O introducere practică în cele 3 legi ale mișcării lui Newton

Fiecare lege a mișcării dezvoltată de Newton are interpretări matematice și fizice semnificative care sunt necesare pentru a înțelege mișcarea din universul nostru. Aplicațiile acestor legi ale mișcării sunt cu adevărat nelimitate.

În esență, legile lui Newton definesc mijloacele prin care se schimbă mișcarea, în special modul în care acele schimbări în mișcare sunt legate de forță și masă.

Sir Isaac Newton (1642-1727) a fost un fizician britanic care, în multe privințe, poate fi privit ca cel mai mare fizician din toate timpurile. Deși au existat unii predecesori ai notei, precum Arhimede, Copernic și Galileo, Newton a exemplificat cu adevărat metoda anchetei științifice care va fi adoptată de-a lungul veacurilor.

De aproape un secol, Descrierea lui Aristotel a universului fizic se dovedise a fi inadecvat pentru a descrie natura mișcării (sau mișcarea naturii, dacă vrei). Newton a abordat problema și a venit cu trei reguli generale privind mișcarea obiectelor care au fost supranumite „cele trei legi ale mișcării”.

În 1687, Newton a introdus cele trei legi în cartea sa „Philosophiae Naturalis Principia Mathematica” (Matematica Principiile filozofiei naturale), care este denumită în general „Principia”. Aici a prezentat și el a lui teoria gravitației universale, punând astfel întregul fundament al mecanicii clasice într-un singur volum.

• Prima lege a mișcării din Newton afirmă că, pentru ca mișcarea unui obiect să se schimbe, o forță trebuie să acționeze asupra sa. Acesta este un concept numit în general inerție.
• A doua lege a mișcării Newton definește relația dintre accelerație, forță și masă.
• A treia lege a mișcării din Newton afirmă că de fiecare dată când o forță acționează de la un obiect la altul, există o forță egală care acționează înapoi asupra obiectului inițial. Prin urmare, dacă trageți de o frânghie, frânghia se trage și înapoi.

• Diagramele libere ale corpului sunt mijloacele prin care puteți urmări diferitele forțe acționând asupra unui obiect și, prin urmare, determinați accelerația finală.
• Vectorul matematic este folosit pentru a urmări direcțiile și mărimile forțelor și accelerațiilor implicate.
• Ecuații variabile sunt utilizate în complex fizică Probleme.

Fiecare corp continuă în starea de repaus sau în mișcare uniformă în linie dreaptă, cu excepția cazului în care este obligat să schimbe starea respectivă prin forțe impresionate de el.
- Newton e primul Legea mișcării, tradus din „Principia”

Aceasta este uneori numită Legea inerției sau doar inerția. În esență, face următoarele două puncte:

• Un obiect care nu se mișcă nu se va mișca până la forta acționează asupra sa.
• Un obiect care este în mișcare nu va schimba viteza (sau oprirea) până când o forță nu acționează asupra sa.

Primul punct pare relativ evident pentru majoritatea oamenilor, dar cel de-al doilea poate trece prin gândire. Toată lumea știe că lucrurile nu continuă să se miște pentru totdeauna. Dacă glisez un puc de hochei de-a lungul unei mese, acesta încetinește și, în cele din urmă, se oprește. Dar în conformitate cu legile lui Newton, acest lucru se datorează faptului că o forță acționează asupra pucului de hochei și, cu siguranță, există o forță de frecare între masă și puc. Acea forță de frecare se află în direcția opusă mișcării pucului. Această forță este cea care face ca obiectul să încetinească. În absența (sau absența virtuală) a unei astfel de forțe, ca pe o masă de hochei aeriene sau patinoar, mișcarea pucului nu este la fel de împiedicată.

Iată un alt mod de a afirma prima lege a lui Newton:

Un corp care este acționat de nicio forță netă se mișcă la o viteză constantă (care poate fi zero) și zero accelerare.

Deci, fără forță netă, obiectul continuă să facă ceea ce face. Este important să notăm cuvintele forta neta. Aceasta înseamnă că forțele totale asupra obiectului trebuie să se ridice până la zero. Un obiect care stă pe podeaua mea are o forță gravitațională care o trage în jos, dar există și un Forta normala împingând în sus de la podea, astfel încât forța netă este zero. Prin urmare, nu se mișcă.

Pentru a reveni la exemplul de pui de hochei, luați în considerare două persoane care au lovit pucul de hochei exact laturi opuse la exact în același timp și cu exact forță identică. În acest caz rar, pucul nu s-ar mișca.

Deoarece atât viteza, cât și forța sunt cantități vectoriale, direcțiile sunt importante pentru acest proces. Dacă o forță (cum ar fi gravitația) acționează în jos asupra unui obiect și nu există o forță ascendentă, obiectul va obține o accelerație verticală în jos. Viteza orizontală nu se va schimba însă.

Dacă arunc o minge de pe balconul meu cu o viteză orizontală de 3 metri pe secundă, aceasta va lovi solul cu o orizontală viteză de 3 m / s (ignorând forța rezistenței aerului), chiar dacă gravitația a exercitat o forță (și deci o accelerare) în direcția verticală. Dacă nu ar fi pentru gravitație, mingea ar fi continuat să meargă în linie dreaptă... cel puțin până când a lovit casa vecinului meu.

Accelerația produsă de o anumită forță care acționează asupra unui corp este direct proporțională cu mărimea forței și invers proporțională cu masa corpului.
(Tradus din „Principia”)

Formularea matematică a celei de-a doua legi este prezentată mai jos, cu F reprezentând forța, m reprezentând obiectul masa și A reprezentând accelerarea obiectului.

∑​ F = ma

Această formulă este extrem de utilă în mecanica clasică, deoarece oferă un mijloc de traducere directă între accelerație și forța care acționează asupra unei mase date. O mare parte din mecanica clasică se descompun în cele din urmă în aplicarea acestei formule în diferite contexte.

Simbolul sigma din stânga forței indică faptul că este forța netă sau suma tuturor forțelor. Ca cantități vectoriale, direcția forței nete va fi, de asemenea, în aceeași direcție cu accelerația. De asemenea, puteți descompune ecuația în X și y (și chiar z) coordonate, ceea ce poate face ca multe probleme elaborate să fie mai ușor de gestionat, mai ales dacă vă orientați corect sistemul de coordonate.

Veți observa că atunci când forțele nete asupra unui obiect însumează până la zero, realizăm starea definită în Legea întâi a lui Newton: accelerația netă trebuie să fie zero. Știm acest lucru deoarece toate obiectele au masă (cel puțin în mecanica clasică). Dacă obiectul este deja în mișcare, acesta va continua să se miște în mod constant viteză, dar această viteză nu se va schimba până când nu va fi introdusă o forță netă. Evident, un obiect în repaus nu se va mișca deloc fără o forță netă.

O cutie cu o masă de 40 kg stă în repaus pe o podea de gresie. Cu piciorul, aplicați o forță de 20 N într-o direcție orizontală. Care este accelerația cutiei?

Obiectul este în repaus, deci nu există forță netă, cu excepția forței pe care o aplicați piciorul. Fricțiunea este eliminată. De asemenea, există o singură direcție de forță de care să vă faceți griji. Deci această problemă este foarte simplă.

Începeți problema prin definirea dvs. sistem de coordonate. Matematica este la fel de simplă:

F = m * A

F / m = ​A

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

Problemele bazate pe această lege sunt literalmente interminabile, folosind formula pentru a determina oricare dintre cele trei valori atunci când vi se oferă celelalte două. Pe măsură ce sistemele devin mai complexe, veți învăța să aplicați forțe de frecare, gravitație, forțe electromagneticeși alte forțe aplicabile acelorași formule de bază.

La fiecare acțiune se opune întotdeauna o reacție egală; sau, acțiunile reciproce ale două corpuri unul asupra celuilalt sunt întotdeauna egale și îndreptate către părți contrare.

(Tradus din „Principia”)

Reprezentăm a treia lege, analizând două corpuri, A și B, care interacționează. Definim FA ca forță aplicată corpului A de corp B, și FA ca forță aplicată corpului B de corp A. Aceste forțe vor fi egale ca mărime și opuse în direcție. În termeni matematici, se exprimă astfel:

pensiune completă = - FA

sau

FA + pensiune completă = 0

Nu este totuși același lucru cu o forță netă de zero. Dacă aplicați o forță unei cutii de pantofi goale, așezate pe o masă, cutia de pantofi aplică o forță egală înapoi. La început, acest lucru nu sună bine - vă împingeți în mod evident pe cutie și, evident, nu vă împingeți asupra voastră. Amintiți-vă că în conformitate cu al doilea Lege, forța și accelerația sunt legate, dar nu sunt identice!

Deoarece masa dvs. este mult mai mare decât masa cutiei de încălțăminte, forța pe care o exercitați face ca ea să accelereze departe de voi. Forța pe care o exercită asupra ta nu ar provoca deloc multă accelerație.

Nu numai asta, dar în timp ce se împinge pe vârful degetului, degetul, la rândul său, se împinge înapoi în corp, iar restul corpului se împinge înapoi împotriva degetul, iar corpul tău se împinge pe scaun sau pe podea (sau pe ambele), toate acestea împiedicând corpul să se miște și vă permite să mențineți degetul în mișcare pentru a continua forta. Nimic nu împinge înapoi pe cutia de pantofi pentru a opri deplasarea.

Dacă totuși, cutia de încălțăminte este așezată lângă un perete și o împingeți spre perete, cutia de încălțăminte se va împinge pe perete și peretele se va împinge înapoi. În acest moment, cutia de încălțăminte va nu te mai misca. Puteți încerca să o împingeți mai tare, dar cutia se va sparge înainte de a trece prin perete, deoarece nu este suficient de puternică pentru a face față atât de multă forță.

Cei mai mulți oameni au jucat la un moment dat remorcherul. O persoană sau un grup de oameni apucă capetele unei frânghii și încearcă să tragă împotriva persoanei sau grupului de la celălalt capăt, de obicei trecut de un marker (uneori într-o groapă de noroi în versiuni cu adevărat distractive), dovedind astfel că unul dintre grupuri este mai puternic decât alte. Toate cele trei Legi ale lui Newton pot fi văzute într-un remorcher de război.

Există frecvent un punct într-un remorc de război când nici o parte nu se mișcă. Ambele părți trag cu aceeași forță. Prin urmare, funia nu accelerează în nici o direcție. Acesta este un exemplu clasic al primei legi a lui Newton.

Odată aplicată o forță netă, cum ar fi atunci când un grup începe să tragă un pic mai greu decât celălalt, începe o accelerație. Aceasta urmează a doua lege. Grupul care pierde teren trebuie apoi să încerce să exercite Mai Mult forta. Când forța netă începe să meargă în direcția lor, accelerația este în direcția lor. Mișcarea frânghiei încetinește până se oprește și, dacă mențin o forță netă mai mare, începe să se miște înapoi în direcția lor.

A treia lege este mai puțin vizibilă, dar este încă prezentă. Când trageți pe frânghie, puteți simți că frânghia se trage și asupra voastră, încercând să vă mute spre celălalt capăt. Plantezi picioarele ferm în pământ, iar pământul se împinge înapoi asupra ta, ajutându-te să reziste la tracțiunea frânghiei.

Data viitoare când joci sau urmărești un joc de remorcher - sau orice sport, pentru asta, gândește-te la toate forțele și accelerațiile la locul de muncă. Este cu adevărat impresionant să vă dați seama că puteți înțelege legile fizice care sunt în acțiune în timpul sportului preferat.