Artikkel Newtoni liikumisseaduse kohta
1. Jõu definitsioon
Jõud on miski, mis põhjustab asjade kiirendamist. Teisisõnu, jõud on miski, mis liigutab, peatab või muudab objekti liikumissuunda. Jõud on vektoriaalne suurus ja seetõttu on sellel suurus ja suund. Jõu sümbol on F (Force). F on jõu üldine sümbol. Jõudu on mitut tüüpi ja mitte kõigil jõududel pole sümbolit F. Rahvusvahelise süsteemi ühik on kg m/s2 ehk Newton.
2. Netojõu definitsioon
Resultantjõud (ΣF) on kõigi objektile mõjuvate jõudude summa. Jõud on vektoriaalne suurus, seega arvutatakse kogujõud vektori liitmise reegli alusel.
Kogujõud = 10 njuutonit, kogujõu suund on paremale.
Kogujõud = 8 njuutonit, kogujõu suund on paremale.
Kogujõud = 0
Kogujõud = 0
3. Newtoni liikumisseadused
Newtoni liikumisseadused on füüsikaseadused objekti liikumise kohta, mille pakkus välja inglise füüsik Isaac Newton.
3.1 Newtoni esimene seadus
Newtoni esimene seadus sätestab, et iga paigal seisev keha jääb paigale või et iga keha, mis liigub sirgjooneliselt konstantse kiirusega
jätkab sirgjoonelist liikumist konstantse kiirusega, kui objektile mõjuv kogujõud on null.
ΣF = 0
See võrrand on matemaatiline avaldis Newtoni esimesest seadusest.
Näe enda ümber mingit eset, näiteks lauda, kivi või ükskõik millist eset. Paigalseisev laud jääb paigale, kui seda ei liigutata või sellele ei rakendata välist jõudu, näiteks tõuget või tõmmet. Kas pole jõudu, mis mõjuks laudadele, kividele või muudele paigalseisvatele esemetele? Objektile mõjub jõud, kuid kõigi objektile mõjuvate jõudude summa ehk kogujõud on null. Planeetide, näiteks Maa pinnal asuvatele objektidele mõjuvad jõud on gravitatsioonijõud (w) ja normaaljõud (N). Raskusjõu suund on Maa keskpunktiga risti, normaaljõu suund on ülespoole risti. Nende kahe jõu suurus on sama, kuid neil on vastupidine suund, seega on kogujõud võrdne nulliga.
Aga kuidas on lood asjadega, mis liiguvad sirgjooneliselt konstantse kiirusega? Selle probleemi selgitamiseks oletame, et lükkate põrandal eset, näiteks metallitükki. Pärast lükkamist metall aeglustub ja peatub hõõrdumise tõttu. Selleks, et metalltükid saaksid liikuda kaugemale või kauem, peate põrandapinda ja metallplaadi pinda siluma. Kui põrandapind on sile ja hõõrdumist pole, jätkab metallplaat liikumist ega peatu. Kas ideaalselt sileda põranda pinnal liikuvale metallplaadile ei mõju mingi jõud? Metallplaatidele mõjuvad jõud, nimelt raskusjõud ja normaaljõud. Mõlemad jõud toimivad vertikaalsuunas ega mõjuta metallplaatide liikumist horisontaalsuunas, kui põrand on sile.
Newtoni teine seadus sätestab, et kui kehale mõjuv kogujõud ei ole võrdne nulliga, siis keha kiireneb. Kiirenduse suurus on võrdeline kogujõu suurusega ja pöördvõrdeline keha massiga. Kiirenduse suund on sama mis kogujõu suund.
ΣF = mA
ΣF = kogujõud (kg m/s² ) , m = mass (kg), a = kiirendus (m/ s² )
Võrrand 1.2 on Newtoni teise seaduse matemaatiline avaldis.
Kui kiirendus on võrdne nulliga (a = 0), siis võrrand 1.2 muutub võrrandiks 1.1. Seega on Newtoni esimene seadus Newtoni teise seaduse erijuhtum. Võrrandi 1.2 põhjal järeldatakse, et mida suurem on jõud, seda suurem on kiirendus. Vastupidi, mida suurem on mass, seda väiksem on kiirendus. Jõu, massi ja kiirenduse vaheline seos on paremini mõistetav pärast seda, kui olete sellekohase katse läbi viinud.
Näidisülesanne 1:
Määrake ülaltoodud joonise põhjal objektide kiirenduse suurus ja suund…
Lahendus:
ΣF = mA
4 kg m/s² = (1 kg) a
a = 4 kg m/s 2 : 1 kg = 4 m/s 2
Kiirenduse suurus = 4 m/s² , kiirenduse suund on paremale.
Näidisülesanne 2:
Määrake kiirenduse suurus ja suund ülaltoodud joonise põhjal …
Lahendus:
ΣF = mA
4 kg m/s 2 – 1 kg m/s 2 = (1 kg) a
3 kg m/s² = (1 kg) a
a = 3 kg m/s² : 1 kg
a = 3 m/ s²
Kiirenduse suurus = 3 m/s² , kiirenduse suund on paremale.
3.2.1 Kaal (w)
Kaal on massiobjektile mõjuv raskusjõud.
ΣF = mA
w = mg
Valem 1.3 on objekti kaalu arvutamise võrrand.
w = kaal (kg m/s² ) , m = mass (kg), g = raskuskiirendus (m/s² ) . Gravitatsioonikiirenduse (g) suurus Maa pinnal on 9.8 m/s² . Arvutuste lihtsustamiseks on g ümardatud 10 m/s² -ni.
3.2.2 Normaaljõud (N)
Normaaljõud on kahele teineteist puudutavale objektile mõjuv jõud, mille suund on risti puutepinnaga.
Vaatle objekte, mis on endiselt laua pinna kohal. Objektile mõjub ka raskusjõud ehk raskusjõud. Objektid ei kuku vabalt nagu puult langevad puuviljad, sest neile mõjub normaaltelje jõud. Raskusjõud (w) ja normaaltelje (N) on samad, kuid vastassuunalised, nii et objektile mõjuv kogujõud on null.
ΣF = 0
N – w = 0
N = w
3.3 Newtoni kolmas seadus
Newtoni kolmas seadus sätestab, et kui objekt 1 annab objektile 2 jõu, siis samal ajal annab objekt 2 jõu objektile 1. Need kaks jõudu on samad, kuid kahe jõu suund on vastupidine. Ühte jõudu nimetatakse toimejõuks, teist nimetatakse reaktsioonijõuks.
F-toime = – F-reaktsioon
Võrrand 1.3 on Newtoni kolmanda seaduse matemaatiline avaldis. Võrrandi 1.3 negatiivne märk selgitab jõu suunda.
Katseta, et paremini mõista Newtoni kolmandat seadust. Kui sul on rula, siis lükka seina, seistes samal ajal rulal. Pärast seina lükkamist liigub rula tahapoole. Sinu jõu suund on ettepoole, rula aga tahapoole.
See näitab, et ka sein avaldab sulle survet. Kui sa lükkad seina, lükkab sein samal ajal ka sind. Sinu tõukejõud mõjub seinale, samal ajal kui seina tõukejõud mõjub sulle. Mõlemad jõud on samas suunas, kuid vastassuunas. Ühte jõudu saab nimetada tegevuseks ja teist reaktsiooniks.
Teine katse, mida saab teha, on puhuda kummist õhupalli ja pärast seda, kui kummist õhupall on õhuga täitumise tõttu paisunud, lasta õhupall õhku. Pärast vabastamist õhupall "lendab". Õhupalli liikumissuund on vastupidine õhu väljumise suunale õhupallist. Kuidas seda seletada?
Kui õhupalli suu vabastatakse, lükkab õhupall õhu välja. Samal ajal lükkab õhk ka õhupalli. Õhu tõukejõud paneb õhupalli lendama. Õhupalli jõud toimib mänguliselt, õhu jõud mõjub õhupallile. Need kaks jõudu on samad, kuid suunad on vastupidised.
Vaadake joonist 2 ja võrrelge seda joonisega 3. Objektile mõjuv normaaljõud (N) on jõud, mille annab tasane pind, näiteks lauapind. Samal ajal annavad objektid jõudu ka lauapinnale (N'). Mõlemad normaaljõud (N ja N') on sama suurusega, kuid vastassuunas ja toimivad erinevatele objektidele. Erinevalt w-st ja N-ist, millel on sama suurus ja mis toimivad samal objektil, on N ja N' toime-reaktsioonjõud.
