Gyakorlati bevezetés Newton 3 mozgás törvényéhez

A Newton által kifejlesztett minden mozgási törvénynek jelentős matematikai és fizikai értelmezése van, amelyre szükség van ahhoz, hogy megértsük a mozgást az univerzumban. Ezen mozgási törvények alkalmazása valóban korlátlan.

Newton törvényei alapvetően meghatározzák azokat az eszközöket, amelyek segítségével a mozgás megváltozik, különösképpen azt a módot, ahogyan ezek a mozgásváltozások kapcsolódnak az erőhez és a tömeghez.

Sir Isaac Newton (1642-1727) egy brit fizikus volt, aki sok tekintetben a mindenkori legnagyobb fizikusnak tekinthető. Noha voltak néhány előadók, mint például az Archimedes, a Kopernikusz és a Galileo, Newton volt a valódi példa a tudományos kutatás módszerére, amelyet az egész korosztályban alkalmaznak.

Közel egy évszázadig, Arisztotelész leírása a fizikai világegyetemről elégtelennek bizonyult a mozgás (vagy a természet mozgásának, ha szükséges) leírására. Newton megoldotta a problémát, és három általános szabályt fogalmazott meg a tárgyak mozgására vonatkozóan, amelyeket "Newton három mozgási törvényének" neveztek.

1687-ben Newton bemutatta a három törvényt a "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica" című könyvében A természetes filozófia alapelvei), amelyet általában "Principia" -nak hívnak. Itt is bemutatta övé az egyetemes gravitáció elmélete, így egy kötetben lerakja a klasszikus mechanika teljes alapját.

• Newton első mozgási törvénye kimondja, hogy ahhoz, hogy egy tárgy mozgása megváltozzon, erőnek kell rá hatnia. Ez egy olyan fogalom, amelyet általában tehetetlenségnek hívnak.
• Newton második mozgási törvénye határozza meg a gyorsulás, az erő és a tömeg közötti kapcsolatot.
• Newton harmadik mozgási törvénye kimondja, hogy minden alkalommal, amikor egy erő az egyik tárgyról a másikra hat, egyenlő erő lép fel az eredeti tárgyra. Ezért, ha egy kötélen húz, akkor a kötél is magára húz.

• A szabad test diagramjai azok az eszközök, amelyek segítségével nyomon követhetők a különböző erők tárgyra hatással és ezért határozza meg a végső gyorsulást.
• A vektormatematikát nyomon követik az érintett erők és gyorsulások irányainak és nagyságainak.
• Változó egyenletek használják komplex fizika problémákat.

Minden test folytatja nyugalmi állapotát vagy egyenletes mozgást egyenes vonalban, kivéve, ha arra kényszerítik, hogy ezt az állapotot megváltoztassa rá rá hatással.
- Newton elsője A mozgás törvénye, fordítva a "Principia"

Ezt néha inerciás törvénynek hívják, vagy csak tehetetlenségnek. Alapvetően a következő két pontot fogalmazza meg:

• Egy nem mozgó objektum csak addig mozog Kényszerítés viselkedik rajta.
• Egy mozgásban lévő tárgy nem változtatja meg a sebességet (vagy megáll), amíg egy erő rá nem hat.

Az első pont viszonylag nyilvánvalónak tűnik a legtöbb ember számára, de a második átgondolhatja néhány dolgot. Mindenki tudja, hogy a dolgok nem mozognak örökké. Ha egy hoki korongot csúsztatom az asztal mentén, ez lelassul, és végül megáll. Newton törvényei szerint ennek oka az, hogy egy erõ hat a hoki korongra, és elég biztos, hogy az asztal és a korong között súrlódó erõ van. Ez a súrlódási erő abban az irányban van, amely ellentétes a korong mozgásával. Ez az erő okozza a tárgy leállítását. Ilyen erő hiányában (vagy virtuális távollétében), például egy légi jégkorong-asztalon vagy jégpályán, a korong mozgása nem olyan akadályozott.

Íme egy másik módszer a Newton első törvényének megállapítására:

A test, amelyre nincs nettó erő hatással, állandó sebességgel (ami nulla lehet) és nulla lehet gyorsulás.

Tehát nettó erő nélkül a tárgy csak azt folytatja, amit csinál. Fontos megjegyezni a szavakat net erő. Ez azt jelenti, hogy az objektumra ható összes erőnek nullának kell lennie. A talammon ülő tárgy gravitációs erővel húzza lefelé, de van egy normális erő felfelé tolva a talajtól, tehát a nettó erő nulla. Ezért nem mozog.

A jégkorongkorong példájához való visszatéréshez vegye fontolóra két embert, akik ütik a jégkorongkorongot pontosan ellentétes oldalán pontosan ugyanabban az időben és velük pontosan azonos erő. Ebben a ritka esetben a korong nem mozdult.

Mivel mind a sebesség, mind az erő vektormennyiségek, az irányok fontosak ebben a folyamatban. Ha egy erő (például gravitáció) lefelé hat egy tárgyra, és nincs felfelé irányuló erő, akkor a tárgy függőleges gyorsulást fog lefelé hajtani. A vízszintes sebesség azonban nem változik.

Ha ledob egy labdát másodpercenként 3 méter vízszintes sebességgel az erkélyemről, akkor vízszintesen üt a földre sebesség 3 m / s sebességgel (figyelmen kívül hagyva a levegőellenállás erejét), annak ellenére, hogy a gravitáció függőleges irányban erőt (és ezért gyorsulást) gyakorolt. Ha nem a gravitáció, a labda egyenes vonalban haladt volna legalább... amíg el nem érte a szomszédom házát.

Egy adott testre ható erő által generált gyorsulás közvetlenül arányos az erő nagyságával, és fordítva arányos a test tömegével.
(Lefordítva a "Principia" -ról)

A második törvény matematikai megfogalmazását az alábbiakban mutatjuk be: F képviseli az erőt, m képviseli az objektumot tömeg és egy az objektum gyorsulásának ábrázolása.

∑​ F = ma

Ez a képlet rendkívül hasznos a klasszikus mechanikában, mivel lehetővé teszi az adott tömegre ható gyorsulás és erő közötti közvetlen fordítást. A klasszikus mechanika nagy része végül lebontja ezt a képletet különböző kontextusokban.

Az erőtől balra található szigma szimbólum azt jelzi, hogy ez a nettó erő, vagy az összes erő összege. A vektormennyiségként a nettó erő iránya ugyancsak azonos lesz a gyorsulással. Az egyenletet le is bonthatja x és y (sőt még Z) koordinátákat, amelyek sok bonyolult problémát kezelhetőbbé tehetnek, különösen, ha a koordinátarendszert megfelelően irányítja.

Megjegyezzük, hogy amikor az objektum nettó erői nullára növekednek, akkor elérjük a Newton első törvényében meghatározott állapotot: a nettó gyorsításnak nullának kell lennie. Ezt tudjuk, mert minden tárgynak tömege van (legalábbis a klasszikus mechanikában). Ha az objektum már mozog, akkor állandóan mozog sebesség, de ez a sebesség nem változik, amíg nettó erőt nem vezetnek be. Nyilvánvaló, hogy egy nyugalomban lévő tárgy egyáltalán nem fog mozogni hálóerő nélkül.

Egy 40 kg tömegű doboz nyugszik a súrlódásmentes csempe padlón. Lábával 20 N erőt kell vízszintesen alkalmazni. Mi a doboz gyorsulása?

A tárgy nyugalmi helyzetben van, tehát nincs nettó erő, kivéve a lábának kifejtett erőt. A súrlódás megszűnt. Ezenkívül csak egy erőszak-irány van, amely miatt aggódni kell. Tehát ez a probléma nagyon egyértelmű.

A problémát azzal határozza meg, hogy meghatározza a koordináta-rendszer. A matematika hasonlóan egyértelmű:

F = m * egy

F / m = ​egy

20 N / 40 kg = egy = 0,5 m / s2

Az e törvényen alapuló problémák szó szerint végtelenek: a képlet segítségével meghatározhatja a három érték bármelyikét, amikor a másik kettőt kapod. Ahogy a rendszerek bonyolultabbá válnak, megtanulják alkalmazni a súrlódási erőket, a gravitációt, elektromágneses erők, és más alkalmazandó erők ugyanazon alapképletekhez.

Minden fellépéshez mindig ellenzik az egyenlő reakciót; vagy két test kölcsönös fellépései egymással szemben mindig egyenlőek, és ellentétes részekre irányulnak.

(Lefordítva a "Principia" -ról)

A harmadik törvényt úgy reprezentáljuk, hogy két testre nézzünk, A és B, amelyek kölcsönhatásban vannak. Meghatározzuk FA mint a testre kifejtett erő A test szerint B, és FA mint a testre kifejtett erő B test szerint A. Ezek az erők nagyságrendben azonosak és irányba ellentétesek. Matematikai értelemben az alábbiak szerint fejezik ki:

FB = - FA

vagy

FA + FB = 0

Ez azonban nem ugyanaz, mintha nulla nettó erő lenne. Ha erőt gyakorol az asztalon ülő üres cipődobozra, akkor a cipődoboz ugyanolyan erőt gyakorol önre. Ez eleinte nem hangzik - nyilvánvalóan rádobja a dobozt, és nyilvánvalóan nem rád nyom. Ne feledje, hogy a Második szerint Törvény, az erő és a gyorsulás összefüggenek, de nem azonosak!

Mivel a tömeged sokkal nagyobb, mint a cipődoboz tömege, az általad kifejtett erő gyorsabban gyorsul tőled. Az az erő, amelyet Önre gyakorol, egyáltalán nem okozna gyorsulást.

Nem csak, hogy az ujj hegyére nyomva az ujja viszont visszahúzódik a testébe, és a test többi része visszahúzódik a ujját, és a teste a székre vagy a padlóra (vagy mindkettőre) nyomja, amelyek mindegyike megakadályozza a test mozgását, és lehetővé teszi, hogy ujját mozgatva tartsa a Kényszerítés. Semmi sem tolja vissza a cipődobozt, hogy megakadályozza a mozgását.

Ha azonban a cipõdoboz egy fal mellett ül, és a fal felé tolja, akkor a cipõdoboz a falra nyomja, a fal pedig hátrafelé nyomja. A cipődoboz ezen a ponton ne mozogjon. Megpróbálhatja erősebben megnyomni, de a doboz eltörik, mielőtt átmenne a falon, mert nem elég erős ahhoz, hogy ilyen sok erőt megbirkózzon.

A legtöbb ember valamikor meghökkent a háborúval. Egy személy vagy embercsoport megragadja a kötél végét, és megpróbálja húzni a másik végén lévő személy vagy csoport ellen, általában áthaladt valamilyen jelzőn (igazán szórakoztató verziókban néha iszapmedencébe), ezáltal bizonyítva, hogy az egyik csoport erősebb, mint a Egyéb. Newton törvényei mindhárom háborúban láthatók.

Gyakran előfordul egy pont a háború vontatásában, amikor egyik fél sem mozog. Mindkét oldal azonos erővel húzódik. Ezért a kötél egyik irányba sem gyorsul fel. Ez egy klasszikus példa Newton első törvényére.

Ha egyszer nettó erőt alkalmaznak, például amikor az egyik csoport egy kicsit nehezebb húzni kezd, mint a másik, akkor gyorsulás kezdődik. Ez követi a második törvényt. A csoportot elveszítő csoportnak meg kell próbálnia erőszakot gyakorolni több Kényszerítés. Amikor a nettó erő az irányuk felé indul, a gyorsulás az irányukban van. A kötél mozgása lelassul addig, amíg meg nem áll, és ha nagyobb nettó erőt tartanak fenn, akkor az irányuk felé halad.

A harmadik törvény kevésbé látható, de még mindig jelen van. Amikor meghúzza a kötélt, érezheti, hogy a kötél is rád húz, és megpróbálja mozgatni téged a másik vége felé. A lábait szilárdan a földbe ültetted, és a talaj valóban visszatükrözi magát, segítve ellenállni a kötél húzásának.

Legközelebb, amikor háború vontatójátékot játszik vagy néz, vagy bármilyen sportot - gondoljon az összes erőkre és gyorsulásra a munka során. Nagyon lenyűgöző, ha felismeri, hogy megérti azokat a fizikai törvényeket, amelyek a kedvenc sportod során működnek.