Newtonovi zakoni kretanja sastoje se od tri, i to Newtonovog prvog zakona, Newtonovog drugog zakona i Newtonovog trećeg zakona.
Newtonov prvi zakon
Newtonov prvi zakon kaže da će svaki objekt koji miruje ostati u mirovanju ili će svaki objekt koji se kreće pravolinijski konstantnom brzinom nastaviti da se kreće pravolinijski konstantnom brzinom ako je ukupna sila koja djeluje na objekt nula.
Razmotrite objekt oko sebe, na primjer stol ili kamen ili bilo koji objekt. Stol koji miruje ostat će u mirovanju ako se ne pomiče ili ako se na njega ne djeluje vanjska sila, poput sile guranja ili vučenja. Slično tome, i drugi objekti koji miruju. Zar ne postoje sile koje djeluju na stol ili kamen ili bilo koji drugi objekt koji miruje? Postoje sile koje djeluju na objekt, ali zbir svih sila koje djeluju na objekt ili ukupna sila jednak je nuli. Sile koje djeluju na objekt koji miruje na površini planete poput Zemlje su gravitacija (w) i normalna sila (N). Smjer gravitacije je okomit na središte Zemlje, smjer normalne sile je okomit na središte Zemlje. Veličina ove dvije sile je ista, ali suprotnog smjera, stoga je ukupna sila jednaka nuli.
Šta je s objektom koji se kreće pravolinijski konstantnom brzinom? Da bismo razjasnili ovo pitanje, pretpostavimo da gurate objekt, na primjer komad metala, preko površine poda. Nakon što je gurnut, metalni komad usporava, a zatim se zaustavlja zbog sile trenja . Da bi se metalni komadi kretali dalje ili duže, morate zagladiti površinu poda i površinu metalnih komada. Što je površina poda i površina metalnih komada glatkija, metalni komadi će se dalje pomicati. Ako je površina poda savršeno glatka i nema trenja, metalni komadi će se nastaviti kretati i neće se zaustaviti. Da li ne djeluje sila na komad metala koji se kreće po savršeno glatkoj površini poda? Postoje sile koje djeluju na metalne komade, naime gravitacija i normalne sile. Ove dvije sile djeluju u vertikalnom smjeru i ne utiču na kretanje metalnih komada u horizontalnom smjeru ako je pod savršeno gladak.
Newtonov drugi zakon
Newtonov drugi zakon kaže da ako neto sila koja djeluje na objekt nije nula, objekt će ubrzati. Veličina ubrzanja proporcionalna je veličini neto sile i obrnuto proporcionalna masi objekta. Smjer ubrzanja isti je kao i smjer neto sile.
ΣF = ma(1.2)
Opis: ΣF = ukupna sila (kg m/s² ) , m = masa (kg), a = ubrzanje (m/ s² )
Jednačina 1.2 je matematička izjava drugog Newtonovog zakona.
Ako je veličina ubrzanja jednaka nuli (a = 0), tada se jednačina 1.2 mijenja u jednačinu 1.1. Dakle, Newtonov prvi zakon je poseban slučaj Newtonovog drugog zakona.
Na osnovu jednačine 1.2, zaključuje se da što je veća sila, to je veće ubrzanje. Obrnuto, što je veća masa, to je manje ubrzanje. Odnos između sile, mase i ubrzanja se bolje razumije nakon provođenja eksperimenata vezanih za ovo. Jedan eksperiment koji se može provesti je eksperiment ubrzanja dinamičkog voza na šinama korištenjem slobodno padajuće mase. Koristite mjerač vremena za određivanje ubrzanja voza.
Newtonov treći zakon
Newtonov treći zakon kaže da ako objekt 1 djeluje silom na objekt 2, tada istovremeno objekt 2 djeluje silom na objekt 1. Veličina obje sile je ista, ali smjer obje sile je suprotan. Jedna sila se naziva akcija, a druga sila se naziva reakcija (sila akcije-reakcije).
F akcija = – F reakcija (1.3)
Jednačina 1.3 je matematička izjava Newtonovog trećeg zakona. Negativni predznak u jednačini 1.3 označava smjer sile.
Provedite eksperiment kako biste bolje razumjeli Newtonov treći zakon. Ako imate skejtbord, gurnite se o zid dok stojite na njemu. Nakon što gurnete o zid, skejtbord se pomiče unazad. Vaš pritisak je naprijed, dok se skejtbord pomiče unazad. To pokazuje da i zid gura vas. Kada gurate o zid, istovremeno i zid gura vas. Vaša sila guranja djeluje na zid, dok sila guranja zida djeluje na vas. Dvije sile su jednake veličine, ali suprotnog smjera. Jednu silu možete nazvati akcijom, a drugu reakcijom.
Još jedan eksperiment koji možete provesti je da napuhnete gumeni balon, a zatim ga pustite nakon što se napuha i napuni zrakom. Nakon puštanja, balon "leti". Smjer kretanja balona je suprotan smjeru u kojem zrak izlazi iz balona. Kako se to može objasniti? Kada se otvor balona otpusti, balon istiskuje zrak. Istovremeno, zrak također gura balon. Potisak zraka uzrokuje da balon leti. Potisak balona djeluje na zrak, a potisak zraka djeluje na balon. Dvije sile su jednake veličine, ali suprotnog smjera.
Primjer problema
1. Postoje 4 predmeta, banana = 4 kg, knjiga = 0,8 kg, košarkaška lopta = 3,5 kg, mango = 1,2 kg. Korpa se vuče silom od 30 N po hrapavoj ravnoj površini ( μ = 0,4). Da bi se korpa pravilno kretala (masa korpe se zanemaruje), predmeti koji se moraju staviti u korpu su...
Diskusija
Poznato je:
Masa banane (m1 ) = 4 kg
Masa knjige (m² ) = 0,8 kg
Masa kugle (m³ ) = 3,5 kg
Masa manga (m4 ) = 1,2 kg
Zatezna sila (F) = 30 N
Statički koeficijent trenja ( μs ) = 0,4
Ubrzanje usljed gravitacije (g) = 10 m/ s²
Zanemarite masu korpe
Statička sila trenja (fs ) djeluje kada objekt miruje i spreman je za kretanje, dok kinetička sila trenja djeluje kada se objekt kreće.
Pitanje: Masa objekta
Odgovor:
Korpa će se pomjeriti tačno kada je veličina sile vuče (F) = veličina sile statičkog trenja (fₙs ).
Izračunajte veličinu statičke sile trenja (f⁻¹ ) :
f s = μ s N = μ s w = μ s mg = (0,4)(m)(10)
fs = 4 m
Tačna korpa će se pomjeriti:
F = fs
30 = 4m
m = 30/4
m = 7,5 kg
Masa banane 4 kg + masa lopte 3,5 kg = 7,5 kg
Predmeti koji se moraju staviti u korpu su banane i loptice.
2. Pitanje br. 5 iz nacionalnog ispita iz fizike za akademsku godinu 2014/2015.
Predmeti A mase 6 kg i B mase 4 kg povezani su užetom i vuku se silom F = 60 N kao što je prikazano na sljedećoj slici.
Ako se sistem kreće i koeficijent kinetičkog trenja između površine poda i dva objekta je 0,5 (tg θ = 3/4), i g = 10 ms -2 , tada je veličina sile zatezanja u užetu T koje spaja dva objekta….
A. 28,8 N
B. 30,0 N
C. 39,6 N
D. 48,0 N
I. 50,0 S
Diskusija
Poznato je da:
Masa objekta A (m A ) = 6 kg
Masa objekta B (m B ) = 4 kg
Zatezna sila (F) = 60 Newtona
Koeficijent kinetičkog trenja između objekta i poda (μk ) = 0,5
Ubrzanje usljed gravitacije (g) = 10 m/ s²
Tangenta θ = 3/4
Pitanje: Kolika je napetost u užetu T?
Odgovor:
Horizontalna komponenta sile F:
Fx = Fcosθ
F x = (60)(4/5) = (4)(12) = 48 N
Vertikalna komponenta sile F:
F y = F sin θ
F y = (60)(3/5) = (3)(12) = 36 N
Normalna sila objekta A:
N A = w A = m A g = (6)(10) = 60 N
Normalna sila objekta B:
N B + F y – w B = 0
N B + F y = w B
N B = w B – F y = m B g – F y = (4)(10) – 36 = 40 – 36 = 4 N
Kinetička sila trenja između objekta A i poda:
f kA = μ k N A = (0,5)(60) = 30 N
Kinetička sila trenja između objekta B i poda:
f kB = μ k N B = (0,5)(4) = 2 N
Izračunajte ubrzanje oba objekta:
ΣF = mA
F x – T + T – f kB – f kA = (m A + m B ) a
Sila zatezanja u struni T ima istu magnitudu duž cijele dužine strune i suprotan smjer, tako da se eliminiše iz jednačine.
F x – f kB – f kA = (m A + m B ) a
48 – 2 – 30 = (6 + 4) a
16 = 10 a
a = 16/10
a = 1,6 m/ s²
Izračunajte silu zatezanja užeta T:
Razmotrimo objekt A. Sile koje djeluju na objekt A u horizontalnom (vodoravnom) smjeru su sila zatezanja užeta (T) koja je usmjerena udesno i kinetička sila trenja (fkA ) koja je usmjerena ulijevo.
ΣF = mA
T A – f kA = m A a
TA – 30 = (6)(1,6)
TA – 30 = 9,6
TA = 9,6 + 30 = 39,6 N
Razmotrimo objekt B. Sile koje djeluju na objekt B u horizontalnom (vodoravnom) smjeru su sila F x koja je usmjerena udesno, kinetička sila trenja (f kB ) i sila zatezanja užeta (T) koja je usmjerena ulijevo.
ΣF = mA
F x – f kB – T B = m B a
48 – 2 – T B = (4)(1,6)
46 – T B = 6,4
46 – 6,4 = T B
T B = 39,6 N
Dakle, sila zatezanja u užetu koja djeluje na objekt A (T A ) = sila zatezanja u užetu koja djeluje na objekt B (T B ) = 39,6 N.
Tačan odgovor je C.
3. Pitanje br. 5 za Nacionalni ispit iz fizike za akademsku godinu 2014/2015.
Pogledajte sljedeću sliku!
Zbog sile F, sistem objekata se kreće. Ako je pod hrapav i koeficijent kinetičkog trenja između dva bloka i poda je 0,2, koliko je ubrzanje koje osjećaju dva objekta? (cos 37 o = 0,8 , sin 37 o = 0,6)
A. 2,6 ms-2
B. 4,0 ms -2
C. 5,2 ms -2
D. 7,8 ms -2
E. 10,2 ms -2
Diskusija
Poznato je da:
Masa objekta A (m A ) = 4 kg
Masa objekta B (m B ) = 2 kg
Zatezna sila (F) = 30 Newtona
Koeficijent kinetičkog trenja između objekta i poda (μk ) = 0,2
Ubrzanje usljed gravitacije (g) = 10 m/ s²
cos 37 o = 0,8
sin 37 o = 0,6
Pitanje: Koliko ubrzanja doživljavaju dva objekta?
Odgovor:
Horizontalna komponenta sile F:
Fx = Fcosθ
F x = (30)(0,8) = 24 N
Vertikalna komponenta sile F:
F y = F sin θ
F y = (30)(0,6) = 18 N
Normalna sila objekta A:
N A = w A = m A g = (4)(10) = 40 N
Normalna sila objekta B:
N B + F y – w B = 0
N B + F y = w B
N B = w B – F y = m B g – F y = (2)(10) – 18 = 20 – 18 = 2 N
Kinetička sila trenja između objekta A i poda:
f kA = μ k N A = (0,2)(40) = 8 N
Kinetička sila trenja između objekta B i poda:
f kB = μ k N B = (0,2)(2) = 0,4 N
Izračunajte ubrzanje oba objekta:
ΣF = mA
F x – f kB – f kA = (m A + m B ) a
24 – 0,4 – 8 = (4 + 2) a
15,6 = 6 a
a = 15,6/6
a = 2,6 m/ s²
Tačan odgovor je A.
