Pierwsze prawo Newtona: wyjaśnienie i wzory, eksperymenty i ćwiczenia

Pierwsze prawo Newtona, znane również jako prawo bezwładności, zostało po raz pierwszy zaproponowane przez Izaaka Newtona, fizyka, matematyka, filozofa, teologa, wynalazcę i angielskiego alchemika. Prawo stwierdza, co następuje: „ Jeśli obiekt nie jest poddawany żadnej sile lub siły działające na niego znoszą się nawzajem, to będzie on nadal poruszał się ze stałą prędkością w linii prostej”.

W tym stwierdzeniu słowo kluczowe jest kontynuowane. Jeśli przesłanki prawa zostaną spełnione, wówczas obiekt będzie kontynuował swój ruch tak, jak był. Chyba że pojawi się niezrównoważona siła i zmieni stan ruchu.

Oznacza to, że jeśli obiekt jest w stanie spoczynku, będzie nadal spoczywać, chyba że siła wyciągnie go z tego stanu. Oznacza to również, że jeśli obiekt porusza się ze stałą prędkością w kierunku prostym, będzie nadal poruszał się w ten sposób. Zmieni się tylko wtedy, gdy zewnętrzny czynnik wywiera na niego siłę i zmienia jego prędkość.

Tło prawa

Isaac Newton urodził się w Woolsthorpe Manor (Wielka Brytania) 4 stycznia 1643 roku i zmarł w Londynie w 1727 roku.

Dokładna data, w której Sir Isaac Newton odkrył swoje trzy prawa dynamiki, w tym pierwsze prawo, nie jest znana z całą pewnością. Wiadomo jednak, że na długo przed opublikowaniem słynnej książki Mathematical Principles of Natural Philosophy, 5 lipca 1687 roku.

Słownik hiszpańskiej Akademii Królewskiej określa słowo bezwładność w ten sposób:

„ Własność ciał, aby utrzymać ich stan spoczynku lub ruchu, jeśli nie jest to spowodowane działaniem siły ”.

Termin ten jest również używany do stwierdzenia, że ​​każda sytuacja pozostaje niezmieniona, ponieważ nie podjęto żadnego wysiłku, aby ją osiągnąć, dlatego czasami słowo bezwładność ma konotację rutyny lub lenistwa.

Wizja przednewtonowska

Przed Newtonem dominowały idee wielkiego greckiego filozofa Arystotelesa, który twierdził, że aby obiekt mógł być w ruchu, konieczne jest działanie siły. Gdy siła ustanie, tak samo będzie z ruchem. Nie tak, ale nawet dzisiaj wielu tak myśli.

Galileo Galilei, genialny astronom i włoski fizyk, który żył w latach 1564–1642, eksperymentował i analizował ruch ciał.

Jedną z obserwacji Galileusza było to, że ciało, które ślizga się po gładkiej i wypolerowanej powierzchni z pewnym początkowym impulsem, zatrzymuje się dłużej i ma bardziej prostoliniową podróż, ponieważ tarcie między ciałem a powierzchnią jest mniejsze.

Jest oczywiste, że Galileusz zajmował się ideą bezwładności, ale nie sformułował stwierdzenia tak precyzyjnego jak Newton.

Poniżej proponujemy kilka prostych eksperymentów, które czytelnik może przeprowadzić i potwierdzić wyniki. Obserwacje będą również analizowane zgodnie z arystotelesowską wizją ruchu i wizją newtonowską.

Eksperymenty na temat bezwładności

Eksperyment 1

Pudełko jest popychane na podłodze, a następnie siła napędowa zostaje zawieszona. Zauważamy, że skrzynka przemieszcza się na niewielką odległość, aż się zatrzyma.

Interpretuj poprzedni eksperyment i jego wynik w ramach teorii przed Newtonem, a następnie zgodnie z pierwszym prawem.

W wizji Arystotelesa wyjaśnienie było bardzo jasne: pole zostało zatrzymane, ponieważ siła, która go poruszyła, została zawieszona.

W widoku newtonowskim pudełko na podłodze nie może poruszać się z prędkością, jaką miała w momencie zawieszenia siły, ponieważ między podłogą a pudełkiem występuje niezrównoważona siła, która powoduje zmniejszenie prędkości, aż pudełko zatrzymuje się. Chodzi o siłę tarcia.

W tym eksperymencie przesłanki pierwszego prawa Newtona nie są spełnione, dlatego pole zostało zatrzymane.

Eksperyment 2

Ponownie chodzi o pudełko na podłodze / podłodze. W tej możliwości siła jest utrzymywana na skrzynce w taki sposób, aby skompensować lub zrównoważyć siłę tarcia. Dzieje się tak, gdy osiągniemy, że pudełko będzie kontynuowane ze stałą prędkością iw kierunku prostym.

Eksperyment ten nie zaprzecza arystotelesowskiej wizji ruchu: pudełko porusza się ze stałą prędkością, ponieważ wywiera na niego siłę.

Nie przeczy to również podejściu Newtona, ponieważ wszystkie siły działające na skrzynię są zrównoważone. Zobaczmy:

• W kierunku poziomym siła wywierana na skrzynkę jest równa iw kierunku przeciwnym do siły tarcia między pudełkiem a podłogą.
• Wtedy siła netto w kierunku poziomym wynosi zero, dlatego skrzynka utrzymuje swoją prędkość i kierunek.

Również w kierunku pionowym siły są zrównoważone, ponieważ ciężar pudełka, który jest siłą skierowaną pionowo w dół, jest dokładnie kompensowany siłą kontaktową (lub normalną), jaką podłoga wywiera na skrzynkę pionowo w górę.

Przy okazji, ciężar pudła wynika z grawitacyjnego przyciągania Ziemi.

Eksperyment 3

Kontynuujemy z pudełkiem spoczywającym na podłodze. W kierunku pionowym siły są zrównoważone, to znaczy siła pionowa netto wynosi zero. Z pewnością byłoby zaskakujące, że pudełko przesunęło się w górę. Ale w kierunku poziomym występuje siła tarcia.

Aby spełnić przesłankę pierwszego prawa Newtona, musimy zmniejszyć tarcie do jego minimalnego wyrazu. Możemy to osiągnąć w dość przybliżony sposób, jeśli szukamy bardzo gładkiej powierzchni, na którą natryskiwamy olej silikonowy.

Ponieważ olej silikonowy zmniejsza tarcie do prawie zera, to po zwolnieniu tego pudełka poziomo zachowuje swoją prędkość i kierunek przez długi czas.

To samo zjawisko, które ma miejsce w przypadku łyżwiarza na lodowisku lub krążka do hokeja na lodzie, gdy jeżdżą i puszczają się sami.

W opisanych sytuacjach, w których tarcie jest zredukowane do prawie zera, siła wynikająca z tego jest praktycznie zerowa, a obiekt utrzymuje swoją prędkość, zgodnie z pierwszym prawem Newtona.

W ujęciu Arystotelesa nie może się to zdarzyć, ponieważ zgodnie z tą naiwną teorią ruch zachodzi tylko wtedy, gdy na obiekt w ruchu działa siła netto.

Wyjaśnienie pierwszego prawa Newtona

Bezwładność i masa

Masa jest wielkością fizyczną, która wskazuje ilość materii, która zawiera ciało lub przedmiot.

Msza jest więc nieodłączną właściwością materii. Ale materia składa się z atomów, które mają masę. Masa atomu koncentruje się w jądrze. To protony i neutrony jądra praktycznie określają masę atomu i materii.

Masa jest zwykle mierzona w kilogramach (kg), jest podstawową jednostką międzynarodowego systemu jednostek (SI).

Prototyp lub odniesienie kg to cylinder z platyny i irydu, który jest przechowywany w Międzynarodowym Biurze Miar i Wag w Sèvres we Francji, chociaż w 2018 r. Był powiązany ze stałą Plancka i nowa definicja wchodzi w życie z dniem 20 maja 2019 r

Cóż, zdarza się, że bezwładność i masa są ze sobą powiązane. Im większa masa, tym większa bezwładność obiektu. Zmiana stanu ruchu obiektu masywniejszego niż mniej masywnego jest znacznie trudniejsza lub bardziej kosztowna.

Przykład

Na przykład potrzebna jest znacznie większa siła i znacznie więcej pracy, aby uzyskać pudełko o wadze jednej tony (1000 kg) z reszty niż kilogram (1 kg). Dlatego często mówi się, że pierwszy ma większą bezwładność niż druga.

Ze względu na związek między bezwładnością i masą Newton zdał sobie sprawę, że sama prędkość nie jest reprezentatywna dla stanu ruchu. Dlatego zdefiniował wielkość znaną jako pęd lub pęd, która jest oznaczona literą p i jest iloczynem masy m razy prędkości v :

p = m v

Pogrubione litery w p i v wskazują, że są to wielkości wektorów fizycznych, to znaczy są wielkościami o wielkości, kierunku i sensie.

Zamiast tego masa m jest wielkością skalarną, do której przypisana jest liczba, która może być większa lub równa zero, ale nigdy ujemna. Do chwili obecnej w znanym wszechświecie nie znaleziono żadnego obiektu o ujemnej masie.

Newton wziął swoją wyobraźnię i abstrakcję do granic możliwości, definiując tak zwaną wolną cząstkę . Cząstka jest punktem materialnym. Oznacza to, że jest jak punkt matematyczny, ale z masą:

Wolna cząstka jest tą cząstką, która jest tak odizolowana, tak daleko od innego obiektu we wszechświecie, że nic nie może oddziaływać na nią ani oddziaływać na nią.

Później Newton zdefiniował inercyjne systemy odniesienia, które będą tymi, w których stosowane są jego trzy prawa ruchu. Oto definicje zgodne z tymi pojęciami:

Referencyjny system inercyjny

Każdy układ współrzędnych połączony z wolną cząstką lub poruszający się ze stałą prędkością w stosunku do wolnej cząstki będzie układem odniesienia inercyjnego.

Pierwsze prawo Newtona (prawo bezwładności)

Jeśli cząstka jest wolna, to ma stały ruch w odniesieniu do bezwładnościowego układu odniesienia.

Rozwiązane ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Krążek hokejowy o wadze 160 gramów idzie na lodowisko z prędkością 3 km / h. Znajdź ilość ruchu.

Rozwiązanie

Masa dysku w kilogramach wynosi: m = 0, 160 kg.

Prędkość w metrach na sekundę: v = (3 / 3, 6) m / s = 0, 8333 m / s

Pęd lub pęd p oblicza się w następujący sposób: p = m * v = 0.1333 kg * m / s,

Ćwiczenie 2

Tarcie w przedniej tarczy jest uważane za zerowe, dlatego pęd jest zachowany, podczas gdy nic nie zmienia prostego przebiegu dysku. Wiadomo jednak, że na dysk działają dwie siły: ciężar tarczy i siła kontaktu lub normalna, jaką wywiera na nią podłoga.

Oblicz wartość siły normalnej w niutonach i jej kierunek.

Rozwiązanie

Ponieważ pęd jest zachowany, siła wynikająca z krążka hokejowego musi wynosić zero. Ciężar wskazuje pionowo w dół i obowiązuje: P = m * g = 0, 16 kg * 9, 81 m / s²

Normalna siła musi koniecznie przeciwdziałać masie, więc musi być skierowana pionowo w górę, a jej wielkość wyniesie 1, 57 N.

Interesy

Przykłady prawa Newtona w prawdziwym życiu.