Άρθρο σχετικά με τον νόμο κίνησης του Νεύτωνα
1. Ορισμός της δύναμης
Η δύναμη είναι κάτι που προκαλεί την επιτάχυνση των πραγμάτων. Με άλλα λόγια, η δύναμη είναι κάτι που κινεί, σταματά ή αλλάζει την κατεύθυνση της κίνησης ενός αντικειμένου. Η δύναμη είναι ένα διανυσματικό μέγεθος και επομένως έχει μέγεθος και κατεύθυνση. Το σύμβολο της δύναμης είναι F (Δύναμη). Το F είναι ένα γενικό σύμβολο δύναμης. Υπάρχουν διάφοροι τύποι δυνάμεων και δεν έχουν όλες οι δυνάμεις το σύμβολο F. Η μονάδα του διεθνούς συστήματος είναι kg m/s2 ή αλλιώς Newton.
2. Ορισμός της καθαρής δύναμης
Η συνισταμένη δύναμη (ΣF) είναι το άθροισμα όλων των δυνάμεων που ασκούνται σε ένα αντικείμενο. Η δύναμη είναι ένα διανυσματικό μέγεθος, επομένως η συνολική δύναμη υπολογίζεται με βάση τον κανόνα πρόσθεσης διανυσμάτων.
Η συνολική δύναμη = 10 Newtons, η κατεύθυνση της συνολικής δύναμης προς τα δεξιά.
Η συνολική δύναμη = 8 Newtons, η κατεύθυνση της συνολικής δύναμης προς τα δεξιά.
Η συνολική δύναμη = 0
Η συνολική δύναμη = 0
3. Οι νόμοι κίνησης του Νεύτωνα
Οι νόμοι κίνησης του Νεύτωνα είναι οι νόμοι της φυσικής σχετικά με την κίνηση ενός αντικειμένου, οι οποίοι προτάθηκαν από τον Άγγλο φυσικό, Ισαάκ Νεύτωνα.
3.1 Πρώτος Νόμος του Νεύτωνα
Ο Πρώτος Νόμος του Νεύτωνα ορίζει ότι κάθε αντικείμενο που βρίσκεται σε ηρεμία παραμένει σε ηρεμία ή ότι κάθε αντικείμενο που κινείται ευθύγραμμα με σταθερή ταχύτητα
θα συνεχίσει να κινείται ευθύγραμμα με σταθερή ταχύτητα αν η συνολική δύναμη που ασκείται στο αντικείμενο είναι μηδέν.
ΣF = 0
Αυτή η εξίσωση είναι μια μαθηματική δήλωση από τον πρώτο νόμο του Νεύτωνα.
Δείτε ένα αντικείμενο γύρω σας, όπως ένα τραπέζι ή μια πέτρα ή οποιοδήποτε αντικείμενο. Ένα τραπέζι που είναι σε ηρεμία θα παραμείνει σε ηρεμία αν δεν μετακινηθεί ή αν δεν του ασκηθεί μια εξωτερική δύναμη, όπως ώθηση ή έλξη. Δεν υπάρχει δύναμη που να ασκείται σε τραπέζια, βράχους ή αντικείμενα που είναι σε ηρεμία; Υπάρχει μια δύναμη που ασκείται στο αντικείμενο, αλλά το άθροισμα όλων των δυνάμεων που ασκούνται στο αντικείμενο ή η συνολική δύναμη είναι μηδέν. Οι δυνάμεις που ασκούνται σε αντικείμενα που εξακολουθούν να βρίσκονται στην επιφάνεια πλανητών όπως η Γη είναι η βαρύτητα (w) και η κάθετη δύναμη (N). Η κατεύθυνση της βαρυτικής δύναμης είναι κάθετη στο κέντρο της γης, η κατεύθυνση της κάθετης δύναμης είναι κάθετη προς τα πάνω. Το μέγεθος αυτών των δύο δυνάμεων είναι το ίδιο, αλλά έχουν αντίθετη κατεύθυνση, επομένως η συνολική δύναμη είναι ίση με μηδέν.
Τι γίνεται με τα πράγματα που κινούνται ευθύγραμμα με σταθερή ταχύτητα; Για να διευκρινίσουμε αυτό το πρόβλημα, ας υποθέσουμε ότι σπρώχνετε ένα αντικείμενο, για παράδειγμα, ένα κομμάτι μετάλλου, στην επιφάνεια του δαπέδου. Αφού σπρωχτεί, το μέταλλο επιβραδύνθηκε και σταμάτησε λόγω τριβής. Για να κινηθούν τα μεταλλικά κομμάτια πιο μακριά ή για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, πρέπει να λειάνετε την επιφάνεια του δαπέδου και την επιφάνεια της μεταλλικής πλάκας. Εάν η επιφάνεια του δαπέδου είναι λεία και δεν υπάρχει τριβή, η μεταλλική πλάκα θα συνεχίσει να κινείται και δεν θα σταματήσει. Δεν ασκείται καμία δύναμη στη μεταλλική πλάκα που κινείται στην επιφάνεια του τέλειου, λείου δαπέδου; Υπάρχουν δυνάμεις που ασκούνται στις μεταλλικές πλάκες, δηλαδή η δύναμη της βαρύτητας και η κάθετη δύναμη. Και οι δύο αυτές δυνάμεις ασκούνται σε κάθετη κατεύθυνση και δεν επηρεάζουν την κίνηση των μεταλλικών πλακών στην οριζόντια κατεύθυνση εάν το δάπεδο είναι λείο.
3.2 Δεύτερος Νόμος του Νεύτωνα
Ο Δεύτερος Νόμος του Νεύτωνα ορίζει ότι εάν η συνολική δύναμη που ασκείται σε ένα αντικείμενο δεν είναι ίση με μηδέν, τότε το αντικείμενο θα επιταχυνθεί. Το μέγεθος της επιτάχυνσης είναι ανάλογο με το μέγεθος της συνολικής δύναμης και αντιστρόφως ανάλογο με τη μάζα του αντικειμένου. Η κατεύθυνση της επιτάχυνσης είναι η ίδια με την κατεύθυνση της συνολικής δύναμης.
ΣF = ma
ΣF = συνολική δύναμη (kg m/s² ) , m = μάζα (kg), a = επιτάχυνση (m/ s² )
Η εξίσωση 1.2 είναι μια μαθηματική δήλωση από τον δεύτερο νόμο του Νεύτωνα.
Αν η επιτάχυνση είναι ίση με μηδέν (a = 0), τότε η εξίσωση 1.2 αλλάζει σε εξίσωση 1.1. Έτσι, ο πρώτος νόμος του Νεύτωνα είναι μια ειδική περίπτωση του δεύτερου νόμου του Νεύτωνα. Με βάση την εξίσωση 1.2, συμπεραίνεται ότι όσο μεγαλύτερη είναι η δύναμη, τόσο μεγαλύτερη είναι η επιτάχυνση. Αντίθετα, όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα, τόσο μικρότερη είναι η επιτάχυνση. Η σχέση μεταξύ δύναμης, μάζας και επιτάχυνσης γίνεται καλύτερα κατανοητή αφού πραγματοποιήσετε ένα πείραμα σχετικά με αυτό.
Δείγμα προβλήματος 1:
Προσδιορίστε το μέγεθος και την κατεύθυνση της επιτάχυνσης των αντικειμένων με βάση το παραπάνω σχήμα…
Λύση:
ΣF = ma
4 kg m/s 2 = (1 kg) a
a = 4 kg m/s 2 : 1 kg = 4 m/s 2
Το μέγεθος της επιτάχυνσης = 4 m/s² , η κατεύθυνση της επιτάχυνσης προς τα δεξιά.
Δείγμα προβλήματος 2:
Προσδιορίστε το μέγεθος και την κατεύθυνση της επιτάχυνσης με βάση το παραπάνω σχήμα …
Λύση:
ΣF = ma
4 kg m/s 2 – 1 kg m/s 2 = (1 kg) α
3 kg m/s 2 = (1 kg) a
a = 3 kg m/s 2 : 1 kg
α = 3 m/ s²
Το μέγεθος της επιτάχυνσης = 3 m/s² , η κατεύθυνση της επιτάχυνσης προς τα δεξιά.
3.2.1 Βάρος (w)
Το βάρος είναι η δύναμη της βαρύτητας που ασκείται σε ένα αντικείμενο με μάζα.
ΣF = ma
w = mg
Η εξίσωση 1.3 είναι η εξίσωση για τον υπολογισμό του βάρους ενός αντικειμένου.
w = βάρος (kg m/s2 ) , m = μάζα (kg), g = επιτάχυνση της βαρύτητας (m/s2 ) . Το μέγεθος της βαρυτικής επιτάχυνσης (g) στην επιφάνεια της γης είναι 9.8 m/s2 . Για απλοποίηση των υπολογισμών, το g στρογγυλοποιείται στα 10 m/ s2.
3.2.2 Κάθετη δύναμη (N)
Η κάθετη δύναμη είναι η δύναμη που ασκείται σε δύο αντικείμενα που εφάπτονται μεταξύ τους, στα οποία η κατεύθυνση της κάθετης δύναμης είναι κάθετη στην επιφάνεια του επιπέδου επαφής.
Παρατηρήστε αντικείμενα που βρίσκονται ακόμα πάνω από την επιφάνεια του τραπεζιού. Η δύναμη της βαρύτητας ή του βάρους ασκείται επίσης στο αντικείμενο. Τα αντικείμενα δεν πέφτουν ελεύθερα όπως τα φρούτα που πέφτουν από ένα δέντρο, επειδή υπάρχει μια κάθετη δύναμη. Το βάρος (w) και η κάθετη (N) είναι τα ίδια αλλά αντίθετες κατευθύνσεις, έτσι ώστε η συνολική δύναμη σε ένα αντικείμενο να είναι μηδέν.
ΣF = 0
N – w = 0
Ν = w
3.3 Τρίτος Νόμος του Νεύτωνα
Ο τρίτος νόμος του Νεύτωνα ορίζει ότι αν το αντικείμενο 1 ασκεί δύναμη στο αντικείμενο 2, τότε ταυτόχρονα το αντικείμενο 2 ασκεί δύναμη στο αντικείμενο 1. Οι δύο δυνάμεις είναι ίδιες, αλλά η κατεύθυνση των δύο δυνάμεων είναι αντίθετη. Η μία δύναμη ονομάζεται δράση, η άλλη ονομάζεται αντίδραση.
F δράση = – F αντίδραση
Η εξίσωση 1.3 είναι μια μαθηματική διατύπωση από τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα. Το αρνητικό πρόσημο στην εξίσωση 1.3 εξηγεί την κατεύθυνση της δύναμης.
Πειραματιστείτε ώστε να κατανοήσετε καλύτερα τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα. Αν έχετε skateboard, σπρώξτε τον τοίχο ενώ στέκεστε πάνω σε ένα skateboard. Αφού σπρώξετε τον τοίχο, το skateboard κινείται προς τα πίσω. Η κατεύθυνση της δύναμής σας είναι προς τα εμπρός, ενώ η κατεύθυνση του skateboard είναι προς τα πίσω.
Αυτό δείχνει ότι και ο τοίχος σας επιβάλλει. Όταν σπρώχνετε τον τοίχο, ταυτόχρονα, και ο τοίχος σας σπρώχνει. Η δύναμη ώθησής σας ασκείται στον τοίχο, ενώ η δύναμη ώθησης του τοίχου ασκείται σε εσάς. Και οι δύο δυνάμεις είναι στην ίδια αλλά σε αντίθετες κατευθύνσεις. Μπορείτε να ονομάσετε τη μία δύναμη ως δράση και την άλλη ως αντίδραση.
Ένα άλλο πείραμα που μπορεί να γίνει είναι να φυσήξετε ένα λαστιχένιο μπαλόνι και αφού το λαστιχένιο μπαλόνι διασταλεί επειδή είναι γεμάτο με αέρα, να το αφήσετε ελεύθερο. Αφού αφήσετε ελεύθερο, το μπαλόνι «πετάει». Η κατεύθυνση κίνησης του μπαλονιού είναι αντίθετη από την κατεύθυνση εξόδου του αέρα από το μπαλόνι. Πώς να το εξηγήσω αυτό;
Όταν το στόμιο του μπαλονιού απελευθερωθεί, το μπαλόνι σπρώχνει τον αέρα προς τα έξω. Ταυτόχρονα, ο αέρας σπρώχνει και το μπαλόνι. Η δύναμη ώθησης του αέρα προκαλεί την πτήση του μπαλονιού. Η δύναμη του μπαλονιού ασκείται, η δύναμη του αέρα ασκείται στο μπαλόνι. Οι δύο δυνάμεις είναι οι ίδιες, αλλά η κατεύθυνση είναι αντίθετη.
Παρατηρήστε το σχήμα 2 και συγκρίνετέ το με το σχήμα 3. Η κάθετη δύναμη που ασκείται σε ένα αντικείμενο (N) είναι η δύναμη που δίνεται από μια επίπεδη επιφάνεια, όπως η επιφάνεια ενός τραπεζιού. Ταυτόχρονα, τα αντικείμενα ασκούν επίσης δύναμη στην επιφάνεια του τραπεζιού (N'). Και οι δύο αυτές κάθετες δυνάμεις (N και N') έχουν το ίδιο μέγεθος, αλλά είναι σε αντίθετες κατευθύνσεις και ασκούνται σε διαφορετικά αντικείμενα. Σε αντίθεση με τα w και N που έχουν το ίδιο μέγεθος και ασκούνται στο ίδιο αντικείμενο. Έτσι, τα N και N' είναι δυνάμεις δράσης-αντίδρασης.
