Newtonovy první zákonité vzorce, experimenty a cvičení

3465
Basil Manning

The Newtonův první zákon, také známý jako zákon setrvačnosti, Poprvé to navrhl anglický fyzik, matematik, filozof, teolog, vynálezce a alchymista Isaac Newton. Tento zákon stanoví: „Pokud objekt není vystaven žádné síle nebo pokud se síly působící na něj navzájem ruší, bude se i nadále pohybovat konstantní rychlostí po přímce. “

V tomto prohlášení je klíčové slovo pokračování příště. Jsou-li splněny předpoklady zákona, bude objekt pokračovat ve svém pohybu, jaký měl. Pokud se neobjeví nevyvážená síla a nezmění stav pohybu.

Vysvětlení prvního Newtonova zákona. Zdroj: vlastní výroba.

To znamená, že pokud je objekt v klidu, bude pokračovat v odpočinku, kromě případů, kdy jej z tohoto stavu vyvede síla. Znamená to také, že pokud se objekt pohybuje pevnou rychlostí přímým směrem, bude se tímto způsobem pohybovat i nadále. Změní se to pouze tehdy, když na něj nějaký externí agent působí silou a změní svou rychlost..

Rejstřík článků

  • 1 Souvislosti práva
  • 2 Pre-Newtonovský pohled
  • 3 Experimenty se setrvačností
    • 3.1 Pokus 1
    • 3.2 Pokus 2 
    • 3.3 Pokus 3
  • 4 Vysvětlení prvního Newtonova zákona
    • 4.1 Setrvačnost a hmotnost
    • 4.2 Příklad
    • 4.3 Inerciální referenční systém
    • 4.4 Newtonův první zákon (zákon setrvačnosti)
  • 5 Cvičení vyřešena
    • 5.1 Cvičení 1
    • 5.2 Cvičení 2
  • 6 Články zájmu
  • 7 Reference

Souvislosti práva

Isaac Newton se narodil 4. ledna 1643 ve Woolsthorpe Manor (Velká Británie) a zemřel v Londýně v roce 1727.

Přesné datum, kdy Sir Isaac Newton objevil své tři zákony dynamiky, včetně prvního zákona, není s jistotou známo. Je však známo, že to bylo dávno před vydáním slavné knihy Matematické principy přírodní filozofie, 5. července 1687.

Slovník Královské španělské akademie definuje slovo setrvačnost následovně:

"Vlastnost těl k udržení jejich stavu odpočinku nebo pohybu, pokud ne působením síly".

Tento termín se také používá k potvrzení, že jakákoli situace zůstává nezměněna, protože nebylo vynaloženo žádné úsilí k jejímu dosažení, proto někdy má slovo setrvačnost konotaci rutiny nebo lenosti..

Pre-Newtonian pohled

Před Newtonem převládaly myšlenky velkého řeckého filozofa Aristotela, který uvedl, že aby se předmět mohl stále pohybovat, musí na něj působit síla. Když síla přestane, pak se také zastaví. Není to tak, ale i dnes si to mnozí myslí.

Galileo Galilei, brilantní italský astronom a fyzik, který žil v letech 1564 až 1642, experimentoval a analyzoval pohyb těl.

Jedním z pozorování Galileo bylo, že tělo, které klouže na hladkém a leštěném povrchu s určitým počátečním impulzem, trvá déle, než se zastaví, a má větší pohyb v přímce, protože tření mezi tělem a povrchem je menší.

Je evidentní, že Galileo zvládl myšlenku setrvačnosti, ale nepřišel formulovat tak přesné prohlášení jako Newton.

Níže navrhujeme několik jednoduchých experimentů, které může čtenář provést a potvrdit výsledky. Pozorování budou také analyzována podle aristotelské vize pohybu a newtonovské vize..

Setrvačné experimenty

Experiment 1

Na podlahu je poháněn box a poté je hnací síla pozastavena. Pozorujeme, že box cestuje krátkou cestou, dokud se nezastaví.

Interpretujme předchozí experiment a jeho výsledek v rámci teorií před Newtonem a poté podle prvního zákona.

V aristotelské vizi bylo vysvětlení velmi jasné: schránka se zastavila, protože síla, která ji pohnula, byla pozastavena.

V newtonovském pohledu se box na podlaze / zemi nemůže nadále pohybovat rychlostí, jakou měl v okamžiku, kdy byla síla pozastavena, protože mezi podlahou a boxem je nevyvážená síla, která způsobuje, že rychlost klesá, dokud box se zastaví. Jde o třecí sílu.

V tomto experimentu nejsou splněny podmínky prvního Newtonova zákona, a tak se pole zastavilo.

Experiment 2 

Opět je to box na podlaze / zemi. Při této příležitosti je síla na skříň udržována takovým způsobem, že kompenzuje nebo vyvažuje třecí sílu. To se stane, když přimíme box, aby sledoval konstantní rychlostí a přímým směrem.

Tento experiment není v rozporu s aristotelovským pohledem na pohyb: box se pohybuje konstantní rychlostí, protože na něj působí síla.

Také to není v rozporu s Newtonovým přístupem, protože všechny síly působící na skříň jsou vyvážené. Uvidíme:

  • Ve vodorovném směru je síla působící na skříň stejná a v opačném směru než třecí síla mezi skříní a podlahou.
  • Čistá síla ve vodorovném směru je tedy nulová, proto si box udržuje svoji rychlost a směr.

Rovněž ve vertikálním směru jsou síly vyvážené, protože hmotnost boxu, což je síla, která směřuje svisle dolů, je přesně kompenzována kontaktní (nebo normální) silou, kterou země působí na box svisle nahoru..

Mimochodem, váha krabice je způsobena gravitační přitažlivostí Země.

Pokus 3

Pokračujeme s krabicí položenou na podlaze. Ve svislém směru jsou síly vyvážené, to znamená, že čistá svislá síla je nulová. Bylo by jistě velmi překvapivé, kdyby se box posunul nahoru. Ale ve vodorovném směru je třecí síla.

Nyní, aby byla splněna premisa prvního Newtonova zákona, musíme snížit tření na jeho minimální vyjádření. Můžeme toho dosáhnout docela přibližným způsobem, pokud hledáme velmi hladký povrch, na který nastříkáme silikonový olej.

Vzhledem k tomu, že silikonový olej snižuje tření téměř na nulu, takže pokud je tento box hozen vodorovně, udrží si svoji rychlost a směr po dlouhou dobu.

Stejný jev nastává u bruslaře na kluzišti nebo u hokejového puku, když jsou poháněni a uvolňováni z vlastní vůle..

V popsaných situacích, ve kterých je tření sníženo téměř na nulu, je výsledná síla prakticky nulová a objekt si udržuje svou rychlost, podle prvního Newtonova zákona.

Podle aristotelovského pohledu se to nemohlo stát, protože podle této naivní teorie k pohybu dochází pouze tehdy, když na pohybující se objekt působí čistá síla..

Zamrzlý povrch lze považovat za velmi nízké tření. Zdroj: Pixabay.

Newtonovo první vysvětlení zákona

Setrvačnost a hmotnost

Hmotnost je fyzikální veličina, která udává množství hmoty, které tělo nebo předmět obsahuje.

Hmotnost je pak vnitřní vlastností hmoty. Hmotu však tvoří atomy, které mají hmotnost. Hmotnost atomu je koncentrována v jádru. Jsou to protony a neutrony jádra, které prakticky definují hmotnost atomu a hmoty..

Hmotnost se obecně měří v kilogramech (kg), jedná se o základní jednotku Mezinárodního systému jednotek (SI).

Prototypem nebo referencí v kg je platinový a iridiový válec, který je uložen v Mezinárodním úřadu pro míry a váhy ve francouzském Sèvres, ačkoli v roce 2018 byl spojen s Planckovou konstantou a nová definice vstoupila v platnost 20. května, 2019.

Stává se, že setrvačnost a hmotnost spolu souvisejí. Čím větší je hmotnost, tím větší setrvačnost má předmět. Je mnohem obtížnější nebo nákladnější z hlediska energie změnit stav pohybu hmotnějšího objektu než méně hmotného..

Příklad

Například zvednutí tonové (1000 kg) krabice z klidu vyžaduje mnohem více síly a mnohem více práce než krabici o hmotnosti 1 kg (1 kg). Proto se často říká, že první má větší setrvačnost než druhý.

Vzhledem ke vztahu mezi setrvačností a hmotou si Newton uvědomil, že samotná rychlost nereprezentuje stav pohybu. Proto definoval veličinu známou jako hybnost nebo hybnost který je označen písmenem p y je součin hmotnosti m pro rychlost proti:

 p = m proti

Tučně v p a v proti označují, že se jedná o vektorové fyzikální veličiny, to znamená, že jsou to veličiny s velikostí, směrem a smyslem.

Místo toho hmota m je skalární veličina, které je přiřazeno číslo, které může být větší nebo rovno nule, ale nikdy záporné. Doposud nebyl ve známém vesmíru nalezen žádný předmět záporné hmotnosti..

Newton vytáhl svou fantazii a abstrakci do extrému a definoval volání volná částice. Částice je hmotný bod. To znamená, že je to jako matematický bod, ale s hmotou:

Volná částice je ta částice, která je tak izolovaná, tak daleko od jiného objektu ve vesmíru, že na ni nemůže nic působit žádnou interakci nebo sílu.

Později Newton pokračoval v definování inerciálních referenčních systémů, což budou ty, ve kterých platí jeho tři zákony pohybu. Zde jsou definice podle těchto konceptů:

Inerciální referenční systém

Jakýkoli souřadný systém připojený k volné částice nebo pohybující se konstantní rychlostí vzhledem k volné částice bude inerciálním referenčním systémem.

Newtonův první zákon (zákon setrvačnosti)

Pokud je částice volná, pak má konstantní hybnost vzhledem k inerciálnímu referenčnímu rámci.

Newtonův první zákon a hybnost. Zdroj: vlastní výroba.

Vyřešená cvičení

Cvičení 1

160 gramový hokejový puk jde na kluziště rychlostí 3 km / h. Najděte svou hybnost.

Řešení

Hmotnost disku v kilogramech je: m = 0,160 kg.

Rychlost v metrech za sekundu: v = (3 / 3,6) m / s = 0,8333 m / s

Velikost pohybu nebo hybnosti p se vypočítá následovně: p = m * v = 0,1333 kg * m / s,

Cvičení 2

Tření v předním disku je považováno za nulové, takže hybnost je zachována, pokud nic nezmění přímý směr disku. Je však známo, že na disk působí dvě síly: hmotnost disku a kontaktní nebo normální síla, kterou na něj působí podlaha..

Vypočítejte hodnotu normálové síly v newtonech a její směr.

Řešení

Jelikož je hybnost zachována, musí být výsledná síla na hokejový puk nulová. Hmotnost ukazuje svisle dolů a platí: P = m * g = 0,16 kg * 9,81 m / s²

Normální síla musí nutně působit proti hmotnosti, takže musí směřovat svisle nahoru a její velikost bude 1,57 N.

Články zájmu

Příklady Newtonova zákona v reálném životě.

Reference

  1. Alonso M., Finn E. Fyzikální svazek I: Mechanika. 1970. Fondo Educativo Interamericano S.A.
  2. Hewitt, P. Konceptuální fyzikální věda. Páté vydání. Pearson. 67-74.
  3. Mladý, Hughu. Univerzitní fyzika s moderní fyzikou. 14. vyd. Pearson. 105 - 107.

Zatím žádné komentáře