Kako Djeluju Newtonovi Zakoni O Gibanju

{h1}

Newtonovi zakoni gibanja čine okosnicu klasične mehanike, odnosno gibanja sila koje djeluju na tijela. Saznajte što su tri zakona pokreta.

Pored E = mc², F = ma najpoznatija je jednadžba u čitavoj fizici. Ipak, mnogi ljudi ostaju mistificirani ovim prilično jednostavnim algebarskim izrazom. To je zapravo matematički prikaz drugog zakona pokreta Isaaca Newtona, jedan od najvažnijih priloga velikog znanstvenika. "Drugi" podrazumijeva da postoje i drugi zakoni, a na svu sreću za studente i obične igrače, postoje samo dva dodatna zakona kretanja. Sva trojica su predstavljena ovdje, koristeći Newtonove vlastite riječi:

  1. Svaki objekt ustraje u stanju mirovanja ili jednolikog gibanja - u pravoj liniji, osim ako nije prisiljen promijeniti to stanje silama utisnutim na njega.
  2. Sila je jednaka promjeni momenta po promjeni vremena. Za konstantnu masu sila je jednaka masi puta ubrzanju.
  3. Za svaku akciju postoji jednaka i suprotna reakcija.

Ova tri zakona čine temelj onoga što se zna klasična mehanikaili znanosti koja se bavi gibanjem tijela na koja djeluju sile. Tijela u pokretu mogli bi biti veliki predmeti, poput orbite mjeseca ili planeta, ili mogu biti obični predmeti na Zemljinoj površini, poput kretanja vozila ili metaka za prebrzu vožnju. Čak i tijela u mirovanju su fer igra.

Tamo gdje se klasična mehanika počne raspadati kada pokušava opisati gibanje vrlo malih tijela, poput elektrona. Fizičari su morali stvoriti novu paradigmu, poznatu kao kvantna mehanika, opisati ponašanje objekata na atomskoj i subatomskoj razini.

Ali kvantna mehanika je izvan dosega ovog članka. Naš će fokus biti klasična mehanika i Newtonova tri zakona. Proučit ćemo ih sve detalje, i s teorijskog i sa praktičnog stajališta. Također ćemo raspravljati o povijesti tih zakona, jer način na koji je Newton došao do svojih zaključaka jednako je važan kao i sami zaključci. Najbolje mjesto za početak, naravno, na početku je - Newtonov prvi zakon.

Newtonov prvi zakon (Inertia Law)

Prema Newtonovom prvom zakonu, mramor na toj donjoj rampi trebao bi samo nastaviti dalje. I ide.

Prema Newtonovom prvom zakonu, mramor na toj donjoj rampi trebao bi samo nastaviti dalje. I ide.

Ponovno ponavljamo Newtonov prvi zakon u svakodnevnom smislu:

Predmet u mirovanju ostat će u mirovanju, zauvijek, sve dok ga ništa ne pritisne ili povuče. Objekt u pokretu ostat će u pokretu, putujući u pravoj liniji, zauvijek, sve dok ga nešto ne gurne ili povuče.

Dio zauvijek je ponekad teško progutati. Ali zamislite da imate postavljene tri rampe kao što je prikazano u nastavku. Zamislite i da su rampe beskonačno duge i beskonačno glatke. Dopuštate da se mramor spusti s prve rampe koja je postavljena na lagano nagib. Mramor ubrzava na putu niz rampu. Eto, ti lagano gurneš mramor koji ide uzbrdo na drugoj rampi. Usporava kako se uspinje. Na kraju gurnete mramor na rampu koja predstavlja srednje stanje između prve dvije - drugim riječima, rampu koja je savršeno vodoravna. U ovom slučaju mramor neće niti usporiti niti ubrzati. Zapravo, trebao bi se stalno valjati. Zauvijek.

Fizičari koriste izraz inercija opisati ovu tendenciju objekta da se odupre promjeni u svom gibanju. Latinski korijen za inerciju je isti korijen za "inert", što znači da mu nedostaje sposobnost kretanja. Tako možete vidjeti kako su znanstvenici smislili tu riječ. Ono što je nevjerojatnije jest to što su smislili koncept. Inercija nije odmah vidljivo fizičko svojstvo, poput duljine ili volumena. Međutim, povezan je s masom objekta. Da biste razumjeli kako, razmotrite sumo hrvača i dječaka prikazanog u nastavku.

Ispada da veliki grčki mislilac nije uvijek bio u pravu u vezi sa svime.

Ispada da veliki grčki mislilac nije uvijek bio u pravu u vezi sa svime.

Grčki filozof Aristotel dominirao je znanstvenim razmišljanjem dugi niz godina. Njegovi su pogledi na kretanje bili široko prihvaćeni jer se činilo da podržavaju ono što ljudi promatraju u prirodi. Na primjer, Aristotel je mislio da težina utječe na padajuće predmete. Teži predmet, tvrdio je, dosegnuo bi tlo brže nego što bi lakši predmet pao u isto vrijeme s iste visine. Također je odbacio pojam inercije, tvrdeći da se mora stalno primjenjivati ​​sila da se nešto pomiče. Oba su ova koncepta bila pogrešna, ali trebalo bi mnogo godina - i nekoliko hrabrih mislilaca - da ih obore.

Prvi veliki udarac Aristotelovim idejama dogodio se u 16. stoljeću kada je Nikola Kopernik objavio svoj model svemira usredotočen na sunce. Aristotel je teoretizirao da se sunce, mjesec i planeti svi vrte oko Zemlje na skupu nebeskih sfera. Kopernik je predložio da se planeti Sunčevog sustava okreću oko Sunca, a ne Zemlje. Iako sama po sebi nije tema mehanike, heliocentrična kozmologija koju je opisao Kopernik otkrila je ranjivost Aristotelove znanosti.

Galileo Galilei bio je sljedeći koji je osporio ideje grčkog filozofa. Galileo je proveo dva sada klasična pokusa koji su postavili ton i tenor za sav znanstveni rad koji bi uslijedio. U prvom pokusu bacio je topovsku kuglu i musketnu loptu s Leasing kule u Pisi. Aristotelovska teorija predviđala je da će top, mnogo masivniji, top brže pasti i prvo udariti o tlo. Ali Galileo je otkrio da su dva objekta pala jednakom brzinom i otprilike istovremeno udarala o tlo.

Neki povjesničari postavljaju pitanje je li Galileo ikad izveo eksperiment u Pisi, ali on ga je slijedio s drugom fazom rada koja je dobro dokumentirana. Ovi eksperimenti uključuju brončane kuglice raznih veličina koje se kotrljaju niz nagnutu ravninu drva. Galileo je zabilježio koliko će se kugla otkotrljati u svakom intervalu od jedne sekunde. Otkrio je da veličina kuglice nije bitna - brzina njezinog spuštanja duž rampe ostala je stalna. Iz toga je zaključio da predmeti koji padaju doživljavaju jednoliko ubrzanje bez obzira na masu, sve dok se vanjske sile, poput otpora zraka i trenja, mogu svesti na najmanju moguću mjeru.

Ali René Descartes, veliki francuski filozof, dodao bi novu dubinu i dimenziju inercijalnom pokretu. U svojim "Načelima filozofije" Descartes je predložio tri zakona prirode. Prvi zakon kaže "da svaka stvar, koliko je u njenoj moći, uvijek ostaje u istom stanju; i da stoga, kad se jednom pomiče, uvijek se nastavlja kretati". Drugi drži da je "svako kretanje samo po sebi ravno". Ovo je prvi zakon Newtona, jasno rečeno u knjizi objavljenoj 1644. godine - kad je Newton još bio novorođenče!

Jasno je da je Isaac Newton proučavao Descartesa. Iskoristio je to proučavanje s dobrim korištenjem dok je samim sobom pokrenuo moderno doba znanstvenog razmišljanja. Newtonov rad u matematici rezultirao je integralnim i diferencijalnim računicama. Njegov rad u optici doveo je do prvog reflektirajućeg teleskopa. A ipak, njegov najpoznatiji doprinos došao je u obliku tri relativno jednostavna zakona koja su se mogla s velikom prediktivnom snagom opisati kretanje objekata na Zemlji i na nebu. Prvi od tih zakona došao je izravno iz Descartesa, ali preostala dva pripadaju samo Newtonu.

Sve tri opisao je u "Matematičkim načelima prirodne filozofije" ili Principiji, koja je objavljena 1687. Danas je Principija jedna od najutjecajnijih knjiga u povijesti ljudskog postojanja. Velik dio njegove važnosti nalazi se u elegantno jednostavnom drugom zakonu, F = ma, što je tema sljedećeg odjeljka.

Newtonov drugi zakon (Zakon o kretanju)

Ako želite izračunati ubrzanje, prvo trebate izmijeniti jednadžbu sile da biste dobili a = F / m. Kad uključite brojeve sile (100 N) i mase (50 kg), ustanovit ćete da je ubrzanje 2 m / s2.

Ako želite izračunati ubrzanje, prvo trebate izmijeniti jednadžbu sile da biste dobili a = F / m. Kad uključite brojeve sile (100 N) i mase (50 kg), ustanovit ćete da je ubrzanje 2 m / s2.

Možda se iznenadite kad saznate da Newton nije bio genij koji stoji iza zakona inercije. Ali sam Newton napisao je da ga je dosad mogao vidjeti samo zato što je stajao na "ramenima divova". I vidi daleko je. Iako je inercijski zakon odredio sile kao radnje potrebne za zaustavljanje ili pokretanje pokreta, on te snage nije kvantificirao. Newtonov drugi zakon pružio je vezu koja nedostaje povezujući silu s ubrzanjem. Evo što je govorilo:

Kada sila djeluje na objekt, objekt ubrzava u smjeru sile. Ako se masa predmeta drži konstantnom, povećavajuća sila povećat će ubrzanje. Ako sila na objekt ostane konstantna, povećavanjem mase smanjuje se ubrzanje. Drugim riječima, sila i ubrzanje izravno su proporcionalni, dok su masa i ubrzanje obrnuto proporcionalni.

Tehnički gledano, Newton je izjednačio silu s diferencijalnom promjenom momenta po jedinici vremena. moment je karakteristika pokretnog tijela koja je određena proizvodom mase i brzine tijela. Da bi odredio diferencijalnu promjenu momenta po jedinici vremena, Newton je razvio novu vrstu matematičke - diferencijalne računice. Njegova izvorna jednadžba izgledala je otprilike ovako:

F = (m) (Δv / Δt)

gdje simboli delta označavaju promjenu. Budući da se ubrzanje definira kao trenutna promjena brzine u trenutku (Δv / Δt), jednadžba se često prepisuje kao:

F = ma

Oblik jednadžbe drugog zakona Newtona omogućava nam da odredimo mjernu jedinicu za silu. Budući da je standardna jedinica mase kilogram (kg), a standardna jedinica za ubrzanje je metara u sekundi (m / s2), jedinica za silu mora biti proizvod dva - (kg) (m / s2), Ovo je malo nezgodno, pa su znanstvenici odlučili koristiti a njutn kao službena jedinica sile. Jedan Newton, ili N, ekvivalent je 1 kilogram-metar u sekundi u kvadratu. Ima 1,448 N u 1 kilogramu.

Pa što možeš učiniti s Newtonovim drugim zakonom? Kako se ispostavilo, F = ma omogućuje vam kvantificiranje kretanja svake sorte. Recimo, na primjer, da želite izračunati ubrzanje psećih sankanja prikazanih u nastavku.

Kako djeluju Newtonovi zakoni o gibanju: newtonovi

Primijetite da udvostručenje sile dodavanjem drugog psa udvostručuje ubrzanje. Suprotno tome, udvostručenje mase na 100 kg prepolovilo bi ubrzanje na 2 m / s2.

A sad recimo da masa sankanja stoji na 50 kilograma i da se u tim dodaje još jedan pas. Ako pretpostavimo da se drugi pas povlači istom silom kao i prvi (100 N), ukupna sila bila bi 200 N, a ubrzanje bi bilo 4 m / s2.

Za kraj, zamislimo da je drugi tim za pse povezan sa sankama, tako da se može povući u suprotnom smjeru.

Kako djeluju Newtonovi zakoni o gibanju: newtonovi

Ako su dva psa sa svake strane, tada ukupna sila koja se povlači ulijevo (200 N) uravnotežuje ukupnu silu povlačenja udesno (200 N). To znači da je neto sila na sankama jednaka nuli, tako da se sank ne pomiče.

To je važno jer se Newtonov drugi zakon bavi neto silama. Mogli bismo prepisati zakon i reći: Kada a neto sila djeluje na objekt, objekt ubrzava u smjeru neto sile. Zamislite da se jedan od lijevih pasa oslobodi i pobjegne. Odjednom je sila koja se povlači udesno veća od sile koja se povlači ulijevo, pa sankanje ubrzava udesno.

Ono što nije toliko očito u našim primjerima je da sankanje također primjenjuje silu na pse. Drugim riječima, sve snage djeluju u paru. Ovo je Newtonov treći zakon - i tema je sljedećeg odjeljka.

Newtonov treći zakon (Zakon o prisilnim parovima)

To je jedna velika sila!

To je jedna velika sila!

Newtonov treći zakon vjerojatno je najpoznatiji. Svi znaju da svaka akcija ima jednaku i suprotnu reakciju, zar ne? Nažalost, ovoj izjavi nedostaje neki potreban detalj. Ovo je bolji način da se to kaže:

sila izvodi jedan objekt na drugi objekt. Drugim riječima, svaka sila uključuje interakciju dva objekta. Kada jedan objekt vrši silu na drugi objekt, drugi objekt također djeluje na prvi objekt. Dvije sile su jednake snage i usmjerene u suprotnim smjerovima.

Mnogi ljudi imaju problema s vizualizacijom ovog zakona jer nije tako intuitivan. Zapravo, najbolji način za raspravu o zakonu parova sila je predstavljanjem primjera. Započnimo s razmatranjem plivača koji je okrenut zidu bazena. Ako stavi noge na zid i snažno ga gurne, što se događa? Puca unazad, daleko od zida.

Jasno je da plivač primjenjuje silu na zid, ali njezin pokret ukazuje na to da se i na nju primjenjuje sila. Ta sila dolazi od zida, a jednaka je po veličini i suprotnom smjeru.

Zatim razmišljajte o knjizi koja leži na stolu. Koje sile djeluju na to? Jedna velika sila je gravitacija Zemlje. Zapravo, težina knjige je mjerilo Zemljine gravitacijske privlačnosti. Dakle, ako kažemo da knjiga teži 10 N, ono što stvarno kažemo je da Zemlja na nju primjenjuje silu od 10 N. Sila je usmjerena ravno prema dolje, prema središtu planeta. Unatoč toj sili, knjiga ostaje nepomična, što može značiti samo jedno: Mora postojati druga sila, jednaka 10 N, koja se gura prema gore. Ta sila dolazi sa stola.

Ako se bavite Newtonovim trećim zakonom, trebali ste primijetiti još jedan par sila opisan u gornjem stavku. Zemlja primjenjuje silu na knjigu, tako da knjiga mora primijeniti silu na Zemlju. Je li to moguće? Da, jeste, ali knjiga je toliko mala da ne može značajno ubrzati nešto veliko poput planete.

Vidite nešto slično, mada u mnogo manjem opsegu, kada baseball palica pogodi loptu. Nema sumnje da šišmiš primjenjuje silu na loptu: ubrzava nakon udara. Ali lopta također mora primjenjivati ​​silu na palicu. Masa kugle je, međutim, mala u usporedbi s masom šišmiša, koja uključuje tijesto pričvršćeno na njen kraj. Ipak, ako ste ikada vidjeli kako se drvena palica za bejzbol lomi na komade dok udara loptu, onda ste iz prve ruke vidjeli dokaze o snazi ​​lopte.

Kako djeluju Newtonovi zakoni o gibanju: kako

Bejzbol igrač razbija svoju palicu

Ovi primjeri ne pokazuju praktičnu primjenu Newtonovog trećeg zakona. Postoji li način da se parovi sile dobro iskoriste? Mlazni pogon je jedna aplikacija. Koristeći životinje kao što su lignje i hobotnice, kao i određeni avioni i rakete, mlazni pogon uključuje prisiljavanje tvari kroz otvor velikom brzinom. U lignjama i hobotnicama tvar je morska voda koja se usisava kroz plašt i izbacuje kroz sifon. Budući da životinja vrši pritisak na mlaz vode, mlaz vode djeluje na životinju, zbog čega se kreće. Sličan princip je na djelu u mlaznim avionima opremljenim turbinama i raketama u svemiru.

Kada govorimo o svemiru, tamo se primjenjuju i Newtonovi drugi zakoni. Koristeći svoje zakone za analizu kretanja planeta u svemiru, Newton je uspio smisliti univerzalni zakon gravitacije. To ćemo istražiti dalje u sljedećem odjeljku.

Primjene i ograničenja Newtonovih zakona

Da li se mjesec kreće oko Zemlje na isti način na koji se oko vrha kamena vrti kamen?

Da li se mjesec kreće oko Zemlje na isti način na koji se oko vrha kamena vrti kamen?

Tri zakona kretanja po sebi su krunsko postignuće, ali Newton se nije zaustavio na tome. Uzeo je te ideje i primijenio ih na problem koji je godinama mučio znanstvenike - kretanje planeta. Kopernik je sunce stavio u središte obitelji planeta i luna u orbiti, dok je njemački astronom Johannes Kepler dokazao da je oblik planetarnih orbita eliptičan, a ne kružni. Ali nitko nije uspio objasniti mehaniku koja stoji iza ovog pokreta. Zatim, dok priča ide, Newton je vidio kako jabuka pada na zemlju i zaplijenjena je od nadahnuća. Može li padajuća jabuka biti povezana s okretnim planetom ili mjesecom? Newton je tako vjerovao. To je bio njegov misaoni postupak koji je to dokazao:

  1. Jabuka koja pada na zemlju mora biti pod utjecajem sile, prema njegovom drugom zakonu. Ta sila je gravitacija, zbog čega jabuka ubrzava prema Zemljinu središtu.
  2. Newton je zaključio da je Mjesec također mogao biti pod utjecajem Zemljine gravitacije, ali morao je objasniti zašto mjesec nije pao na Zemlju. Za razliku od padajuće jabuke, kretala se paralelno sa zemljinom površinom.
  3. Što ako se, pitao se, mjesec kretao zemljom na isti način kao što se kamen vrtio na kraju niza? Ako bi nosač niza pustio - i zbog toga prestao primjenjivati ​​silu - kamen bi se pokoravao inercijskom zakonu i nastavio putovati ravnom linijom, poput tangente koja se proteže od opsega kruga.
  4. Ali ako ga držač niza ne pusti, kamen bi putovao kružnom stazom, poput lica sata. U jednom trenu kamen bi bio u 12 sati. U sljedećem bi bilo u 3 sata. Potrebna je sila da kamen povuče prema unutra, tako da nastavlja svoj kružni put ili orbitu. Sila dolazi od držača niza.
  5. Zatim je Newton zaključio da je mjesec koji kruži oko Zemlje isti kao i kamen koji se vrtio oko nje. Zemlja se ponašala kao nositelj niza, vršeći snagu usmjerenu prema Mjesecu. Ovu silu uravnotežila je mjesečeva inercija koja je pokušavala da se Mjesec kreće u pravocrtnoj tangenti prema kružnoj putanji.
  6. Napokon, Newton je proširio ovu liniju razmišljanja na bilo koji od planeta koji se okreću oko sunca. Svaki planet ima inercijalno kretanje uravnoteženo gravitacijskom privlačnošću koja dolazi iz središta sunca.

Bio je to zapanjujući uvid - onaj koji je na kraju doveo do univerzalnog zakona gravitacije. Prema ovom zakonu, bilo koja dva objekta u svemiru privlače se međusobno silom koja ovisi o dvije stvari: masi međusobno povezanih objekata i udaljenosti među njima. Masivniji objekti imaju veće gravitacijske atrakcije. Udaljenost umanjuje tu atrakciju. Newton je to matematički izrazio u ovoj jednadžbi:

F = G (m1m2 / r2)

gdje F je sila gravitacije između masa m1 i m2, G je univerzalna konstanta i r je udaljenost između središta obje mase.

Tijekom godina, znanstvenici su u gotovo svakoj disciplini testirali Newtonove zakone pokreta i otkrili da su nevjerojatno prediktivni i pouzdani. Ali postoje dva slučaja u kojima se Newtonova fizika raspada. Prvi uključuje predmete koji putuju brzinom svjetlosti ili blizu nje. Drugi problem dolazi kada se Newtonovi zakoni primjenjuju na vrlo male objekte, poput atoma ili subatomskih čestica koje padaju u područje kvantna mehanika.

Ipak, ta ograničenja ne bi mu trebala oduzeti dostignuća, pa pređite na sljedeću stranicu da biste dobili više informacija o Isaacu Newtonu i drugim genijalcima.


Video Dodatak: 005 Drugi Newtonov zakon.




HR.WordsSideKick.com
Sva Prava Pridržana!
Umnožavanje Bilo Koje Materijale Dozvoljen Samo Prostanovkoy Aktivni Link Na Stranicu HR.WordsSideKick.com

© 2005–2020 HR.WordsSideKick.com