NEWTONOV PRVI ZAKON: FORMULE, POSKUSI IN VAJE - FIZIČNO - 2026

Prvi zakon Newton , znan tudi kot pravo vztrajnosti, je Isaac Newton, fizik, matematik, filozof, teolog, angleški izumitelj in alkimist najprej predlagal. Ta zakon določa naslednje: "Če predmet ni podvržen nobeni sili ali če sile, ki delujejo nanj, odpovedo druga drugo, potem se bo še naprej premikal s konstantno hitrostjo po ravni črti."

V tej izjavi se bo ključna beseda nadaljevala. Če so prostori zakona izpolnjeni, bo predmet nadaljeval s svojim gibanjem, kot ga je imel. Razen če se ne pojavi neuravnotežena sila in ne spremeni stanja gibanja.

Pojasnilo Newtonovega prvega zakona. Vir: self made.

To pomeni, da če je objekt v mirovanju, bo še naprej počival, razen če ga sila izvleče iz tega stanja. Pomeni tudi, da če se predmet premika s fiksno hitrostjo v ravni smeri, se bo še naprej premikal tako. Spremenilo se bo šele, ko kakšen zunanji agent nanjo izvrši silo in spremeni hitrost.

Ozadje zakona

Isaac Newton se je rodil v dvorcu Woolsthorpe (Združeno kraljestvo) 4. januarja 1643 in umrl v Londonu 1727.

Natančen datum, ko je sir Isaac Newton odkril svoje tri zakone dinamike, vključno s prvim zakonom, ni zanesljivo znan. Znano pa je, da je bilo 5. julija 1687 pred izdajo znamenite knjige Matematična načela naravne filozofije.

Slovar Kraljevske španske akademije besedo inercija določa tako:

"Lastnost organov, da vzdržujejo stanje počitka ali gibanja, če ne z dejanjem sile."

Ta izraz se uporablja tudi za potrditev, da vsaka situacija ostane nespremenjena, ker ni bilo vloženega truda za njeno doseganje, zato je včasih beseda inercija konotacija rutina ali lenoba.

Prednovotonski pogled

Pred Newtonom so bile prevladujoče ideje velikega grškega filozofa Aristotela, ki je zatrdil, da mora nek objekt, ki ga je treba držati v gibanju, nanj delovati. Ko sila preneha, potem bo tako tudi gibanje. Ni tako, ampak tudi danes mnogi tako mislijo.

Galileo Galilei, briljantni italijanski astronom in fizik, ki je živel med leti 1564 in 1642, je eksperimentiral in analiziral gibanje teles.

Ena od Galileovih opažanj je bila, da telo, ki drsi po gladki in polirani površini z določenim začetnim impulzom, traja dlje, da se ustavi in ​​ima več vožnje v ravni črti, saj je trenje med telesom in površino manjše.

Očitno je, da je Galileo obravnaval idejo o vztrajnosti, vendar ni prišel do izjave tako natančno kot Newton.

V nadaljevanju predlagamo nekaj preprostih poskusov, s katerimi lahko bralec izvede rezultate in potrdi rezultate. Opazovanja bodo analizirana tudi glede na Aristotelov pogled na gibanje in Newtonov pogled.

Poskusi z vztrajnostjo

Preizkus 1

Škatla se poganja na tla in nato pogonska sila zavira. Opazimo, da škatla prehodi kratko pot, dokler se ne ustavi.

Razložimo prejšnji poskus in njegov rezultat v okviru teorij pred Newtonom in nato po prvem zakonu.

V aristotelovski viziji je bila razlaga zelo jasna: škatla se je ustavila, ker je bila sila, ki jo je premikala, suspendirana.

V Newtonijevi viziji škatla na tleh / tleh ne more nadaljevati gibanja s hitrostjo, ki jo je imela v trenutku, ko je bila sila suspendirana, ker med tlemi in škatlo deluje neuravnotežena sila, zaradi česar se hitrost zmanjšuje, dokler box se ustavi. Je sila trenja.

V tem poskusu premisleki Newtonovega zakona niso izpolnjeni, zato se je škatla ustavila.

Preizkus 2

Spet je škatla na tleh / tleh. V tej priložnosti se sila na škatli ohrani tako, da kompenzira ali uravnoteži silo trenja. To se zgodi, ko dobimo polje, da sledimo s konstantno hitrostjo in v ravni smeri.

Ta poskus ne nasprotuje aristotelovskemu pogledu na gibanje: škatla se premika s konstantno hitrostjo, ker nanjo deluje sila.

Prav tako ne nasprotuje Newtonovemu pristopu, saj so vse sile, ki delujejo na škatlo, uravnotežene. Pa poglejmo:

• V vodoravni smeri je sila, ki deluje na škatlo, enaka in v nasprotni smeri sile trenja med škatlo in tlemi.
• Torej je neto sila v vodoravni smeri enaka nič, zato škatla ohranja svojo hitrost in smer.

Tudi v navpični smeri so sile uravnotežene, saj se teža škatle, ki je sila, usmerjena navpično navzdol, natančno kompenzira s kontaktno (ali normalno) silo, ki jo tla izvaja na škatli navpično navzgor.

Mimogrede, teža škatle je posledica gravitacijskega vleka Zemlje.

3. poskus

Nadaljujemo s škatlo, ki leži na tleh. V navpični smeri so sile uravnotežene, to je neto navpična sila enaka nič. Vsekakor bi bilo zelo presenetljivo, če bi se škatla premaknila navzgor. Toda v vodoravni smeri deluje sila trenja.

Da bi se izpolnila predpostavka prvega zakona o Newtonu, moramo trenje zmanjšati na njegov minimalni izraz. To lahko dosežemo dokaj približno, če iščemo zelo gladko površino, na katero razpršimo silikonsko olje.

Ker silikonsko olje zmanjša trenje na skoraj nič, tako da, ko to škatlo vržemo vodoravno, bo dolgo ohranjalo svojo hitrost in smer.

Gre za isti pojav, ki se zgodi s drsalcem na drsališču ali pa s hokejem na ledu, ko jih poganjajo in sproščajo sami.

V opisanih situacijah, v katerih se trenje zmanjša skoraj na nič, je izhodna sila praktično enaka in predmet ohranja svojo hitrost, po Newtonovem prvem zakonu.

Po aristotelovskem pogledu se to ne bi moglo zgoditi, saj se po tej naivni teoriji gibanje pojavi le, kadar na gibljiv predmet deluje neto sila.

Zamrznjeno površino lahko štejemo za zelo nizko trenje. Vir: Pixabay.

Newtonovo prvo razlago zakona

Inercija in masa

Masa je fizikalna količina, ki označuje količino snovi, ki jo vsebuje telo ali predmet.

Masa je torej lastna lastnost materije. Toda snov je sestavljena iz atomov, ki imajo maso. Masa atoma je koncentrirana v jedru. Prav protoni in nevtroni v jedru praktično definirajo maso atoma in snovi.

Masa se običajno meri v kilogramih (kg), je osnovna enota mednarodnega sistema enot (SI).

Prototip ali sklicevanje na kg je platina in iridij, ki se hrani v Mednarodnem uradu za uteži in mere v Sèvresu v Franciji, čeprav je bil leta 2018 povezan s Planckovo konstanto in nova opredelitev začne veljati od 20. maja 2019.

No, zgodi se, da sta inercija in masa povezana. Večja kot je masa, večjo vztrajnost ima predmet. Veliko bolj težko ali drago je z vidika energije spremeniti gibanje bolj masivnega predmeta kot manj masivnega.

Primer

Na primer, za dvig eno-tonske (1000 kg) škatle iz počitka je potrebnih veliko več sile in veliko več dela kot enokilogramska (1 kg) škatla. Zato se pogosto reče, da ima prvi večjo vztrajnost kot drugi.

Zaradi razmerja med inercijo in maso je Newton spoznal, da hitrost sama po sebi ni reprezentativna za gibanje. Zato je določil količino, znano kot zagon ali zagon, ki jo označuje črka p in je produkt mase m in hitrosti v :

p = m v

Krepki v p in v označujeta, da gre za vektorske fizične količine, torej da so količine z velikostjo, smerjo in smislom.

Po drugi strani je masa m skalarna količina, ki ji je dodeljeno število, ki je lahko večje od ali enako nič, a nikoli negativno. Do zdaj v znanem vesolju niso našli nobenega predmeta negativne mase.

Newton je svojo domišljijo in abstrakcijo potegnil do skrajnosti, tako da je opredelil tako imenovane proste delce. Delček je materialna točka. To je kot matematična točka, vendar z maso:

Prosti delec je tisti delček, ki je tako izoliran, tako daleč od drugega predmeta v vesolju, da ničesar ne more nanj izvajati nobene interakcije ali sile.

Kasneje je Newton določil inercialne referenčne sisteme, ki bodo tisti, v katerih veljajo njegovi trije zakoni gibanja. Tu so opredelitve po teh konceptih:

Inercialni referenčni sistem

Vsak koordinatni sistem, ki je pritrjen na prosti delec ali se giblje s konstantno hitrostjo glede na prosti delec, bo inercijski referenčni sistem.

Newtonov prvi zakon (inercijski zakon)

Če je delec prost, ima ta konstanten zagon glede na inercijski referenčni okvir.

Newtonov prvi zakon in zagon. Vir: self made.

Rešene vaje

Vaja 1

160-gramski hokejski pak se na drsališču poda s hitrostjo 3 km / h. Najdi svoj zagon.

Rešitev

Masa diska v kilogramih je: m = 0,160 kg.

Hitrost v metrih v sekundi: v = (3 / 3,6) m / s = 0,8333 m / s

Količina gibanja ali zagon p se izračuna na naslednji način: p = m * v = 0,1333 kg * m / s,

Vaja 2

Trenje v sprednjem disku se šteje za nič, zato se ohrani zagon, dokler nič ne spremeni ravnega toka diska. Vendar je znano, da na disk delujeta dve sili: teža diska in kontaktna ali normalna sila, ki jo tla izvaja na njem.

Izračunajte vrednost normalne sile v newtonih in njeno smer.

Rešitev

Ker je zagon ohranjen, mora biti rezultat hokejske plošče enak nič. Teža kaže navpično navzdol in velja: P = m * g = 0,16 kg * 9,81 m / s²

Normalna sila mora nujno nasprotovati teži, zato mora biti usmerjena navpično navzgor in njena veličina bo 1,57 N.

Članki o interesu

Primeri Newtonovega zakona v resničnem življenju.

Reference

1. Alonso M., Finn E. Fizika letnik I: Mehanika. 1970. Fondo Educativo Interamericano SA
2. Hewitt, P. Konceptualna fizikalna znanost. Peta izdaja. Pearson. 67–74.
3. Mladi, Hugh. Univerzitetna fizika s sodobno fiziko. 14. ed. Pearson. 105–107.