Artikkeli Newtonin liikelaista
1. Voiman määritelmä
Voima on jotakin, joka saa esineet kiihtymään. Toisin sanoen voima on jotakin, joka liikuttaa, pysäyttää tai muuttaa kappaleen liikesuuntaa. Voima on vektorisuure, ja siksi sillä on suuruus ja suunta. Voiman symboli on F (Force). F on voiman yleinen symboli. Voimia on useita tyyppejä, eikä kaikilla voimilla ole symbolia F. Kansainvälinen yksikköjärjestelmä on kg m/s2 eli Newton.
2. Nettovoiman määritelmä
Resultanttivoima (ΣF) on kaikkien kappaleeseen vaikuttavien voimien summa. Voima on vektorisuure, joten kokonaisvoima lasketaan vektorien yhteenlaskusäännön perusteella.
Kokonaisvoima = 10 Newtonia, kokonaisvoiman suunta oikealle.
Kokonaisvoima = 8 Newtonia, kokonaisvoiman suunta oikealle.
Kokonaisvoima = 0
Kokonaisvoima = 0
3. Newtonin liikelait
Newtonin liikelait ovat englantilaisen fyysikon Isaac Newtonin ehdottamia fysiikan lakeja kappaleen liikkeestä.
3.1 Newtonin ensimmäinen laki
Newtonin ensimmäinen laki sanoo, että jokainen levossa oleva kappale pysyy levossa tai että jokainen kappale, joka liikkuu suoraan vakionopeudella,
jatkaa liikkumistaan suoraan vakionopeudella, jos kappaleeseen vaikuttava kokonaisvoima on nolla.
ΣF = 0
Tämä yhtälö on matemaattinen lause Newtonin ensimmäisestä laista.
Näe ympärilläsi oleva esine, kuten pöytä, kivi tai mikä tahansa esine. Pysähdyksissä oleva pöytä pysyy paikallaan, jos sitä ei liikuteta tai siihen ei kohdisteta ulkoista voimaa, kuten työntöä tai vetoa. Eikö ole olemassa voimaa, joka vaikuttaa pöytiin, kiviin tai muihin lepotilassa oleviin esineisiin? Esineeseen vaikuttaa voima, mutta kaikkien esineeseen vaikuttavien voimien summa eli kokonaisvoima on nolla. Planeettojen, kuten Maan, pinnalla oleviin esineisiin vaikuttavat voimat ovat painovoima (w) ja normaalivoima (N). Painovoiman suunta on kohtisuorassa Maan keskipisteeseen nähden, normaalivoiman suunta on kohtisuorassa ylöspäin. Näiden kahden voiman suuruus on sama, mutta niillä on vastakkaiset suunnat, joten kokonaisvoima on nolla.
Entäpä sitten esineet, jotka liikkuvat suoraan vakionopeudella? Selventääksemme tätä ongelmaa, oletetaan, että työnnät esinettä, esimerkiksi metallikappaletta, lattian pintaa vasten. Työntämisen jälkeen metalli hidastuu ja pysähtyy kitkan vuoksi. Jotta metallikappaleet liikkuisivat kauemmas tai pidemmälle, sinun on tasoitettava lattian ja metallilevyn pintaa. Jos lattian pinta on sileä eikä kitkaa ole, metallilevy jatkaa liikkumistaan eikä pysähdy. Vaikutako täydellisen, sileän lattian pinnalla liikkuvaan metallilevyyn mikään voima? Metallilevyihin vaikuttavat voimat, nimittäin painovoima ja normaalivoima. Molemmat voimat toimivat pystysuunnassa eivätkä vaikuta metallilevyjen liikkeeseen vaakasuunnassa, jos lattia on sileä.
Newtonin toinen laki sanoo, että jos kappaleeseen vaikuttava kokonaisvoima ei ole nolla, kappale kiihtyy. Kiihtyvyyden suuruus on verrannollinen kokonaisvoiman suuruuteen ja kääntäen verrannollinen kappaleen massaan. Kiihtyvyyden suunta on sama kuin kokonaisvoiman suunta.
ΣF = ma
ΣF = kokonaisvoima (kg m/s2), m = massa (kg), a = kiihtyvyys (m/s2)
Yhtälö 1.2 on matemaattinen lause Newtonin toisesta laista.
Jos kiihtyvyys on nolla (a = 0), yhtälö 1.2 muuttuu yhtälöksi 1.1. Newtonin ensimmäinen laki on siis Newtonin toisen lain erikoistapaus. Yhtälön 1.2 perusteella päätellään, että mitä suurempi voima, sitä suurempi kiihtyvyys. Kääntäen, mitä suurempi massa, sitä pienempi kiihtyvyys. Voiman, massan ja kiihtyvyyden välinen suhde ymmärretään paremmin, kun olet tehnyt aiheesta kokeen.
Esimerkkitehtävä 1:
Määritä kappaleiden kiihtyvyyden suuruus ja suunta yllä olevan kuvan perusteella…
Ratkaisu:
ΣF = ma
4 kg m/s2 = (1 kg) a
a = 4 kg m/s2 : 1 kg = 4 m/s2
Kiihtyvyyden suuruus = 4 m/s2, kiihtyvyyden suunta oikealle.
Esimerkkitehtävä 2:
Määritä kiihtyvyyden suuruus ja suunta yllä olevan kuvan perusteella …
Ratkaisu:
ΣF = ma
4 kg m/s2 – 1 kg m/s2 = (1 kg) a
3 kg m/s2 = (1 kg) a
a = 3 kg m/s2 : 1 kg
a = 3 m/s2
Kiihtyvyyden suuruus = 3 m/s2, kiihtyvyyden suunta oikealle.
3.2.1 Paino (w)
Paino on massakappaleeseen vaikuttava painovoima.
ΣF = ma
w = mg
Yhtälö 1.3 on yhtälö kappaleen painon laskemiseksi.
w = paino (kg m/s2), m = massa (kg), g = painovoiman kiihtyvyys (m/s2). Painovoimakiihtyvyyden (g) suuruus maan pinnalla on 9.8 m/s2Laskelmien yksinkertaistamiseksi g pyöristetään arvoon 10 m/s.2.
3.2.2 Normaalivoima (N)
Normaalivoima on kahteen toisiaan koskettavaan kappaleeseen vaikuttava voima, jossa normaalivoiman suunta on kohtisuorassa kosketustason pintaan nähden.
Tarkkaile esineitä, jotka ovat edelleen pöydän pinnan yläpuolella. Myös painovoima vaikuttaa esineeseen. Esineet eivät putoa vapaasti kuten puusta putoavat hedelmät, koska niihin vaikuttaa normaalivoima. Paino (w) ja normaali (N) ovat samat, mutta vastakkaisiin suuntiin, joten esineeseen vaikuttava kokonaisvoima on nolla.
ΣF = 0
N – w = 0
N = w
3.3 Newtonin kolmas laki
Newtonin kolmannen lain mukaan jos kappale 1 kohdistaa voiman kappaleeseen 2, niin samaan aikaan kappale 2 kohdistaa voiman kappaleeseen 1. Voimat ovat samat, mutta niiden suunnat ovat vastakkaiset. Toista voimaa kutsutaan vaikutukseksi, toista reaktioksi.
F-vaikutus = – F-reaktio
Yhtälö 1.3 on matemaattinen lauseke Newtonin kolmannesta laista. Yhtälön 1.3 negatiivinen etumerkki selittää voiman suunnan.
Kokeile ymmärtääksesi paremmin Newtonin kolmannen lain. Jos sinulla on rullalauta, työnnä seinää seisten rullalaudalla. Seinää työnnettäessä rullalauta liikkuu taaksepäin. Voimasi suunta on eteenpäin, kun taas rullalauta itse liikkuu taaksepäin.
Tämä osoittaa, että myös seinä pakottaa sinua. Kun työnnät seinää, seinä työntää samanaikaisesti myös sinua. Sinun työntövoimasi vaikuttaa seinään, kun taas seinän työntövoima vaikuttaa sinuun. Molemmat voimat ovat samaan suuntaan, mutta vastakkaisiin suuntiin. Voit kutsua toista voimaa vaikutukseksi ja toista reaktioksi.
Toinen mahdollinen koe on puhaltaa kumipallo ja vapauttaa ilmapallo sen laajentuessa, koska se on täynnä ilmaa. Irrotuksen jälkeen ilmapallo "lentää". Ilmapallon liikesuunta on vastakkainen kuin ilman poistumissuunta ilmapallosta. Miten tämä selitetään?
Kun ilmapallon suu vapautetaan, ilmapallo työntää ilman ulos. Samaan aikaan ilma työntää myös ilmapalloa. Ilman työntövoima saa ilmapallon lentämään. Ilmapallon voima toimii leikkien, ilman voima vaikuttaa ilmapalloon. Voimat ovat samat, mutta niiden suunta on vastakkainen.
Tarkkaile kuvaa 2 ja vertaa sitä kuvaan 3. Kappaleeseen vaikuttava normaalivoima (N) on tasaisen pinnan, kuten pöydän pinnan, antama voima. Samalla kappaleet antavat myös voimaa pöydän pinnalle (N'). Molemmilla näistä normaalivoimista (N ja N') on sama suuruus, mutta ne ovat vastakkaisiin suuntiin ja vaikuttavat eri kappaleisiin. Toisin kuin w ja N, joilla on sama suuruus ja jotka vaikuttavat samaan kappaleeseen, N ja N' ovat siis vaikutus-reaktiovoimia.
