci-dessus, le rapport de leurs accélérations est une constante $ c_ {01} $; \ begin {align} \ frac {a_0} {a_1} = c_ {01} \ end {align} Nous définissons l'objet $ O_0 $ avoir la masse $ m_0 $ (quelle que soit la valeur que nous souhaitons, comme 1 par exemple si nous voulons que l'objet de référence soit notre masse unitaire), et nous définissons la masse de $ O_1 $ comme étant \ begin { align} m_1 = -c_ {01} m_0 \ end {align} De cette façon, la masse de chaque objet est définie en termes de masse de référence.

Nous sommes maintenant prêts à définir la force. Supposons que nous observions un objet $ O $ de masse $ m $ à partir d'un référentiel inertiel local, et supposons qu'il ne soit pas isolé; il est exposé à une interaction $ I $ à laquelle on voudrait associer une «force». On observe qu'en présence de cette seule interaction, la masse $ m $ accélère, et on définit la force $ \ mathbf F_ {I} $ exercée par $ I $ sur $ O $ comme étant le produit de la masse de l'objet et de son accélération observée $ \ mathbf a $; \ begin {align} \ mathbf F_ {I} \ equiv m \ mathbf a \ end {align} En d'autres termes, nous définissons la force exercée par une seule interaction $ I $ sur un objet de masse $ m $ comme la masse multipliée par l'accélération qu'un objet donné aurait s'il était exposé uniquement à cela interaction dans un cadre inertiel local.

Deuxième loi. Si un objet O $ $ de masse $ m $ dans un cadre d'inertie locale éprouve simultanément des interactions I_1 $, \ points, I_N $, et si $ \ mathbf F_ {I_i} $ est la force qui serait exercée sur $ O $ par $ I_i $ si c'était la seule interaction, alors l'accélération $ \ mathbf a $ de $ O $ satisfera ce qui suit équation: \ begin {align} \ mathbf F_ {I_1} + \ cdots \ mathbf F_ {I_N} = m \ mathbf a \ end {align}

Très bonne réponse!J'ai quelques questions.Premièrement, pourquoi «définissons-nous» simplement la force comme étant l'accélération masse x.Cela semble un peu arbitraire.Nous pouvons définir tout ce que nous voulons, mais cela ne signifie pas nécessairement que cela nous aidera à faire de la physique.De toute évidence, cette définition * fait *, mais je ne sais pas pourquoi autrement que je suppose par l'observation?Deuxièmement, que voulez-vous dire, les cadres inertiels peuvent ne pas exister a priori?Je n'ai jamais entendu cela, mais j'aimerais en savoir plus.Enfin, dans la première phrase de votre bit "Troisième loi", où est l'implication qu'il y a une accélération?Ou est-ce simplement dire s'il y en a?
@sangstar 1. Nous faisons cette définition parce que, d'après l'observation, nous savons qu'elle mènera à la deuxième loi que j'ai écrite, et que la loi peut être utilisée pour faire des prédictions.2. Les cadres inertiels sont un type particulier de chose.Notre univers aurait pu être tel que lorsque vous isoliez des objets, ils se déplaçaient de manière compliquée plutôt qu'à vitesse constante.3. Je dirais que cela n'a pas d'importance - ne peut-il jamais y avoir d'accélération?
Je vois!Pour 3., oui le cas où une accélération n'est pas présente est possible ici.Ou du moins, je suis convaincu que c'est le cas.
@sangstar Pourquoi si confiant?Tous les objets interagiront par gravité.
@joshphysics Gah!Par convention, je suppose que c'est négligeable, mais vous avez tout à fait raison.
@joshphysics Attendez, s'il n'y a jamais pas d'accélération sur un objet puisque les champs gravitationnels ont des portées infinies, comment des référentiels inertiels locaux peuvent-ils exister?
@sangstar c'est une excellente question.En fait, nous savons grâce à Einstein que les cadres inertiels globaux n'existent pas réellement.Nous contournons ce problème en utilisant des cadres inertiels locaux, dans lesquels la première loi est aussi précise que vous le souhaitez à condition de ne faire des expériences que dans une petite région de l'espace-temps.
@sangstar La plage infinie de force gravitationnelle n'est pas du tout un problème pour les cadres inertiels locaux.Considérons un champ gravitationnel uniforme remplissant tout l'espace et nous pouvons même avoir des cadres inertiels globaux - ce seront les cadres tombant librement dans le champ gravitationnel.De même, même lorsque les champs ne sont pas uniformes, si nous prenons une région indéfiniment petite, nous pouvons dire que les champs gravitationnels sont uniformes dans ces petites régions - ce qui nous permet d'avoir des cadres inertiels locaux dans ces régions.Comme précédemment, ce seront les cadres locaux tombant librement dans le champ gravitationnel localement uniforme.
@Dvij donc dans le référentiel d'un objet en chute libre, un tel référentiel inertiel global peut-il exister en présence d'une force gravitationnelle?Mais que se passerait-il si j'appliquais une force dans la direction opposée de cet objet «inerte mais en chute libre»?Sûrement, il n'accélérerait pas dans cette direction appliquée à pleine force même si notre cadre de référence considérait l'objet en chute libre - il accélère toujours indépendamment de notre opinion de référence, et une force opposée opposée le réduira - ou aura la force opposée.reduire?
Cette formulation présente une faille.Considérons les objets $ O_0, O_1, O_2 $ avec des rapports d'accélération donnés $ c_ {01}, c_ {02}, c_ {21} $ et définissez la masse comme $ m_1 = c_ {01} m_0, \, m_2 = c_ {02}m_0 $.Maintenant, cependant, il n'y a aucune garantie que $ m_1 = c_ {21} m_2 $ et la définition de la masse ne soit donc pas unique.La définition de masse ne peut être unique que si un postulat de transitivité $ c_ {ij} / c_ {ik} = c_ {kj} $ vaut pour trois objets quelconques $ O_i, O_j, O_k $.
@Void C'est une observation intéressante, mais je ne vois pas en quoi cela pose un problème si nous acceptons tous d'utiliser $ O_0 $ comme masse de référence.Si nous voulons avoir la possibilité d'utiliser une autre masse, disons $ O_1 $, pour mesurer les masses après l'avoir mesurée par rapport à $ O_0 $, alors je conviens que la procédure décrite ci-dessus ne garantirait pas que nous obtiendrions des résultats cohérents, et nous aurions besoinpour ajouter votre postulat de transitivité, mais cela semble inutile si nous voulons une théorie simple et prédictive qui fonctionne en principe, même si en pratique c'est difficile à travailler car nous devons toujours utiliser $ O_0 $ pour mesurer toutes les masses.
@joshphysics Permettez-moi de donner un exemple plus concret pour illustrer le problème.Nous prenons une situation où $ c_ {01} = 1 $ et donc si nous prenons soit $ O_0 $ soit $ O_1 $ comme objet référentiel qui pèse notre unité $ 1 kg $ nous obtenons $ m_0 = m_1 = 1kg $.Mais maintenant, vos postulats permettent la possibilité que $ c_ {12} \ neq c_ {02} $, disons $ c_ {12} = 2 $ et $ c_ {02} = 1 $.Cela signifie que si nous prenons $ O_0 $ comme objet référentiel pour les définitions de masse, nous obtenons $ m ^ {(0)} _ 2 = m_1 = m_0 = 1kg $ et si nous prenons $ O_1 $ comme référence, nous obtenons $ m^ {(1)} _ 2 = 2m_1 = 2 m_0 = 2kg $.
@Void Oh oui je suis d'accord.Reconnaître l'observation que vous venez de faire était le but de ma dernière réponse.Cependant, ce n'est pas parce que les lois / définitions énoncées n'excluent pas cette incohérence qu'il y aura * effectivement * une incohérence lorsque vous les appliquez - je crois que votre loi de transitivité est en fait vraie.En d'autres termes, je suis d'accord que si nous voulons savoir avec certitude que l'utilisation de différentes masses de référence ne nous posera pas d'ennuis, nous devons savoir que la transitivité tient, mais ne pas savoir / déclarer cela ne signifie pas que nous obtiendrons des résultats incohérents lorsquenous appliquons les lois comme indiqué.
@joshphysics Juste pour clarifier.Les définitions ici, elles ne nous disent pas ce que sont la masse et la Force.Mais ils nous disent comment la masse, l'accélération et la force sont liées l'une à l'autre, n'est-ce pas?De plus, la validité de ces définitions vient du fait qu'elles sont cohérentes avec les observations que nous faisons, ai-je raison?
@joshphysics _ "l'affirmation selon laquelle les cadres inertiels existent a un contenu physique (profond)." _ Pourriez-vous nous en dire plus?
@Void Je pense que pour conserver les lois correctes de Newton, il faut en fait supposer que $$ c_ {12} = \ frac {c_ {02}} {c_ {01}}. $$ Si cela n'est pas fait, alors on peut montrer que pour deux masses en interaction, où aucune d'elles n'est la masse de référence $ m_0 $ nous obtenons cela (en utilisant la deuxième loi) $$ c_ {12} \ equiv \ frac {a_1} {a_2} = \ frac {F_1 / m_1} {F_2 / m_2} = \ frac {F_1} {F_2} \ frac {c_ {02}} {c_ {01}}. $$ De sorte que si la relation que j'ai énoncée ci-dessus ne tient pas, il n'est pas certain que les forces agissant sur deux corps en interaction soient d'égale ampleur.
@joshphysics En fait, ne pas assumer la règle de transitivité comme suggéré ci-dessus entraînera des incohérences.Si deux masses à points égaux interagissent et que nous n'avons pas besoin de la règle de transitivité, alors nous pouvons avoir $ a_1 / a_2 = c_ {12} \ neq 1 $ et cela conduit à une accélération spontanée du centre de masse.Je ne sais pas comment résoudre ce problème, mais je pense que la transitivité doit être considérée comme une loi physique supplémentaire (car c'est en fait un résultat empirique que cela vaut).Cela doit donc être soit ajouté dans la troisième loi, soit considéré comme une loi supplémentaire.
C'est atroce et totalement inacceptable que cela ne soit pas enseigné ou pas assez.Combien vont en physique et / ou dans une discipline qui utilise fortement la physique (par exemple l'ingénierie) et ne parviennent pas à obtenir une compréhension rectifiée de certains de ces principes les plus élémentaires de la mécanique de base, ou à l'obtenir beaucoup plus tard qu'ils ne le devraient?Cela donne envie de se méfier beaucoup de ce que l'on retire du système scolaire / éducatif.Si cela est modifié, que pourrait-il être d'autre?
@JezuzStardust: Avoir une loi de transitivité ne semble pas si mal - ce n'est pas trop différent de la façon dont cette température est définie en thermodynamique.Vous avez besoin de la "loi zéro de Newton" :)
Qu'est-ce qu'une "trame inertielle"?Généralement, les cadres inertiels sont définis dans le contexte de * force *, c'est-à-dire un cadre dans lequel les objets sous aucune force nette auront une vitesse constante.Mais votre définition doit être indépendante de la force pour ne pas être circulaire.Est-il défini en termes * d'interactions *?Si oui, qu'est-ce qu'une interaction?
@joshphysics Je veux juste prendre un moment pour vous féliciter pour une réponse aussi incroyable!Je le cherche au bout d'un an, et cela me donne toujours une énorme satisfaction!
@Void Je suis d'accord avec vous qu'à moins que $ c_ {jk} = m_k / m_j $ ne soit postulé, on * ne peut pas *, juste à partir de la troisième loi de Josh, dériver l'énoncé commun de la troisième loi (* ie *, $ m_j \mathbf {a} _j = -m_k \ mathbf {a} _k $ pour deux (éventuellement) particules en interaction isolées du reste du monde et observées dans une référence intertiale locale).
@joshphysics Êtes-vous d'accord avec mon dernier commentaire (adressé à Void)?
tparker
2017-06-23 03:22:21 UTC
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La réponse de joshphysics est excellente, et un parfait ordre logique des concepts, dans lequel la force est définie en termes de masse. Personnellement, je préfère un ordre logique légèrement différent (qui finit bien sûr par être équivalent), dans lequel la masse est définie en termes de force:

First law: Des référentiels inertiels locaux existent.

Je ne peux pas améliorer l'excellente explication de joshphysics ici.

Seconde loi: La masse de chaque objet existe et est indépendante de la force qui lui est appliquée.

Nous définissons une "force" $ F_i $ comme étant une influence physique résultant d'une configuration expérimentale répétable. ($ i $ n'est qu'une étiquette, pas un composant vectoriel.) Par exemple, nous pourrions considérer un élastique simple , étiré d'un montant fixe, auquel nous nous connectons une série de différents "objets de test". Cela définit une force $ F_1 $ qui n'est pas une quantité vectorielle (d'où le manque de script gras), mais plutôt une étiquette pour une configuration expérimentale particulière. Ou nous pourrions considérer l'attraction gravitationnelle $ F_2 $ de Jupiter sur divers "objets de test" quand il est à un emplacement et à une distance particuliers par rapport à l'objet de test. Une force donnée $ F_i $ agissant sur un objet de test donné $ o_j $ lui donnera un vecteur d'accélération mesurable $ {\ bf a} (F_i, o_j) $.

Nous trouvons maintenant trois résultats empiriques non triviaux:

(i) Si les forces $ F_1 $ et $ F_2 $ induisent des accélérations $ {\ bf a} _1 $ et $ {\ bf a} _2 $ dans un objet lorsqu'elles sont appliquées individuellement, alors elles induisent une accélération $ {\ bf a } _1 + {\ bf a} _2 $ dans l'objet lorsqu'il est appliqué simultanément.

(ii) Une force donnée $ F_i $ accélère tous les objets de test dans la même direction (bien qu'avec des magnitudes différentes). En d'autres termes, $$ {\ bf a} (F_i, o_j) \ parallel {\ bf a} (F_i, o_ {j '}) $$ pour tout $ i $, $ j $ et $ j '$.

(iii) Supposons que nous ayons deux forces différentes $ F_1 $ et $ F_2 $ (par exemple, deux élastiques de rigidité différente) et deux objets de test différents $ o_A $ et $ o_B $. L'égalité suivante est toujours valable:

$$ \ frac {| {\ bf a} (F_1, o_A) |} {| {\ bf a} (F_1, o_B) |} = \ frac {| {\ bf a} (F_2, o_A) |} {| {\ bf a} (F_2, o_B) |}. $$

Cela suggère une manière naturelle de quantifier systématiquement les effets des différentes forces. Prenez d'abord un objet de test particulier $ O $ et assignez-lui une quantité scalaire arbitraire $ m_O $ appelée sa "masse". Ne vous inquiétez pas encore de la signification physique de cette quantité. Notez que seulement cet objet particulier a une "masse" bien définie à ce stade. Appliquez maintenant toutes vos différentes forces à l'objet $ O $. Chaque force $ F_i $ induira une certaine accélération $ {\ bf a} (F_i, O) $ sur $ O $. Attribuez maintenant à chaque force $ F_i $ une quantité de vecteur $$ {\ bf F} _i: = m_O \, {\ bf a} (F_i, O) $$ qui "enregistre" son action sur l'objet de test $ O $. Notez que la deuxième loi de Newton est trivialement vraie uniquement pour l'objet de test particulier $ O $. Notez également que changer la valeur de $ m_O $ dilate simplement tous les vecteurs de force du même montant, vous pouvez donc aussi bien choisir des unités de masse dans lesquelles il a la valeur numérique de 1 $. L'observation empirique (ii) ci-dessus peut maintenant être reformulée comme suit:

(ii ') Pour toutes les forces $ F_i $ et les objets de test $ o_j $, $$ {\ bf F} _i \ parallel {\ bf a} (F_i, o_j). $$

On peut donc définir une grandeur scalaire $ m _ {(i, j)} $, qui dépend à la fois de la force appliquée et sur l'objet de test, telle que $$ {\ bf F} _i = m _ {(i, j)} {\ bf a} (F_i, o_j). $$

Ceci justifie la première affirmation de la deuxième loi, selon laquelle la masse de chaque objet existe. Rappelez-vous de la définition du vecteur de force que $$ m_O {\ bf a} (F_i, O) = m _ {(i, j)} {\ bf a} (F_i, o_j), $$ donc seulement le ratio $ m _ {( i, j)} / m_O $ est physiquement mesurable, comme mentionné ci-dessus.

Si nous laissons $ o_B $ être l'objet de test $ O $, alors l'observation empirique (iii) ci-dessus peut être réarrangée en $ m _ {(1, A)} = m _ {(2, A)} $ pour tout testobjets $ o_A $, justifiant la deuxième affirmation de la deuxième loi selon laquelle la masse d'un objet ne dépend pas de la force externe qui lui est appliquée.

Enfin, les faits que (a) les accélérations induites s'ajoutent en tant que vecteurs et (b) la masse d'un objet ne dépendent pas de la force appliquée, impliquent ensemble que les forces appliquées s'ajoutent également en tant que vecteurs.

Ttroisième loi: Lorsqu'un objet exerce une force sur un second objet, le second objet exerce simultanément une force égale en magnitude et de direction opposée sur le premier objet.

Nous avons déjà défini le vecteur de force $ {\ bf F} $ ci-dessus, c'est donc clairement une observation empirique non triviale plutôt qu'une définition.

Réponse vraiment fantastique!Peut-être me semble-t-il plus vrai que c'est exactement ainsi que j'arrange le contenu des lois de Newton pour moi-même.Il est frustrant de voir comment les manuels (ou tout autre livre) ignorent complètement tout cela et se tournent vers les applications.Je tiens à souligner que cette façon de penser est un peu avantageuse par rapport à l'explication par ailleurs excellente d'@joshphysics car elle isole la troisième loi des définitions plus fondamentales de la masse et de la force.La troisième loi est à peu près toujours violée et je ne voudrais pas qu'elle soit la base de mes définitions ;-).
Il y a un problème avec cette réponse si l'on prend en compte la charge électrique.Considérons les deux configurations expérimentales où $ F_1 $ correspond à placer un objet à une certaine distance de Jupiter (supposé électriquement neutre), et $ F_2 $ correspond à placer un objet à une certaine distance d'un objet chargé positivement avec la même masse que Jupiter.Alors la règle (iii) se décompose si vous utilisez des objets $ o_A $ et $ o_B $ avec la même masse mais une charge différente.
En fait, pour les forces gravitationnelles le rapport $ \ frac {| \ mathbf {a} (F_1, o_A) |} {| \ mathbf {a} (F_1, o_B) |} $ est toujours égal à $ 1 $ puisque l'accélération estindépendamment de la masse de l'objet.Ce n'est pas vrai pour les autres forces en général.Je pense que le problème est que les forces ne sont pas seulement des propriétés de la configuration expérimentale, mais dépendent également des propriétés des objets de test eux-mêmes, et il y a plus d'un degré de liberté parce que nous avons à la fois la masse et la charge.
Cela signifie que dans votre procédure de définition de la masse, vous avez toujours une bonne définition pour $ m _ {(i, j)} $, mais en fait cette quantité dépend de la force appliquée.
@DvijMankad quant à vos commentaires sur la Troisième Loi étant une définition plutôt qu'empirique dans le traitement de Josphysics, je ne suis pas tout à fait sûr, mais peut-être pourrait-on changer son traitement en s'abstenant de prétendre que les accélérations sont dans des directions opposées tout en définissant la masse.Au lieu d'aller directement à la troisième loi, on pourrait simplement définir la masse en utilisant l'observation empirique que le rapport des * magnitudes * des accélérations est constant.La deuxième loi est alors définie comme il l'a fait, et la troisième loi (selon laquelle les forces ont des directions opposées) est un fait empirique.
Bien sûr, cela suppose toujours implicitement que les forces ont des amplitudes égales, ce qui fait également partie de la troisième loi.Je ne sais pas comment aborder cette question pour le moment.
@TobErnack Non, je suis d'accord avec vous - je suppose que j'ai déformé mon point de vue.Je ne dis pas que la troisième loi devient une définition dans le traitement de Josh.Je me rends compte qu'il reste encore une loi physique parfaitement empirique.J'indiquais précisément ce que vous faites remarquer dans votre deuxième commentaire, à savoir que dans le traitement de Josh, la définition de la masse repose sur les faits empiriques contenus dans la troisième loi.[...]
[...] Mais comme l'existence de la masse est plus robuste que la troisième loi - et peut être déduite indépendamment de la troisième loi (comme l'a fait tparker), je préfère simplement représenter la discussion d'une manière où la définition de la masseest indépendante de la validité de la troisième loi.
@DvijMankad ah je vois alors.Voyez-vous un moyen de résoudre les problèmes que j'ai mentionnés ci-dessus?J'aimerais également que cette approche fonctionne, mais je pense qu'il pourrait y avoir des complications.Peut-être pourrions-nous nous limiter aux configurations expérimentales où la force * est * indépendante de l'objet de test (comme les élastiques ou les ressorts) mais cela semble un peu étrange car cela nécessite de savoir quelles configurations expérimentales ont cette propriété a priori.
@TobErnack Vous faites un point très juste.Comme vous le faites remarquer, les problèmes se produisent lorsque le rapport entre l'accélération ressentie par un objet et l'accélération ressentie par l'objet de test dépend fondamentalement des propriétés intrinsèques à l'objet.Les lois de Newton ont été principalement formulées pour décrire les forces de contact macroscopiques, qui sont (à une excellente approximation) indépendantes des propriétés internes de l'objet.Dans ce contexte, tout fonctionne plutôt bien.
@TobErnack Je ne pense pas qu'il y ait une manière totalement propre de présenter cette généralité complète qui fonctionne toujours.Je pense que vous devez simplement embrasser le désordre et définir d'abord la masse en termes de forces de contact, puis traiter séparément les interactions électromagnétiques.
@TobErnack Si vous ne considérez * que * les forces électromagnétiques, les choses deviennent en fait plus simples, car alors (je pense) seul le rapport charge / masse est défini de manière unique.Si vous ne considérez que les forces gravitationnelles, les choses deviennent encore plus simples, car vous pouvez définir directement la masse d'un objet en termes d'accélération qu'il induit sur * tout * autre objet situé à une certaine distance.Ces subtilités n'apparaissent que lorsque vous devez combiner différents types de forces.
@TobErnack Le problème fondamental est que lorsque vous expliquez pour la première fois les lois de Newton à un débutant, vous prétendez implicitement qu'elles fonctionnent pour une force * générale * sans spécifier la nature de la source de la force.Cette configuration est clairement fondamentalement un peu mal définie, car son fonctionnement dépendra un peu de ce que vous considérez exactement comme une force.Si vous avez un système où toutes les interactions sont complètement spécifiées par des lois déterministes - par ex.celle décrite par les formalismes lagrangiens ou hamiltoniens - alors il est sans doute préférable d'oublier entièrement la notion de forces et de travailler ...
... directement avec des trajectoires en configuration ou en espace de phase.
Constantine
2013-07-07 22:25:22 UTC
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Pour comprendre ce que sont réellement les trois lois de Newton, il faut considérer la notion d'élan. Momentum $ \ vec {p} $ d'une particule ponctuelle est le produit de sa masse $ m $ (qui sera définie implicitement plus tard) et de sa vitesse instantanée $ \ vec {V} $, donc $ \ vec {p}: = m \ vec {V} $. Aussi, $ m \ in \ mathbb {R} _ + $ unités de masse et $ m: = const $ (les raisons sont telles que $ m $ caractérise une particule et ne fait pas de vecteurs $ \ vec {V} $ et $ \ vec {p} $ point dans une direction différente). Il faut également considérer la loi de conservation d'un moment linéaire, qui est la conséquence de la symétrie de translation spatiale (contrairement à une croyance pupulaire selon laquelle elle est la conséquence des lois de Newton).

Parlons maintenant des lois de Newton:

Première et troisième lois de Newton : conséquence de la loi de conservation d'un moment linéaire, rien de plus.

Deuxième loi de Newton : une définition d'une force, $ \ sum \ vec {F}: = \ dot {\ vec {p}} $ (qui donne également le familier $ \ sum \ vec {F} = m \ vec {a} $)

Remarque : une question sur la mesure des masses de particules ponctuelles peut se poser, voici donc la réponse. Considérons un système de deux particules ponctuelles se déplaçant le long de l'axe $ x $ l'une vers l'autre. La loi de conservation du moment linéaire indique:

\ begin {align} m_1 \ left | \ vec {V} _ {11} \ right | - m_2 \ gauche | \ vec {V} _ {21} \ droite | = m_2 \ left | \ vec {V} _ {22} \ right | -m_1 \ left | \ vec {V} _ {12} \ right | \ end {align}

Définition de $ m_1 $ , par exemple, pour être égal à une unité de masse, il est possible de calculer $ m_2 $ (mesurer les valeurs des vitesses des particules avant et après la collision est une procédure standard qui peut être effectuée).

qu'est-ce qui ne va pas en considérant la conservation de l'impulsion linéaire comme conséquence des lois de Newton? Si vous supposez $ F = \ point p $, ce qui est vrai en mécanique classique, la 3ème loi et la conservation de la quantité de mouvement linéaire sont complètement équivalentes.
La conservation du moment linéaire est _fondamentalement_ la conséquence de la symétrie de translation spatiale, les première et deuxième lois de Newton sont des cas particuliers.
Cleonis
2013-07-07 17:48:20 UTC
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Je pense que la réponse de Joshphysics est très bonne. En particulier l'affirmation selon laquelle affirmer l'existence est un élément clé.

L'idée est de reformuler les lois du mouvement de telle sorte que la question loi par rapport à la définition devienne plus claire.
Par analogie avec la thermodynamique, j'énoncerai une «loi zéro»; une loi qui précède la «première loi» historique.
Comme pour la réponse de Joshphysics, le traitement suivant est pour le domaine newtonien.

Loi zéro :
(affirmation d'existence)
Il existe une opposition au changement de la vitesse d'un objet. Cette opposition au changement de vitesse est appelée «inertie».

Première loi :
(La loi d'uniformité)
L'opposition au changement de vitesse est uniforme dans toutes les positions de l'espace et dans toutes les directions spatiales.

Deuxième loi :
(La loi d'accélération)
Le changement de vitesse est proportionnel à la force exercée, et inversement proportionnel à la masse.

Les déclarations ci-dessus ne sont pas des définitions.
A titre de comparaison, le point zéro de l'échelle Celcius est une définition; il est interchangeable avec une autre définition du point zéro de l'échelle de température. Les lois du mouvement ne sont pas échangeables contre d'autres énoncés.

Le concept de force est également applicable en statique, donc Force peut également être définie dans le contexte d'un cas statique (compression), puis on vérifie cohérence avec la Force définie en termes de dynamique. Comme on le sait: on trouve de la cohérence.

Pour la masse, les choses sont plus intéressantes. La masse est en fait définie par les lois du mouvement. Exemple trivial: si vous utilisiez le volume d'un objet comme mesure de sa masse, la deuxième loi ne s'appliquerait pas universellement. C'est la loi du mouvement qui distingue ce qu'est la masse d'un objet: précisément cette propriété pour laquelle la deuxième loi est valable.

La leçon est que si vous insistez sur le fait que toute déclaration est non plus une loi de physique, ou une définition, vous vous enliseriez totalement.

Nos lois de physique sont les deux : ce sont des déclarations sur les propriétés inhérentes de la Nature, et elles définissent les concepts pour lesquels les lois sont valables.




Remarques supplémentaires :

La première et la deuxième loi ensemble sont suffisantes pour impliquer la troisième loi historique. Cela peut être reconnu de la manière suivante:

Que l'objet A et l'objet B flottent tous les deux dans l'espace, sans être attachés à une masse plus grande.
D'un point de vue abstrait on pourrait argumenter: il y a une différence entre:
Cas 1: l'objet A exerçant une force sur l'objet B, mais B pas sur A
Cas 2: l'objet A et l'objet B s'exerçant l'un sur l'autre.
Selon les lois du mouvement, la distinction ci-dessus est sans objet. Sur le plan observationnel, les deux cas sont identiques, ce qui rend inutile de les distinguer à un niveau abstrait.

Supposons pour l'argumentation que l'objet A exerce une force d'attraction sur l'objet B, mais B pas sur A. A et B flottent dans l'espace. L'effet de levier dont dispose l'objet A pour tirer l'objet B vers lui-même est la propre inertie de A. A n'a pas d'autre levier, A n'est attaché à aucune masse plus grande. A peut rapprocher B de lui-même si et seulement si A est lui-même en accélération vers B.Il n'y a pas de scénario, pas d'observation, où le cas 1 et le cas 2 se distinguent, donc le cas 1 et le cas 2 doivent être considérés comme un seul et même cas.



La première loi et la deuxième loi réunies sont suffisantes pour impliquer la superposition de forces.

Comment «la première loi et la deuxième loi réunies suffisent-elles pour impliquer la superposition de forces»?Vous ne pouvez pas dire si une force perturbera la source d'une autre force.Il faut assumer la superposition des forces.
Vous avez oublié d'ajouter la seule chose très importante des lois de Newton: celles ci-dessus ne sont valables que dans les * cadres inertiels * (et pas ailleurs), où de tels cadres sont * définis * comme existant par la première loi (je neComprenez plutôt ce que vous énoncez la première loi à être).
Mihailo_Serbia
2017-06-15 22:10:09 UTC
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Tout d'abord, je tiens à dire que je trouve votre question excellente! Il est très important, pour quiconque veut se qualifier de physicien, de connaître la réponse à votre question.

EVERY PHYSIQUE QUANTITY doit être défini par l'opération de mesure OR par des relations mathématiques avec d'autres grandeurs physiques qui sont déjà définies par des opérations de mesures. C'est-à-dire qu'il faut savoir mesurer une quantité physique (directement ou indirectement).

Par exemple, nous définissons la vitesse comme une dérivée temporelle du vecteur de position, et cela n'a de sens que si nous savons comment mesurer le temps et la longueur.

Le temps est "défini" comme la mesure d'une horloge spécifique (qui a des propriétés spécifiques de toutes les manières indépendantes du temps - nous ne pouvons pas dire que notre horloge spécifique, que nous voulons utiliser comme instrument de mesure du temps, doit avoir des propriétés de ticking après même intervalle TIME). Nous appelons un tick de notre horloge spécifique une seconde. Ensuite, la durée d'un processus que nous observons est mesurée en comptant le tic-tac de notre horloge. N cocher signifie que le processus a duré N secondes. Bien sûr, si ce processus ne s'est pas produit au même endroit, nous devons utiliser plus d'une même horloge spécifique (c'est-à-dire ayant les mêmes propriétés) . Nous devons utiliser deux horloges, mais ensuite les horloges doivent être synchronisées (par une procédure définie, par exemple en utilisant des signaux lumineux). Je veux simplement ajouter que ce que j'ai dit ne signifie pas que chaque laboratoire devrait avoir les mêmes horloges spécifiques. Nous venons de définir le temps de cette façon. Une fois que nous l'avons fait, nous utilisons une autre horloge et la comparons avec notre horloge spécifique. Si leur ticking correspond, nous pouvons également utiliser une autre horloge pour mesurer le temps et ainsi de suite.

La longueur est définie de la même manière. Nous prenons un bâton que nous appelons un mètre. Ce bâton ne peut pas avoir la propriété d'être de longueur constante (c'est-à-dire rigide) parce que nous voulons définir la longueur à l'aide de ce bâton (nous ne voulons pas de définitions circulaires), donc nous voulons que notre bâton ait des propriétés spécifiques indépendantes de la longueur (nous voulons qu'il soit à la même pression, température, etc.). Ensuite, la longueur d'un objet est la quantité de nos bâtons spécifiques que nous avons entre les points de fin de cet objet (nous devons savoir comment nous attachons nos bâtons les uns aux autres, c'est-à-dire ce qui est une ligne droite et nous devons également savoir simultanément où se trouvent les points de fin, mais je le fais Je ne veux pas parler davantage de l’espace-temps). Supposons que nous ayons N bâtons dont la longueur est de N mètre. Une fois que nous avons défini la procédure, nous pouvons utiliser d'autres bâtons ou méthodes pour mesurer la longueur à condition qu'ils donnent les mêmes résultats que notre bâton spécifique (que nous pouvons vérifier par comparaison).

LAWS OF PHYSICS sont des relations mathématiques entre grandeurs physiques et on les découvre par méthode d'observations (empiriquement). La loi est correcte si notre expérience le dit. Si je ne peux pas expérimentalement (je néglige ici les problèmes de technologie) vérifier un énoncé mathématique, alors cet énoncé n'est rien de plus qu'une expression mathématique, ce n'est pas une loi physique.

Ainsi, la masse, en tant que quantité physique, est définie par la mesure. Nous avons une balance spécifique et un objet spécifique que nous appelons un kilogramme. Nous mettons un autre objet que nous voulons mesurer sur une plaque de balance et comptons combien nos objets spécifiques nous devons mettre sur l'autre plaque pour que la balance soit équilibrée. Nous avons compté N, donc notre objet a une masse de N kilogrammes. Nous pouvons vérifier que la masse est une quantité additive, c'est-à-dire que si nous mettons deux mêmes objets, nous voyons que la masse est de 2N kilogrammes etc. Nous pouvons mesurer la masse en utilisant différents appareils à condition qu'ils donnent le même résultat que notre premier appareil (que nous avons utilisé pour la définition de Masse).

La même histoire est appliquée lorsque nous voulons mesurer la force. Nous définissons un Newton, la procédure de mesure, etc. Nous vérifions que la force est vectorielle, trouvons d'autres moyens de mesurer la force (il suffit qu'ils correspondent à notre premier chemin).

Le momentum est défini comme le produit de la masse et de la vitesse et est mesuré indirectement.

Maintenant que nous savons comment la masse et la force sont mesurées, nous pouvons explorer plus avant leurs propriétés, c'est-à-dire que nous pouvons maintenant rechercher une loi (relations mathématiques) reliant les quantités de masse et de force. Et nous avons trouvé à travers des observations que F = m a et maintenant nous pouvons interpréter la masse comme une mesure de l'inertie du corps et de la force comme à quel point nous pousserions ou tirerions un corps, mais ce n'est pas la définition de la masse et de la force. Si nous définissons la force comme F = m a, alors cette relation n'est pas une loi physique et nous ne savons pas encore rien sur la force attendons qu'elle soit calculée comme le produit de la masse et de l'accélération. Bien sûr, nous avons défini la masse et la force pour qu'elles soient liées d'une manière ou d'une autre parce que nous expérimentons cette loi de Newton quotidiennement et nous connaissons déjà certaines propriétés que nous voulons que la force et la masse aient.

"Le développement de la physique est progressif, et à mesure que les théories du monde extérieur se cristallisent, nous avons souvent tendance à remplacer les grandeurs physiques élémentaires définies par les opérations de mesure par des grandeurs théoriques considérées comme ayant une signification plus fondamentale dans le monde extérieur. Ainsi la vis viva m v v, qui est immédiatement déterminable par l'expérience, est remplacée par une énergie généralisée, virtuellement définie en ayant une propriété de conservation; et notre problème s'inverse - nous n'avons pas à découvrir les propriétés de la chose que nous avons reconnues dans la nature, mais à découvrir comment reconnaître dans la nature une chose dont nous avons attribué les propriétés. " - Arthur Stanley Eddington - Théorie mathématique de la relativité

La conservation de l'élan devient alors prouvable expérimentalement.Si nous définissons la masse par conservation de la quantité de mouvement (en mesurant le rapport des accélérations de deux corps isolés et en appelant un corps à 1 kg), alors nous ne pouvons pas vérifier si la conservation de la quantité de mouvement est vraie, car ce ne serait pas une loi, mais une définition de la masse.

LES LOIS NEWTON SONT DES LOIS!

La première loi de Newton est la plus compliquée, car il est difficile de savoir si notre système est réellement inertiel ou non (la théorie générale de la relativité explique magnifiquement ce problème).Mais nous pouvons, comme Newton l'a fait à l'origine, dire que les étoiles distantes sont un système inertiel et que chaque système en mouvement uniforme par rapport à elles est également inertiel et que les deuxième et troisième lois sont correctes.

La réponse de "joshphysics" est logiquement précise, mais physiquement fausse.

À mon avis, cette réponse est * très * proche.Je suis complètement d'accord avec la première partie sur la mesure.Il faut juste plus d'illustrations sur la façon dont nous * savions * que $ F = ma $.
La question importante est de savoir s'il y a quelque chose avec lequel vous n'êtes pas d'accord (Pensez-vous que j'ai écrit quelque chose de mal?).Je n'ai pas dit que nous savions juste que F = ma, nous l'avons découvert expérimentalement, mais vous avez peut-être raison de dire que j'aurais dû écrire plus à ce sujet.
Non, je ne pense pas qu'il y ait quelque chose qui cloche dans votre réponse, j'ai bien aimé.
Timaeus
2014-12-29 06:57:07 UTC
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La loi de Newton s'ajoute aux lois de la force et de la masse.

La loi de la masse de Newton, les changements de masse sont provoqués proportionnellement aux changements de densité et aux changements de quantité de matière (cela pourrait aussi être paraphrasé mal).

Lois de force (il y en a beaucoup, des pour la gravité, des pour les ressorts, etc.)

La troisième loi du mouvement de Newton contraint les lois de force que vous considérez (effectivement utiliser / considérer des lois de force qui conservent l'élan).

La deuxième loi de mouvement de Newton transforme ces lois de force en prédictions sur le mouvement, permettant ainsi de tester les lois de force, et pas seulement de les éliminer pour avoir violé la conservation de l'élan. Cela fonctionne parce qu'il postule que nous pouvons tester les lois de force en utilisant le calcul, puis en regardant la prédiction des solutions aux équations différentielles du second ordre.

La première loi du mouvement de Newton exclut alors certaines solutions que la deuxième loi permettait. Je ne dis pas qu'historiquement Newton le savait, mais c'est possible (voir Non-unicité dans les solutions de l'équation de mouvement de Newton par Abhishek Dhar Am. J. Phys. 61, 58 (1993); http: // dx .doi.org / 10.1119 / 1.17411) pour avoir des solutions à F = ma qui violent la première loi de Newton. Donc, ajouter la première loi dit de rejeter ces solutions.

En résumé: la troisième loi contraint les forces à prendre en compte, la seconde fait des prédictions pour que vous puissiez tester les lois des forces, et la première contraint le (aussi beaucoup?) que la deuxième loi permet. Ils ont tous un but, ils font tous quelque chose.

Et vous devez d'abord avoir des lois de masse et / ou des lois des forces avant que les lois du mouvement de Newton ne signifient quoi que ce soit.



Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 3.0 sous laquelle il est distribué.
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