Практичан увод у Невтонове три закона покрета

Сваки закон кретања који је Њутн развио има значајне математичке и физичке интерпретације које су потребне за разумевање кретања у нашем универзуму. Примена ових закона кретања је заиста неограничена.

У суштини, Невтонови закони дефинишу начин на који се кретање мења, тачније начин на који су те промене у кретању повезане са силом и масом.

Сир Исаац Невтон (1642-1727) био је британски физичар који у многим аспектима може бити посматран као највећи физичар свих времена. Иако су постојали неки претходници, попут Архимеда, Коперника и Галилео, Њутн је заиста објаснио метод научног истраживања који ће бити усвојен кроз векове.

Скоро век, Аристотелов опис физичког универзума показало се неадекватним за описивање кретања (или кретања природе, ако хоћете). Њутн је решио проблем и смислио три општа правила о кретању објеката која су названа "Њутонова три закона кретања".

Године 1687. Невтон је у своју књигу "Пхилосопхиае Натуралис Принципиа Матхематица" увео три закона (Матхематицал) Принципи природне филозофије), који се углавном назива "Принципиа". Овде је такође представио његов

• Први закон о захтеву Њутана каже да, да би се кретање предмета изменило, на њега мора да делује сила. То је концепт који се углавном назива инерција.
• Њутнов други закон кретања дефинише однос убрзања, силе и масе.
• Њутнов трећи закон кретања каже да у сваком тренутку када сила делује из једног објекта на други, једнака сила делује на првобитни објект. Ако повучете конопац, ужад се повлачи и на вас.

• Дијаграми слободног тела су средство помоћу којег можете пратити различите силе делујући на предмет и, према томе, одредити крајње убрзање.
• Векторска математика користи се за праћење праваца и величина укључених сила и убрзања.
• Варијабилне једначине се користе у комплексу стање проблеми.

Свако тело наставља у стању мировања или једнообразног кретања у правој линији, осим ако није приморано да то стање промени силама утиснутим на њега.
- Невтон'с Фирст Закон покрета, преведено из „Принципиа“

То се понекад назива иксом закона, или само инерције. У суштини, то чини следеће две тачке:

• Објект који се не помера неће се померати све док а сила делује на то.
• Објект који се креће неће променити брзину (или се зауставити) све док сила не делује на њега.

Прва поента се чини очигледном већини људи, али друга ће можда потрајати кроз размишљање. Сви знају да се ствари не крећу заувек. Ако гурнем пак са хокејем по столу, успорава и на крају престаје. Али према Невтоновим законима, то је зато што сила делује на хокејашки пак и, сасвим сигурно, постоји сила трења између стола и пака. Та сила трења је у правцу супротном кретању пака. Управо та сила узрокује да се објект успори. У недостатку (или виртуелном одсуству) такве силе, као на столу за хокеј на ваздуху или клизалишту, кретање пака није тако ометано.

Ево још једног начина навођења Невтоновог првог закона:

Тело на које делује ниједна сила не креће се константном брзином (која може бити једнака нули) убрзање.

Дакле, без икакве силе, објект само наставља да ради оно што ради. Важно је напоменути речи мрежна сила. То значи да укупне силе на објекат морају износити нулу. Објект који сједи на мом поду има гравитациону силу која га повлачи према доље, али ту је и нормална сила гурајући се од пода према горе, тако да је нето сила једнака нули. Стога се не помера.

Да се ​​вратимо на пример хокеја са пакком, размотрите две особе које су ударале по хокеју баш тако супротне стране на баш тако у исто време и са баш тако идентична сила. У овом ретком случају пак се не би померао.

Пошто су и брзина и сила векторске количине, упутства су важна за овај процес. Ако сила (као што је гравитација) делује на објект наниже и нема силе нагоре, објект ће добити вертикално убрзање према доле. Међутим, хоризонтална брзина се неће променити.

Ако бацим куглу са свог балкона хоризонталном брзином од 3 метра у секунди, она ће хоризонтално ударити о тло брзина од 3 м / с (игноришући силу отпора ваздуха), иако је гравитација вршила силу (и самим тим убрзање) у вертикалном смеру. Да није било гравитације, лопта би наставила да иде равном линијом... барем док не би погодила кућу мог комшије.

Убрзање које производи одређена сила која делује на тело директно је пропорционално величини силе и обрнуто је пропорционално маси тела.
(Преведено из „Принципиа“)

Математичка формулација другог закона је приказана доле, са Ф представљајући силу, м представљајући објекат маса и а представља убрзање објекта.

∑​ Ф = ма

Ова формула је изузетно корисна у класичној механици, јер омогућава начин директног превођења између убрзања и силе која делује на одређену масу. Велики део класичне механике се на крају своди на примену ове формуле у различитим контекстима.

Симг сигма с леве стране силе означава да је то нето сила или збир свих сила. Као векторске количине, смер нето силе такође ће бити у истом смеру као и убрзање. Једначину такође можете да разбијете Икс и и (и чак з) координате, што многе сложене проблеме може учинити лакшим за руковање, посебно ако правилно координирате свој координатни систем.

Примјетићете да када нето силе на објекту зброје на нулу, постижемо стање дефинисано у Невтоновом првом закону: нето убрзање мора бити нула. То знамо јер сви предмети имају масу (барем у класичној механици). Ако се предмет већ помера, наставиће да се креће константно брзина, али та се брзина неће променити све док се не уведе нето сила. Очигледно је да се објект у мировању уопће неће кретати без нето силе.

Кутија масе 40 кг у мировању сједи на поду без плочица без трења. Ногом примењујете силу од 20 Н у водоравном смеру. Шта је убрзање кутије?

Предмет је у мировању, тако да нема силе силе осим силе коју стопало примењује. Трење се елиминише. Такође, постоји само један правац силе који треба бринути. Дакле, овај проблем је врло једноставан.

Проблем започињете дефинисањем вашег координатни систем. Математика је слично:

Ф = м * а

Ф / м = ​а

20 Н / 40 кг = а = 0,5 м / с2

Проблеми засновани на овом закону су буквално бескрајни, користећи формулу да одредите било коју од три вредности када вам се дају остале две. Како системи постају сложенији, научићете да примењујете силе трења, гравитацију, електромагнетне силеи друге применљиве силе према истим основним формулама.

На сваку акцију увек се супротставља једнака реакција; или су међусобни поступци два тела једни против других увек једнаки и усмерени на супротне делове.

(Преведено из „Принципиа“)

Трећи закон представљамо гледајући два тела, А и Б, које узајамно делују. Ми дефинишемо ФА као сила примењена на тело А по телу Б, и ФА као сила примењена на тело Б по телу А. Те ће силе бити једнаке величине и супротне у правцу. Математички се изражава као:

ФБ = - ФА

или

ФА + ФБ = 0

Ово, међутим, није исто што и нето сила нула. Ако примените силу на празан оквир за ципеле који седи на столу, кутија за ципеле примењује једнаку силу на вас. То у почетку не звучи како треба - очигледно гурате по кутији, а очигледно да вас не гура. Запамтите то према Другом Закон, сила и убрзање су повезане, али нису идентичне!

Будући да је ваша маса много већа од масе кутије за ципеле, сила коју излажете узрокује да убрзава даље од вас. Сила коју делује на вас не би уопште изазвала велико убрзање.

И не само то, већ док се притиска врхом вашег прста, прст вас заузврат гура у ваше тело, а остатак тела гура натраг прстом, а тело се гура на столицу или под (или оба), што све спречава да се ваше тело креће и омогућава вам да се прст померите да бисте наставили сила. На кутији ципела нема ничега што би спречило да се креће.

Ако, пак, кутија за ципеле седи поред зида и гурнете га према зиду, кутија за ципеле ће се гурнути на зид и зид ће се одгурнути назад. Кутија за ципеле ће, у овом тренутку, престани да се крећеш. Можете покушати јаче да је гурнете, али кутија ће се сломити пре него што прође кроз зид јер није довољно јака да поднесе толико силу.

Већина људи је у неком тренутку играла ратни тегљач. Особа или група људи хвата крајеве конопа и обично покушава да се повуче против особе или групе на другом крају прошли неки маркер (понекад у јаму блата у заиста забавним верзијама), доказујући тако да је једна од група јача од групе друго. Сва три закона из Невтона могу се видети у ратном потезу.

Често долази до тачке рата, када се ниједна страна не креће. Обе стране се повлаче истом силом. Због тога конопац не убрзава ни у једном смеру. Ово је класичан пример Невтоновог првог закона.

Једном када се примени нето сила, на пример када једна група почне да вуче мало јаче од друге, почиње убрзање. Ово слиједи Други закон. Након тога група која губи земљу мора да покуша да се изврши више сила. Када нето сила почне ићи у њиховом правцу, убрзање је у њиховом правцу. Кретање конопа се успорава све док се не заустави и, ако задрже већу нето силу, оно се почиње кретати назад у њиховом правцу.

Трећи закон је мање видљив, али је и даље присутан. Када повучете конопац, можете осетити да вас уже вуче и покушава да вас помери према другом крају. Стопала чврсто ставите у земљу, а тло вас заправо гура натраг, помажући вам да се одупрете потезању конопа.

Следећи пут кад играте или гледате игру тегљача - или било који спорт, по том питању - размислите о свим силама и убрзањима на послу. Заиста је импресивно схватити да можете разумети физичке законе који су на делу током вашег омиљеног спорта.