PIERWSZE PRAWO NEWTONA: WZORY, EKSPERYMENTY I ĆWICZENIA - FIZYCZNY - 2026

Pierwsze prawo Newtona , znany również jako prawo bezwładności, została po raz pierwszy zaproponowana przez Isaac Newton, fizyk, matematyk, filozof, teolog, angielski wynalazca i alchemika. Prawo to brzmi następująco: „Jeśli obiekt nie jest poddawany działaniu żadnej siły lub jeśli działające na niego siły znoszą się wzajemnie, to będzie on nadal poruszał się ze stałą prędkością w linii prostej”.

W tym oświadczeniu słowo kluczowe będzie kontynuowane. Jeśli przesłanki prawa zostaną spełnione, obiekt będzie kontynuował swój ruch tak, jak miał. Chyba że pojawia się niezrównoważona siła i zmienia stan ruchu.

Wyjaśnienie pierwszego prawa Newtona. Źródło: wykonane samodzielnie.

Oznacza to, że jeśli obiekt jest w spoczynku, będzie nadal spoczywał, chyba że siła wyniesie go z tego stanu. Oznacza to również, że jeśli obiekt porusza się ze stałą prędkością w prostym kierunku, będzie się nadal poruszał w tym kierunku. Zmieni się tylko wtedy, gdy jakiś zewnętrzny czynnik wywrze na niego siłę i zmieni jego prędkość.

Kontekst prawa

Isaac Newton urodził się w Woolsthorpe Manor (Wielka Brytania) 4 stycznia 1643 roku i zmarł w Londynie w 1727 roku.

Dokładna data odkrycia przez Sir Isaaca Newtona jego trzech praw dynamiki, w tym pierwszego prawa, nie jest znana na pewno. Wiadomo jednak, że było to na długo przed opublikowaniem słynnej książki Mathematical Principles of Natural Philosophy, 5 lipca 1687 r.

Słownik Królewskiej Akademii Hiszpańskiej definiuje słowo bezwładność w następujący sposób:

„Własność ciał do utrzymania ich stanu spoczynku lub ruchu, jeśli nie przez działanie siły”.

Termin ten jest również używany do stwierdzenia, że ​​jakakolwiek sytuacja pozostaje niezmieniona, ponieważ nie podjęto żadnego wysiłku, aby to osiągnąć, dlatego czasami słowo bezwładność ma konotację rutyny lub lenistwa.

Widok przed Newtona

Przed Newtonem dominowały idee wielkiego greckiego filozofa Arystotelesa, który twierdził, że aby obiekt mógł się poruszać, musi działać na niego siła. Kiedy siła ustaje, ruch też ustąpi. Nie tak, ale nawet dzisiaj wielu tak uważa.

Galileo Galilei, genialny włoski astronom i fizyk, który żył w latach 1564–1642, eksperymentował i analizował ruch ciał.

Jedną z obserwacji Galileo było to, że ciało, które ślizga się po gładkiej i wypolerowanej powierzchni z pewnym początkowym impulsem, zatrzymuje się dłużej i ma większy ruch w linii prostej, ponieważ tarcie między ciałem a powierzchnią jest mniejsze.

Jest oczywiste, że Galileusz poradził sobie z ideą bezwładności, ale nie doszedł do sformułowania twierdzenia tak precyzyjnego jak Newton.

Poniżej proponujemy kilka prostych eksperymentów, które czytelnik może przeprowadzić i potwierdzić wyniki. Obserwacje będą również analizowane zgodnie z arystotelesowskim poglądem na ruch i newtonowskim.

Eksperymenty bezwładnościowe

Eksperyment 1

Skrzynia jest wyrzucana na podłogę, a następnie siła napędowa zostaje zawieszona. Zauważamy, że pudełko pokonuje krótką ścieżkę, aż się zatrzyma.

Zinterpretujmy poprzedni eksperyment i jego wynik w ramach teorii sprzed Newtona, a następnie zgodnie z pierwszym prawem.

W wizji Arystotelesa wyjaśnienie było bardzo jasne: skrzynia zatrzymała się, ponieważ siła, która ją poruszała, została zawieszona.

W widoku newtonowskim skrzynia na podłodze / ziemi nie może kontynuować ruchu z prędkością, jaką miała w momencie zawieszenia siły, ponieważ między podłogą a skrzynią występuje siła niezrównoważona, która powoduje zmniejszenie prędkości do skrzynka zatrzymuje się. To siła tarcia.

W tym eksperymencie przesłanki pierwszego prawa Newtona nie są spełnione, więc skrzynia się zatrzymała.

Eksperyment 2

Znowu jest to pudełko na podłodze / ziemi. Przy tej okazji siła działająca na skrzynkę jest utrzymywana w taki sposób, że kompensuje lub równoważy siłę tarcia. Dzieje się tak, gdy pudło podążamy ze stałą prędkością iw prostym kierunku.

Ten eksperyment nie jest sprzeczny z Arystotelesowskim poglądem na ruch: skrzynia porusza się ze stałą prędkością, ponieważ działa na nią siła.

Nie zaprzecza również podejściu Newtona, ponieważ wszystkie siły działające na pudełko są zrównoważone. Zobaczmy:

• W kierunku poziomym siła wywierana na skrzynkę jest równa iw kierunku przeciwnym do siły tarcia pomiędzy skrzynią a podłogą.
• Zatem siła wypadkowa w kierunku poziomym wynosi zero, dlatego skrzynia zachowuje swoją prędkość i kierunek.

Również w kierunku pionowym siły są równoważone, ponieważ ciężar skrzynki, który jest siłą skierowaną pionowo w dół, jest dokładnie kompensowany przez siłę kontaktową (lub normalną), którą ziemia wywiera na skrzynię pionowo do góry.

Nawiasem mówiąc, waga pudełka wynika z grawitacyjnego przyciągania Ziemi.

Eksperyment 3

Kontynuujemy, aby pudełko spoczywało na podłodze. W kierunku pionowym siły są zrównoważone, to znaczy siła pionowa netto wynosi zero. Z pewnością byłoby bardzo zaskakujące, gdyby pudełko przesunęło się w górę. Ale w kierunku poziomym występuje siła tarcia.

Teraz, aby przesłanka pierwszego prawa Newtona została spełniona, musimy zredukować tarcie do minimum. Można to z grubsza osiągnąć, szukając bardzo gładkiej powierzchni, na którą rozpylamy olej silikonowy.

Ponieważ olej silikonowy zmniejsza tarcie prawie do zera, więc gdy to pudełko zostanie rzucone poziomo, przez długi czas utrzyma swoją prędkość i kierunek.

Jest to to samo zjawisko, które występuje u łyżwiarza na lodowisku lub w przypadku krążków hokejowych, gdy są one napędzane i wypuszczane samodzielnie.

W opisanych sytuacjach, w których tarcie zmniejsza się prawie do zera, wypadkowa siła jest praktycznie zerowa, a obiekt utrzymuje swoją prędkość, zgodnie z pierwszą zasadą Newtona.

Według Arystotelesa nie mogło się to zdarzyć, ponieważ zgodnie z tą naiwną teorią ruch zachodzi tylko wtedy, gdy na poruszający się obiekt działa siła wypadkowa.

Zamarzniętą powierzchnię można uznać za bardzo niskie tarcie. Źródło: Pixabay.

Wyjaśnienie pierwszego prawa Newtona

Bezwładność i masa

Masa to wielkość fizyczna, która wskazuje ilość materii, jaką zawiera ciało lub przedmiot.

Masa jest zatem nieodłączną własnością materii. Ale materia składa się z atomów, które mają masę. Masa atomu jest skoncentrowana w jądrze. To protony i neutrony w jądrze praktycznie definiują masę atomu i materii.

Masę zwykle mierzy się w kilogramach (kg), jest to podstawowa jednostka Międzynarodowego Układu Jednostek (SI).

Prototypem lub odniesieniem do kg jest walec platynowo-irydowy, który jest przechowywany w Międzynarodowym Biurze Miar w Sèvres we Francji, chociaż w 2018 roku został powiązany ze stałą Plancka i nowa definicja wchodzi w życie z dniem 20 maja 2019 r.

Cóż, zdarza się, że bezwładność i masa są ze sobą powiązane. Im większa masa, tym większa bezwładność obiektu. Zmiana stanu ruchu obiektu masywniejszego niż mniej masywnego jest znacznie trudniejsza lub bardziej kosztowna pod względem energii.

Przykład

Na przykład, potrzeba dużo więcej siły i dużo więcej pracy, aby podnieść 1-tonowe (1000 kg) pudełko z pozycji spoczynkowej niż 1-kilogramowe (1 kg) pudełko. Dlatego często mówi się, że pierwsza ma większą bezwładność niż druga.

Ze względu na związek między bezwładnością a masą Newton zdał sobie sprawę, że sama prędkość nie jest reprezentatywna dla stanu ruchu. Dlatego zdefiniował wielkość znaną jako pęd lub pęd, która jest oznaczona literą p i jest iloczynem masy m i prędkości v :

p = m v

Pogrubiona czcionka p i v wskazuje, że są to wielkości fizyczne wektorowe, to znaczy są wielkościami o wielkości, kierunku i sensie.

Z drugiej strony masa m jest wielkością skalarną, której przypisana jest liczba, która może być większa lub równa zero, ale nigdy nie jest ujemna. Jak dotąd w znanym wszechświecie nie znaleziono żadnego obiektu o ujemnej masie.

Newton doprowadził swoją wyobraźnię i abstrakcję do skrajności, definiując tak zwaną wolną cząstkę. Cząstka jest punktem materialnym. Oznacza to, że jest podobny do punktu matematycznego, ale z masą:

Wolna cząstka to ta cząstka, która jest tak odizolowana, tak daleko od innego obiektu we wszechświecie, że nic nie może wywierać na nią żadnej interakcji ani siły.

Później Newton zdefiniował inercyjne układy odniesienia, które będą tymi, w których obowiązują jego trzy prawa ruchu. Oto definicje zgodne z tymi pojęciami:

Inercyjny układ odniesienia

Każdy układ współrzędnych przyłączony do swobodnej cząstki lub poruszający się ze stałą prędkością w stosunku do swobodnej cząstki będzie inercjalnym układem odniesienia.

Pierwsza zasada Newtona (prawo bezwładności)

Jeśli cząstka jest wolna, to ma stały pęd względem inercjalnego układu odniesienia.

Pierwsze prawo i pęd Newtona. Źródło: wykonane samodzielnie.

Rozwiązane ćwiczenia

Ćwiczenie 1

160-gramowy krążek hokejowy trafia na lodowisko z prędkością 3 km / h. Znajdź jego rozmach.

Rozwiązanie

Masa dysku w kilogramach wynosi: m = 0,160 kg.

Prędkość w metrach na sekundę: v = (3 / 3,6) m / s = 0,8333 m / s

Wielkość ruchu lub pęd p oblicza się następująco: p = m * v = 0,1333 kg * m / s,

Ćwiczenie 2

Tarcie w przednim dysku jest uważane za zerowe, więc pęd zostaje zachowany, o ile nic nie zmienia prostego przebiegu dysku. Wiadomo jednak, że na dysk działają dwie siły: ciężar dysku i kontakt lub normalna siła, jaką wywiera na niego podłoga.

Oblicz wartość siły normalnej w niutonach i jej kierunek.

Rozwiązanie

Ponieważ pęd jest zachowany, wypadkowa siła na krążku hokejowym musi wynosić zero. Waga jest skierowana pionowo w dół i obowiązuje: P = m * g = 0,16 kg * 9,81 m / s²

Siła normalna musi koniecznie przeciwdziałać ciężarowi, więc musi być skierowana pionowo w górę, a jej wielkość będzie wynosić 1,57 N.

Ciekawe artykuły

Przykłady prawa Newtona w prawdziwym życiu.

Bibliografia

1. Alonso M., Finn E. Fizyka tom I: Mechanika. 1970. Fondo Educativo Interamericano SA
2. Hewitt, P. Konceptualne nauki fizyczne. Piąta edycja. Osoba. 67-74.
3. Młody, Hugh. Fizyka uniwersytecka z fizyką współczesną. 14. wyd. Pearson. 105-107.