NEWTONIN ENSIMMÄINEN LAKI: KAAVAT, KOKEET JA HARJOITUKSET - FYYSINEN - 2026

Ensimmäinen laki Newton, joka tunnetaan myös lakia inertia, esitti ensimmäisenä Isaac Newton, fyysikko, matemaatikko, filosofi, teologi, Englanti keksijä ja alkemisti. Tässä laissa todetaan seuraavaa: "Jos esineeseen ei kohdistu mitään voimaa tai jos siihen vaikuttavat voimat kumoavat toisiaan, niin se jatkaa liikkumista vakionopeudella suorassa linjassa."

Tässä lausunnossa avainsana on jatkettava. Jos lain edellytykset täytetään, esine jatkaa liikkumistaan ​​kuin ennen. Ellei epätasapainoinen voima ilmesty ja muuttaa liikettä.

Selitys Newtonin ensimmäisestä laista. Lähde: itse tehty.

Tämä tarkoittaa, että jos esine on levossa, se jatkaa lepoaan paitsi jos voima vie sen pois kyseisestä tilasta. Se tarkoittaa myös, että jos esine liikkuu kiinteällä nopeudella suorassa suunnassa, se jatkaa liikkumista tällä tavalla. Se muuttuu vasta kun jokin ulkoinen edustaja kohdistaa siihen voiman ja muuttaa nopeuttaan.

Lain tausta

Isaac Newton syntyi Woolsthorpen kartanossa (Yhdistynyt kuningaskunta) 4. tammikuuta 1643 ja kuoli Lontoossa vuonna 1727.

Tarkkaa päivämäärää, jolloin Sir Isaac Newton löysi kolme dynamiikkalakiansa, mukaan lukien ensimmäinen laki, ei tiedä varmuudella. Mutta tiedetään, että se oli kauan ennen kuuluisan kirjan julkaisua Matemaattiset luonnonfilosofian periaatteet, 5. heinäkuuta 1687.

Espanjan kuninkaallisen akatemian sanakirjassa määritellään sana hitaus seuraavasti:

"Kehojen omaisuus ylläpitää lepo- tai liikkumistilojaan, ellei se ole voiman vaikutuksesta."

Tätä termiä käytetään myös vahvistamaan, että tilanne pysyy muuttumattomana, koska sen saavuttamiseksi ei ole pyritty, siksi toisinaan sana hitaus tarkoittaa rutiinin tai laiskuuden merkitystä.

Ennen Newtonin mieltä

Ennen Newtonia hallitsevat ideat olivat suuren kreikkalaisen filosofin Aristotelesin, joka vakuutti, että jonkin esineen liikkumisen jatkamiseksi, sen on toimittava voiman avulla. Kun voima loppuu, niin myös liike. Ei niin, mutta nykyäänkin monet ajattelevat niin.

Galileo Galilei, loistava italialainen tähtitieteilijä ja fyysikko, joka asui vuosina 1564-1642, kokeili ja analysoi vartalojen liikettä.

Yksi Galileon havainnoista oli, että vartalo, joka liukuu sileälle ja kiillotetulle pinnalle tietyllä alkuimpulssilla, pysähtyy kauemmin ja kulkee enemmän suorassa linjassa, koska kehon ja pinnan välinen kitka on vähemmän.

On selvää, että Galileo käsitteli inertian ajatusta, mutta hän ei tullut muotoamaan yhtä tarkkaa lausumaa kuin Newton.

Alla ehdotamme joitain yksinkertaisia ​​kokeita, jotka lukija voi suorittaa ja vahvistaa tulokset. Havaintoja analysoidaan myös aristotelilaisen liikkeenäkymän ja Newtonin näkemyksen perusteella.

Inertiakokeet

Koe 1

Laatikko ajaa lattialle ja sitten käyttövoima ripustetaan. Huomaa, että laatikko kulkee lyhyen matkan, kunnes se pysähtyy.

Tulkitaan aikaisempi kokeilu ja sen tulokset Newtonin edessä olevien teorioiden puitteissa ja sitten ensimmäisen lain mukaan.

Aristotelilaisen visiossa selitys oli hyvin selkeä: laatikko pysähtyi, koska sitä liikuttava voima keskeytettiin.

Newtonilaisessa näkymässä lattia / maa-laatikko ei voi jatkaa liikkumista sillä nopeudella, jolla sillä oli voiman suspendoitumishetkellä, koska lattian ja laatikon välillä on epätasapainoinen voima, joka aiheuttaa nopeuden laskun kunnes ruutu pysähtyy. Se on kitkavoima.

Tässä kokeessa Newtonin ensimmäisen lain edellytyksiä ei ole täytetty, joten ruutu pysähtyi.

Koe 2

Jälleen se on laatikko lattialla / maassa. Tässä mahdollisuudessa koteloon kohdistuva voima ylläpidetään siten, että se kompensoi tai tasapainottaa kitkavoimaa. Näin tapahtuu, kun saamme laatikon seuraamaan vakionopeudella ja suorassa suunnassa.

Tämä koe ei ole ristiriidassa aristotelilaisen näkemyksen kanssa liikkuvuudesta: laatikko liikkuu vakionopeudella, koska siihen kohdistetaan voima.

Se ei myöskään ole ristiriidassa Newtonin lähestymistavan kanssa, koska kaikki ruutuun vaikuttavat voimat ovat tasapainossa. Katsotaan:

• Vaakasuunnassa laatikkoon kohdistuva voima on yhtä suuri ja vastakkaiseen suuntaan kuin laatikon ja lattian välinen kitkavoima.
• Joten nettovoima vaakasuunnassa on nolla, siksi laatikko ylläpitää nopeuttaan ja suuntaansa.

Myös pystysuunnassa voimat ovat tasapainossa, koska laatikon paino, joka on pystysuoraan alaspäin osoittava voima, kompensoidaan tarkalleen kosketusvoimalla (tai normaalilla) voimalla, jonka maa kohdistaa laatikkoon pystysuoraan ylöspäin.

Muuten, laatikon paino johtuu maapallon vetovoimasta.

Koe 3

Jatkamme laatikko lepää lattialla. Pystysuunnassa voimat ovat tasapainossa, ts. Vertikaalinen nettovoima on nolla. Olisi varmasti erittäin yllättävää, jos laatikko siirtyisi ylöspäin. Mutta vaakasuunnassa on kitkavoima.

Nyt, jotta Newtonin ensimmäisen lain lähtökohta täyttyisi, meidän on vähennettävä kitka sen minimikuvaukseen. Tämä voidaan saavuttaa melko karkeasti, jos etsimme erittäin sileää pintaa, jolle suihkutetaan silikoniöljyä.

Koska silikoniöljy vähentää kitkaa lähes nollaan, joten kun tämä laatikko heitetään vaakatasossa, se ylläpitää nopeuttaan ja suuntaansa pitkään.

Se on sama ilmiö, joka tapahtuu luistelijan kanssa jäähalli tai jääkiekko kiekon kanssa, kun he ajavat ja vapauttavat itsensä.

Kuvatuissa tilanteissa, joissa kitka pienenee melkein nollaan, syntyvä voima on käytännössä nolla ja esine ylläpitää nopeuttaan Newtonin ensimmäisen lain mukaan.

Aristotelilaisen mielestä tätä ei voinut tapahtua, koska tämän naiivin teorian mukaan liike tapahtuu vain, kun liikkuvaan esineeseen kohdistuu nettovoima.

Jäätyneen pinnan voidaan katsoa olevan erittäin pieni kitka. Lähde: Pixabay.

Newtonin ensimmäinen laki-selitys

Inertia ja massa

Massa on fyysinen määrä, joka ilmaisee aineen määrän, jonka elin tai esine sisältää.

Massat ovat silloin aineen luontainen ominaisuus. Mutta aine koostuu atomeista, joilla on massa. Atomin massa on keskittynyt ytimeen. Ytimen protonit ja neutronit määrittelevät käytännössä atomin ja aineen massan.

Massa mitataan yleensä kilogrammoina (kg), se on kansainvälisen yksikköjärjestelmän (SI) perusyksikkö.

Kg: n prototyyppi tai viite on platina- ja iridium-sylinteri, jota pidetään kansainvälisessä paino- ja mittatoimistossa Sèvresissä Ranskassa, vaikka vuonna 2018 se yhdistettiin Planckin vakioon ja uusi määritelmä tulee voimaan 20. toukokuuta 2019.

No, tapahtuu, että hitaus ja massa liittyvät toisiinsa. Mitä suurempi massa, sitä suurempi hitaus esineellä on. Energian suhteen on paljon vaikeampaa tai kalliimpaa muuttaa massiivisemman esineen kuin vähemmän massiivisen esineen liiketilaa.

esimerkki

Esimerkiksi yhden tonnin (1000 kg) laatikon nostamiseksi levosta vie paljon enemmän voimaa ja paljon enemmän työtä kuin yhden kilogramman (1 kg) laatikon. Siksi sanotaan usein, että ensimmäisellä on enemmän inertiaa kuin toisella.

Hitauden ja massan välisestä suhteesta johtuen Newton tajusi, että nopeus yksinään ei edusta liikkumistilaa. Siksi hän määritteli impulssina tai vauhtina kutsutun määrän, jota merkitään kirjaimella p ja joka on massan m ja nopeuden v tulo:

p = m v

Lihavoidut p- ja v- merkinnät osoittavat, että ne ovat vektorifysikaalisia suureita, ts. Ne ovat suuruuksia, suuntaa ja aistia.

Toisaalta massa m on skalaarimäärä, jolle on osoitettu luku, joka voi olla suurempi tai yhtä suuri kuin nolla, mutta ei koskaan negatiivinen. Toistaiseksi tunnetusta maailmankaikkeudesta ei ole löydetty mitään negatiivisen massan objektia.

Newton vei mielikuvituksensa ja abstraktinsa äärimmäisyyteen määritteleen ns. Vapaan hiukkasen. Hiukkanen on aineellinen piste. Eli se on kuin matemaattinen piste, mutta massalla:

Vapaa hiukkanen on hiukkanen, joka on niin eristetty, niin kaukana toisesta universumin esineestä, että mikään ei voi aiheuttaa minkäänlaista vuorovaikutusta tai voimaa siihen.

Myöhemmin Newton määritteli inertiaaliset referenssijärjestelmät, jotka ovat ne, joissa hänen kolmea liikettä koskevaa lakia sovelletaan. Tässä on näiden käsitteiden mukaiset määritelmät:

Inertiaalinen referenssijärjestelmä

Mikä tahansa koordinaattijärjestelmä, joka on kiinnitetty vapaaseen hiukkaseseen tai joka liikkuu vakionopeudella vapaan hiukkasen suhteen, on inertia referenssijärjestelmä.

Newtonin ensimmäinen laki (hitauslaki)

Jos hiukkanen on vapaa, niin sillä on vakiovahti suhteessa inertiaaliseen viitekehykseen.

Newtonin ensimmäinen laki ja vauhti. Lähde: itse tehty.

Ratkaistuja harjoituksia

Harjoitus 1

160 gramman jääkiekko kiekko menee luistinlaiturilla nopeudella 3 km / h. Löydä sen vauhti.

Ratkaisu

Levyn massa kilogrammoina on: m = 0,160 kg.

Nopeus metreinä sekunnissa: v = (3 / 3,6) m / s = 0,8333 m / s

Liikkeen tai vauhdin p määrä lasketaan seuraavasti: p = m * v = 0,1333 kg * m / s,

Harjoitus 2

Etulevyn kitkaa pidetään nollana, joten vauhti säilyy niin kauan kuin mikään ei muuta levyn suoraa kulkua. On kuitenkin tiedossa, että kiekkoon vaikuttaa kaksi voimaa: kiekon paino ja kosketin- tai normaali voima, jonka lattia kohdistaa siihen.

Laske normaalivoiman arvo newtonina ja sen suunta.

Ratkaisu

Koska vauhti on säilynyt, tuloksena olevan voiman jääkiekkoripillä on oltava nolla. Paino osoittaa pystysuoraan alaspäin ja on kelvollinen: P = m * g = 0,16 kg * 9,81 m / s²

Normaalin voiman on välttämättä vastattava painoon, joten sen on osoitettava pystysuoraan ylöspäin ja sen suuruus on 1,57 N.

Kiinnostavat artikkelit

Esimerkkejä Newtonin laista tosielämässä.

Viitteet

1. Alonso M., Finn E. Fysiikan osa I: Mekaniikka. 1970. Fondo Educativo Interamericano SA
2. Hewitt, P. Käsitteellinen fysikaalinen tiede. Viides painos. Pearson. 67-74.
3. Nuori, Hugh. Yliopistofysiikka modernin fysiikan kanssa. 14. toimittaja Pearson. 105-107.