NEWTONOV PRVI ZAKON: FORMULE, EKSPERIMENTI I VJEŽBE - FIZIČKA - 2024

Prvi zakon Newtona, također poznat kao zakon inercije, prvi je iznio Isaac Newton, fizičar, matematičar, filozof, teolog, engleski izumitelj i alkemičara. Ovaj zakon kaže sljedeće: "Ako predmet ne bude podvrgnut nikakvoj sili ili ako se sile koje djeluju na njega otkažu jedna drugu, onda će se nastaviti kretati stalnom brzinom u ravnoj liniji."

U ovoj će se izjavi ključna riječ nastaviti. Ako su prostorije zakona ispunjene, tada će objekt nastaviti sa svojim kretanjem kao što je imao. Osim ako se ne pojavi neuravnotežena sila i ne promijeni stanje kretanja.

Objašnjenje Newtonovog prvog zakona. Izvor: self made.

To znači da će, ako je objekt u mirovanju, i dalje mirovati, osim ako ga sila izbaci iz tog stanja. To također znači da ako se objekt kreće fiksnom brzinom u pravcu, nastavit će se kretati tim putem. Promijenit će se samo kad neki vanjski agent izvrši silu na njega i promijeni svoju brzinu.

Pozadina zakona

Isaac Newton rođen je u Woolsthorpe Manor (Velika Britanija) 4. siječnja 1643., a umro u Londonu 1727. godine.

Točan datum kada je sir Isaac Newton otkrio svoja tri zakona dinamike, uključujući i prvi zakon, ne zna se sa sigurnošću. Ali poznato je da je bilo puno prije objavljivanja čuvene knjige Matematički principi prirodne filozofije, 5. srpnja 1687. godine.

Rječnik Kraljevske španjolske akademije definira riječ inercija na sljedeći način:

"Svojstvo tijela da održavaju svoje stanje mirovanja ili kretanja, ako ne djelovanjem sile."

Ovaj se izraz koristi i za potvrđivanje da svaka situacija ostaje nepromijenjena, jer se ne ulažu napori kako bi se to postiglo, pa ponekad riječ inercija ima konotaciju rutine ili lijenosti.

Pred-Newtonov pogled

Prije Newtona, prevladavajuće ideje bile su ideje velikog grčkog filozofa Aristotela, koji je tvrdio da za objekt koji treba držati u pokretu mora na njega djelovati sila. Kad sila prestane, tada će i kretanje. Nije tako, ali čak i danas mnogi tako misle.

Galileo Galilei, sjajni talijanski astronom i fizičar koji je živio između 1564. i 1642. godine, eksperimentirao je i analizirao kretanje tijela.

Jedno od Galileovih opažanja bilo je da tijelu koje klizi glatkom i poliranom površinom s određenim početnim impulsom, treba duže da se zaustavi i ima više putovanja u ravnoj liniji, jer je trenje između tijela i površine manje.

Očito je da je Galileo nosio ideju inercije, ali nije stigao formulirati izjavu tako precizno kao Newton.

U nastavku predlažemo nekoliko jednostavnih eksperimenata, pomoću kojih čitatelj može izvesti i potvrditi rezultate. Promatranja će se također analizirati prema Aristotelovom pogledu kretanja i Newtonovom pogledu.

Eksperimenti s inercijom

Pokus 1

Kutija se izbacuje na pod i tada se zaustavlja pogonska sila. Primjećujemo da kutija putuje kratkom stazom dok se ne zaustavi.

Protumačimo prethodni eksperiment i njegov rezultat u okviru teorija prije Newtona, a zatim prema prvom zakonu.

U aristotelovskoj viziji objašnjenje je bilo vrlo jasno: kutija se zaustavila jer je sila koja je kretala bila suspendirana.

Prema Newtonovom prikazu, kutija na podu / tlu ne može se nastaviti kretati brzinom koju je imala u trenutku kad je sila suspendirana, jer između poda i kutije postoji neuravnotežena sila, zbog čega se brzina smanjuje sve dok kutija se zaustavlja. To je sila trenja.

U ovom eksperimentu pretpostavke Newtonovog prvog zakona nisu ispunjene, pa je okvir prestao.

Eksperiment 2

Opet je to kutija na podu / tlu. U ovoj se situaciji sila na kutiji održava, na način da nadoknadi ili uravnoteži silu trenja. To se događa kada dobijemo kutiju da je pratimo konstantnom brzinom i u pravcu.

Ovaj eksperiment ne proturječi aristotelovskom pogledu na kretanje: okvir se kreće konstantnom brzinom jer na njega djeluje sila.

To također ne proturječi Newtonovom pristupu, jer su sve snage koje djeluju na okvir uravnotežene. Da vidimo:

• U vodoravnom smjeru sila koja djeluje na kutiju jednaka je i u suprotnom smjeru od sile trenja između kutije i poda.
• Dakle, neto sila u vodoravnom smjeru je nula, zato kutija održava svoju brzinu i smjer.

Također se u okomitom smjeru snage uravnotežuju, jer se masa kutije koja je sila usmjerena okomito prema dolje točno nadoknađuje kontaktnom (ili normalnom) silom koju tlo djeluje na kutiju okomito prema gore.

Usput, težina kutije dolazi zbog gravitacijskog povlačenja Zemlje.

Eksperiment 3

Nastavljamo s kutijom koja leži na podu. U vertikalnom smjeru snage su uravnotežene, odnosno neto vertikalna sila je jednaka nuli. Svakako bi bilo vrlo iznenađujuće kad bi se kutija pomaknula prema gore. Ali u vodoravnom smjeru postoji sila trenja.

Da bismo ispunili premisu prvog zakona Newtona, trenje moramo smanjiti na njegov minimalni izraz. To se može postići prilično otprilike ako tražimo vrlo glatku površinu na koju raspršujemo silikonsko ulje.

Budući da silikonsko ulje smanjuje trenje na gotovo nulu, tako da kada se ovaj okvir baci vodoravno, dugo će zadržavati svoju brzinu i smjer.

To je isti fenomen koji se događa kod klizača na klizalištu ili pak sa palicom za hokej na ledu kada ih se pokreće i pušta samostalno.

U opisanim situacijama, u kojima se trenje smanjuje gotovo na nulu, rezultirajuća sila je praktički nula i objekt održava svoju brzinu, prema Newtonovom prvom zakonu.

Prema aristotelovskom pogledu to se nije moglo dogoditi, jer se prema ovoj naivnoj teoriji gibanje događa samo kad na pokretnom objektu djeluje neto sila.

Zamrznuta površina može se smatrati vrlo niskim trenjem. Izvor: Pixabay.

Newtonovo prvo objašnjenje zakona

Inercija i masa

Masa je fizička količina koja označava količinu materije koju tijelo ili predmet sadrži.

Masa je tada unutarnje svojstvo materije. Ali materija je sastavljena od atoma koji imaju masu. Masa atoma koncentrirana je u jezgri. Upravo protoni i neutroni u jezgri praktički definiraju masu atoma i materije.

Masa se uglavnom mjeri u kilogramima (kg), ona je osnovna jedinica Međunarodnog sustava jedinica (SI).

Prototip ili referenca kilograma je cilindar od platine i iridija koji se čuva u Međunarodnom uredu za utege i mjere u Sèvresu u Francuskoj, iako je 2018. godine povezan s Planckovom konstantom i nova definicija stupa na snagu od 20. svibnja 2019. godine.

Pa, događa se da su inercija i masa povezani. Što je veća masa, veći je inercija nekog predmeta. Mnogo je teže ili skuplje u pogledu energije promijeniti stanje kretanja masivnijeg objekta od manje masivnog.

Primjer

Na primjer, potrebno je puno više sile i puno više rada za podizanje jednotonske (1000 kg) kutije iz odmora od kutije od jednog kilograma (1 kg). Zato se često govori da prvi ima više inercije nego drugi.

Zbog odnosa između inercije i mase, Newton je shvatio da brzina sama po sebi nije reprezentativna za stanje kretanja. Zbog toga je definirao količinu poznatu kao zamah ili zamah koja je označena slovom p i koja je proizvod mase m i brzine v:

p = m v

Podebljani u p i v označavaju da su to vektorske fizičke veličine, odnosno da su to veličine veličine, smjera i smisla.

S druge strane, masa m je skalarna količina, kojoj se dodjeljuje broj koji može biti veći ili jednak nuli, ali nikada negativan. Do sada nije pronađen niti jedan objekt negativne mase u poznatom svemiru.

Newton je svoju maštu i apstrakciju izveo do krajnosti, definirajući takozvanu slobodnu česticu. Čestica je materijalna točka. To jest, to je poput matematičke točke, ali s masom:

Slobodna čestica je ona čestica koja je toliko izolirana, toliko udaljena od drugog predmeta u svemiru da ništa ne može izvršiti bilo kakvu interakciju ili silu na nju.

Kasnije je Newton definirao inercijalne referentne sustave, koji će biti oni u kojima vrijede njegova tri zakona kretanja. Ovdje su definicije u skladu s ovim pojmovima:

Inercijalni referentni sustav

Svaki koordinatni sustav povezan sa slobodnom česticom, ili koji se kreće konstantnom brzinom u odnosu na slobodnu česticu, bit će inercijski referentni sustav.

Newtonov prvi zakon (inercija)

Ako je čestica slobodna, tada ima stalan zamah u odnosu na inercijalni referentni okvir.

Newtonov prvi zakon i zamah. Izvor: self made.

Riješene vježbe

Vježba 1

Pakleni hokej od 160 grama ide na klizalište brzinom od 3 km / h. Pronađite svoj zamah.

Riješenje

Masa diska u kilogramima je: m = 0,160 kg.

Brzina u metrima preko sekunde: v = (3 / 3.6) m / s = 0.8333 m / s

Količina pomicanja ili momenta p izračunava se na sljedeći način: p = m * v = 0,1333 kg * m / s,

Vježba 2

Trenje u prednjem disku smatra se nulom, pa se zadržava zamah sve dok ništa ne izmijeni ravno tijeku diska. Međutim, poznato je da na disk djeluju dvije sile: težina diska i dodirna ili normalna sila koju pod na njega djeluje.

Izračunajte vrijednost normalne sile u newtonima i njezin smjer.

Riješenje

Budući da se zadržava zamah, rezultirajuća sila na hokeju pak mora biti jednaka nuli. Težina je okomito prema dolje i vrijedi: P = m * g = 0,16 kg * 9,81 m / s²

Normalna sila mora nužno suprotstaviti težini, pa se mora usmjeriti okomito prema gore i njegova će veličina biti 1,57 N.

Članci interesa

Primjeri Newtonovog zakona u stvarnom životu.

Reference

1. Alonso M., Finn E. Fizika svezak I: Mehanika. 1970. Fondo Educativo Interamericano SA
2. Hewitt, P. Konceptualna fizička znanost. Peto izdanje. Pearson. 67-74.
3. Mladi, Hugh. Sveučilišna fizika s modernom fizikom. 14. izd. Pearson. 105-107.