Newtonovi zakoni gibanja sastoje se od tri, i to Newtonov prvi zakon, Newtonov drugi zakon i Newtonov treći zakon.
Newtonov prvi zakon
Newtonov prvi zakon kaže da će svaki objekt koji miruje ostati u mirovanju ili će se svaki objekt koji se giba pravocrtno konstantnom brzinom nastaviti gibati pravocrtno konstantnom brzinom ako je ukupna sila koja djeluje na objekt jednaka nuli.
Razmotrite objekt oko sebe, na primjer stol ili stijenu ili bilo koji objekt. Stol koji miruje ostat će u mirovanju ako se ne pomiče ili mu se ne djeluje vanjska sila poput sile guranja ili vučenja. Slično tome, i drugi objekti koji miruju. Ne djeluju li sile na stol ili stijenu ili bilo koji drugi objekt koji miruje? Postoje sile koje djeluju na objekt, ali zbroj svih sila koje djeluju na objekt ili ukupna sila jednak je nuli. Sile koje djeluju na objekt koji miruje na površini planeta poput Zemlje su gravitacija (w) i normalna sila (N). Smjer gravitacije okomit je na središte Zemlje, dok je smjer normalne sile okomit na središte. Veličina ove dvije sile je ista, ali suprotnog smjera, stoga je ukupna sila jednaka nuli.
Što je s objektom koji se kreće ravnocrtno konstantnom brzinom? Kako bismo razjasnili ovaj problem, 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 pomicali dalje ili dulje, 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. Ne djeluje li 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 utječu 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 )
Jednadžba 1.2 je matematički izraz drugog Newtonovog zakona.
Ako je veličina ubrzanja jednaka nuli (a = 0), tada se jednadžba 1.2 mijenja u jednadžbu 1.1. Dakle, Newtonov prvi zakon je poseban slučaj Newtonovog drugog zakona.
Na temelju jednadžbe 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 bolje se razumije nakon provođenja eksperimenata povezanih s tim. Jedan eksperiment koji se može provesti jest eksperiment ubrzanja dinamičkog vlaka na tračnicama pomoću slobodno padajuće mase. Za određivanje ubrzanja vlaka upotrijebite mjerač vremena.
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 naziva se akcija, a druga sila reakcija (sila akcije-reakcije).
F akcija = – F reakcija (1.3)
Jednadžba 1.3 je matematička izjava Newtonovog trećeg zakona. Negativni predznak u jednadžbi 1.3 označava smjer sile.
Provedite eksperiment kako biste bolje razumjeli Newtonov treći zakon. Ako imate skateboard, gurnite se o zid dok stojite na njemu. Nakon što gurnete o zid, skateboard se pomiče unatrag. Vaš guranje je naprijed, dok se skateboard pomiče unatrag. To pokazuje da vas i zid gura. 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.
Drugi eksperiment koji možete napraviti jest napuhati gumeni balon, a zatim ga pustiti 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 let balona. 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. Košara se vuče silom od 30 N po hrapavoj ravnoj površini ( μ = 0,4). Da bi se košara pravilno kretala (masa košare se zanemaruje), predmeti koji se moraju staviti u košaru su...
Rasprava
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
Vlačna sila (F) = 30 N
Statički koeficijent trenja ( μs ) = 0,4
Ubrzanje zbog gravitacije (g) = 10 m/ s²
Zanemarite masu košare
Statička sila trenja (fs ) djeluje kada tijelo miruje i sprema se za kretanje, dok kinetička sila trenja djeluje kada se tijelo kreće.
Pitanje: Masa objekta
Džavab:
Košara će se pomaknuti točno kada je veličina vučne sile (F) = veličina statičke sile trenja (f⁻¹ ).
Izračunajte veličinu statičke sile trenja (f s ):
f s = μ s N = μ s w = μ s mg = (0,4)(m)(10)
fs = 4 m
Točna košara će se pomaknuti:
F = fs
30 4 = XNUMX XNUMX m
m = 30/4
m = 7,5 kg
Masa banane 4 kg + masa kugle 3,5 kg = 7,5 kg
Predmeti koji se moraju staviti u košaru su banane i loptice.
2. Pitanje br. 5 za nacionalni ispit 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 sustav kreće i koeficijent kinetičkog trenja između površine poda i dvaju objekata je 0,5 (tg θ = 3/4), te g = 10 ms -2 , tada je veličina sile napetosti 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 N
Rasprava
Poznato je da:
Masa objekta A (m A ) = 6 kg
Masa objekta B (m B ) = 4 kg
Vlačna sila (F) = 60 Newtona
Koeficijent kinetičkog trenja između objekta i poda (μk ) = 0,5
Ubrzanje zbog gravitacije (g) = 10 m/ s²
Tangens 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 tijela A:
N A = w A = m A g = (6)(10) = 60 N
Normalna sila tijela 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 tijela:
ΣF = ma
F x – T + T – f kB – f kA = (m A + m B ) a
Sila napetosti u struni T ima istu magnitudu duž cijele duljine strune i suprotan smjer pa se eliminira iz jednadžbe.
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 napetosti užeta (T) koja je usmjerena udesno i kinetička sila trenja (f kA ) 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 napetosti 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 napetosti u užetu koja djeluje na objekt A (T A ) = sila napetosti u užetu koja djeluje na objekt B (T B ) = 39,6 N.
Točan odgovor je C.
3. Pitanje br. 5 za nacionalni ispit iz fizike za akademsku godinu 2014./2015./2016.
Pogledajte sljedeću sliku!
Zbog sile F, sustav objekata se pomiče. Ako je pod neravan 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
Rasprava
Poznato je da:
Masa objekta A (m A ) = 4 kg
Masa objekta B (m B ) = 2 kg
Vlačna sila (F) = 30 Newtona
Koeficijent kinetičkog trenja između objekta i poda (μk ) = 0,2
Ubrzanje zbog gravitacije (g) = 10 m/ s²
cos 37 o = 0,8
sin 37 o = 0,6
Pitanje: Koliko ubrzanja doživljavaju dva tijela?
Odgovor:
Horizontalna komponenta sile F:
Fx = Fcosθ
Fx = (30)(0,8) = 24 N
Vertikalna komponenta sile F:
F y = F sin θ
F y = (30)(0,6) = 18 N
Normalna sila tijela A:
N A = w A = m A g = (4)(10) = 40 N
Normalna sila tijela 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 tijela:
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
Točan odgovor je A.
