Praktičen uvod v Newtonove tri zakone gibanja

Vsak zakon gibanja, ki ga je razvil Newton, ima pomembne matematične in fizične razlage, ki so potrebne za razumevanje gibanja v našem vesolju. Uporaba teh zakonov gibanja je resnično neomejena.

Newtonovi zakoni v bistvu določajo načine, s katerimi se gibanje spreminja, natančneje način, kako so te spremembe gibanja povezane s silo in maso.

Sir Isaac Newton (1642-1727) je bil britanski fizik, ki ga je v mnogih pogledih mogoče obravnavati kot največjega fizika vseh časov. Čeprav so bili nekateri opozorilni predhodniki, na primer Arhimed, Kopernik in Galileo, Newton je resnično ponazoril metodo znanstvenega raziskovanja, ki bi bila sprejeta skozi vse starosti.

Skoraj stoletje Aristotelov opis fizičnega vesolja se je izkazalo za nezadostno za opis narave gibanja (ali gibanja narave, če hočete). Newton se je spopadel s težavo in pripravil tri splošna pravila o gibanju predmetov, ki so jih poimenovali "Newtonovi trije zakoni gibanja".

Newton je leta 1687 v svoji knjigi "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica" predstavil tri zakone. Načela naravoslovne filozofije), ki se na splošno imenuje "Principia". Tu je tudi predstavil njegovo

• Newtonov prvi zakon o gibanju določa, da mora za spremembo gibanja predmeta nanj delovati sila. To je koncept, ki se običajno imenuje inercija.
• Newtonov drugi zakon o gibanju določa razmerje med pospeševanjem, silo in maso.
• Newtonov tretji zakon o gibanju določa, da kadarkoli sila deluje iz enega predmeta na drugega, na prvotni objekt deluje enaka sila. Če vrv povlečete, torej vrv povleče tudi na vas.

• Prosti telesni diagrami so sredstva, s katerimi lahko sledite različnim silam ki deluje na predmet in zato določite končni pospešek.
• Vektorska matematika se uporablja za sledenje smeri in velikosti vpletenih sil in pospeškov.
• Spremenljive enačbe se uporabljajo v kompleksnih fizika težave.

Vsako telo nadaljuje v stanju mirovanja ali enakomernega gibanja po ravni črti, razen če ga prisilijo, da spremeni to stanje s silami, ki so nanj vtisnjene.
- Newtonov prvi Zakon gibanja, prevedeno iz "Principia"

To se včasih imenuje zakon vztrajnosti ali zgolj vztrajnost. V bistvu ima naslednji dve točki:

• Predmet, ki se ne premika, se ne bo premikal, dokler ne silo deluje na to.
• Predmet, ki se giblje, ne bo spremenil hitrosti (ali se ustavil), dokler nanjo ne deluje sila.

Prva točka se zdi večini ljudi razmeroma očitna, druga pa bo morda nekoliko premislila. Vsi vedo, da se stvari ne premikajo večno. Če hokejski pak potegnem po mizi, se upočasni in se sčasoma ustavi. Toda po Newtonovih zakonih je to zato, ker na hokejski pak deluje sila, in med mizo in ploščo je zagotovo sila trenja. Ta sila trenja je v smeri, ki je nasprotna gibanju paka. Prav ta sila povzroči, da se predmet upočasni. Če takšne sile (ali navidezne odsotnosti) ni tako, kot na mizi za hokej na zraku ali drsališču, gibanje paka ni tako ovirano.

Tu je še en način, kako navesti Newtonov prvi zakon:

Telo, ki deluje brez sile, se giblje s konstantno hitrostjo (ki je lahko enaka nič) in nič pospešek.

Torej, brez čiste sile, predmet kar naprej počne to, kar počne. Pomembno je upoštevati besede neto sila. To pomeni, da morajo skupne sile na objekt sešteti nič. Predmet, ki sedi na mojem tleh, gravitacijsko silo potegne navzdol, obstaja pa tudi a normalna sila potisnite navzgor od tal, tako da je neto sila enaka nič. Zato se ne premakne.

Če se želite vrniti na primer hokejske plošče, razmislite o dveh osebah, ki sta zadeli hokejski pak natančno nasprotne strani na natančno isti čas in s natančno enaka sila. V tem redkem primeru se pak ne bi premaknil.

Ker sta tako hitrost kot sila vektorske količine, navodila so pomembna za ta postopek. Če sila (kot je gravitacija) na predmet deluje navzdol in ni navzgor sile, bo objekt dobil navpični pospešek navzdol. Vodoravna hitrost pa se ne bo spremenila.

Če vržem žogo z balkona z vodoravno hitrostjo 3 metre na sekundo, bo z vodoravno udarila ob tla hitrost 3 m / s (ne upoštevamo sile upora zraka), čeprav je gravitacija izvajala silo (in s tem pospešek) v navpični smeri. Če ne bi bilo gravitacije, bi žoga še naprej tekla po naravni črti... vsaj, dokler ne bi zadela sosedove hiše.

Pospešek, ki ga ustvarja določena sila, ki deluje na telo, je neposredno sorazmeren z velikostjo sile in obratno sorazmeren z maso telesa.
(Prevedeno iz "Principia")

Matematična formulacija drugega zakona je prikazana spodaj, s F ki predstavlja silo, m predstavljajo objekt maša in a predstavlja pospešek objekta.

∑​ F = ma

Ta formula je izredno uporabna v klasični mehaniki, saj omogoča neposredno prevajanje pospeška in sile, ki deluje na dano maso. Velik del klasične mehanike se na koncu razbije pri uporabi te formule v različnih okoliščinah.

Simbol sigma na levi strani pomeni, da je neto sila ali vsota vseh sil. Kot vektorske količine bo tudi smer neto sile v isti smeri kot pospešek. Enačbo lahko razbijete tudi navzdol x in y (in celo z) koordinate, zaradi katerih so lahko številne zapletene težave bolj obvladljive, še posebej, če svoj koordinatni sistem pravilno usmerite.

Opazili boste, da ko se sile sile na neki predmet seštejejo do nič, dosežemo stanje, določeno v Newtonovem prvem zakonu: neto pospešek mora biti enak nič. To vemo, ker imajo vsi predmeti maso (vsaj v klasični mehaniki). Če se predmet že premika, se bo še naprej stalno premikal hitrost, vendar se ta hitrost ne bo spremenila, dokler se ne uvede neto sila. Očitno se predmet v mirovanju sploh ne bo premikal brez čiste sile.

Škatla z maso 40 kg počiva na tleh brez trenja. Z nogo nanesete silo 20 N v vodoravni smeri. Kakšen je pospešek škatle?

Predmet je v mirovanju, tako da ni sile, razen sile, ki jo stopa noga. Trenje se odpravi. Prav tako je treba skrbeti le za eno smer sile. Torej je ta problem zelo preprost.

Težavo začnete z definiranjem svojega koordinatni sistem. Matematika je podobna:

F = m * a

F / m = ​a

20 N / 40 kg = a = 0,5 m / s2

Težave, ki temeljijo na tem zakonu, so dobesedno neskončne, s pomočjo formule določite katero koli od treh vrednosti, ko vam damo druga dva. Ko bodo sistemi postali bolj zapleteni, se boste naučili uporabljati sile trenja, gravitacijo, elektromagnetne silein druge veljavne sile na iste osnovne formule.

Na vsako dejanje vedno nasprotuje enakovredna reakcija; ali pa so medsebojna dejanja dveh teles drug na drugega vedno enaka in usmerjena v nasprotne dele.

(Prevedeno iz "Principia")

Tretji zakon si predstavljamo z ogledom dveh teles, A in B, ki medsebojno delujejo. Določimo FA kot sila, ki deluje na telo A po telesu B, in FA kot sila, ki deluje na telo B po telesu A. Te sile bodo enake velikosti in nasprotne smeri. V matematičnem smislu je izraženo kot:

FB = - FA

ali

FA + FB = 0

Vendar to ni isto, kot če ima neto sila nič nič. Če na prazno omarico, ki sedi na mizi, nanesete silo, bo čevljav na vas enak sili. Sprva se ne sliši pravilno - očitno pritiskate na škatlo in očitno ne pritiska na vas. Ne pozabite, da po Drugem Zakon, sila in pospeški so povezani, vendar niso enaki!

Ker je vaša masa veliko večja od mase škatle za čevlje, se zaradi sile, ki jo izvajate, pospeši stran od vas. Sila, ki jo izvaja na vas, sploh ne bi povzročila veliko pospeška.

Ne samo to, ampak medtem, ko pritiskate na konico prsta, se prst nato potisne nazaj v vaše telo, preostali del telesa pa se potisne nazaj proti s prstom in telo pritiska na stol ali tla (ali oboje), kar preprečuje gibanje telesa in omogoča, da se prst premika, da nadaljujete silo. Na škatli za čevlje ni ničesar, kar bi preprečilo premikanje.

Če pa škatla za čevlje sede ob steni in jo potisnete k steni, bo škatla za čevlje potisnila na steno in stena potisnila nazaj. V tem trenutku bo škatla za čevlje nehaj se premikati. Lahko ga poskusite močneje potisniti, vendar se bo škatla zlomila, preden bo šla skozi steno, ker ni dovolj močna, da bi zmogla toliko sile.

Večina ljudi je v nekem trenutku igrala vojno. Oseba ali skupina ljudi ponavadi prime za konce vrvi in ​​se na drugem koncu navadno poskuša vleči proti osebi ali skupini mimo nekega označevalca (včasih v blatno jamo v resnično zabavnih različicah), s čimer je dokazano, da je ena od skupin močnejša od drugo. Vse tri Newtonove zakone lahko vidimo v vojni.

Pogosto pride do točke, ko se nobena stran ne premakne. Obe strani se vlečeta z isto silo. Zato vrv ne pospešuje v nobeno smer. To je klasičen primer Newtonovega prvega zakona.

Ko se uporabi neto sila, na primer, ko se ena skupina začne vleči nekoliko močneje kot druga, se začne pospešek. Temu sledi drugi zakon. Skupina, ki izgubi tla, mora nato poskušati uveljaviti več silo. Ko začne neto sila iti v njihovo smer, pospeši v njihovo smer. Gibanje vrvi upočasni, dokler se ne ustavi, in če ohranijo večjo neto silo, se začne premikati nazaj v njihovo smer.

Tretji zakon je manj viden, vendar je še vedno prisoten. Ko povlečete po vrvi, lahko čutite, da se vrv vleče tudi na vas in vas skuša premakniti proti drugemu koncu. Noge zasadite trdno v tla, tla pa vas dejansko potisnejo nazaj in vam pomagajo, da se uprete vlečenju vrvi.

Ko boste naslednjič igrali ali gledali igro vozovnice - ali katerega koli športa - pomislite na vse sile in pospeške pri delu. Resnično impresivno je spoznati, da lahko razumete fizične zakone, ki delujejo med vašim najljubšim športom.