Grein um hreyfingarlögmál Newtons
1. Skilgreining á krafti
Kraftur er eitthvað sem veldur því að hlutir hraða sér. Með öðrum orðum, kraftur er eitthvað sem hreyfir, stöðvar eða breytir hreyfingarstefnu hlutar. Kraftur er vigurstærð og hefur því stærð og stefnu. Krafttáknið er F (Force). F er almennt tákn fyrir kraft. Það eru til nokkrar gerðir af kröftum og ekki allir kraftar hafa táknið F. Alþjóðlega einingin er kg m/s², einnig þekkt sem Newton.
2. Skilgreining á nettóafli
Aflkrafturinn (ΣF) er summa allra krafta sem verka á hlut. Kraftur er vigurstærð, þannig að heildarkrafturinn er reiknaður út frá vigursamlagningarreglunni.
Heildarkrafturinn = 10 Newton, stefna heildarkraftsins til hægri.
Heildarkrafturinn = 8 Newton, stefna heildarkraftsins til hægri.
Heildarkrafturinn = 0
Heildarkrafturinn = 0
3. Hreyfingarlögmál Newtons
Hreyfingarlögmál Newtons eru lögmál eðlisfræðinnar um hreyfingu hlutar sem enski eðlisfræðingurinn Isaac Newton setti fram.
3.1 Fyrsta lögmál Newtons
Fyrsta lögmál Newtons segir að allir hlutir sem eru kyrrstæðir skuli vera kyrrstæðir, eða að allir hlutir sem hreyfast beint á jöfnum hraða skuli vera kyrrstæðir.
mun halda áfram að hreyfast beint áfram með jöfnum hraða ef heildarkrafturinn sem verkar á hlutinn er núll.
ΣF = 0
Þessi jafna er stærðfræðileg fullyrðing úr fyrsta lögmáli Newtons.
Sjáðu hlut í kringum þig, eins og borð, stein eða hvaða hlut sem er. Borð sem er kyrrstætt helst kyrrt ef það er ekki fært til eða beitt ekki utanaðkomandi krafti eins og ýtingu eða togkrafti. Er enginn kraftur sem verkar á borð, steina eða hluti sem eru kyrrstætt? Það er kraftur sem verkar á hlutinn, en summa allra krafta sem verka á hlutinn eða heildarkrafturinn er núll. Kraftarnir sem verka á hluti sem eru enn á yfirborði reikistjarna eins og jarðar eru þyngdarafl (w) og normalkraftur (N). Stefna þyngdaraflsins er hornrétt á miðju jarðar, stefna normalkraftsins er hornrétt upp á við. Stærð þessara tveggja krafta er sú sama, en þeir hafa gagnstæða stefnu, þannig að heildarkrafturinn er jafn núlli.
Hvað með hluti sem hreyfast beint með jöfnum hraða? Til að skýra þetta vandamál, gerum ráð fyrir að þú ýtir hlut, til dæmis málmstykki, á yfirborð gólfsins. Eftir að hafa verið ýtt hægist málmstykkið á sér og stoppar vegna núnings. Til þess að málmstykki geti færst lengra eða lengur þarftu að slétta gólfið og yfirborð málmplötunnar. Ef gólfið er slétt og enginn núningur er til staðar, mun málmplatan halda áfram að hreyfast og ekki stoppa. Verkar enginn kraftur á málmplötuna sem hreyfist á yfirborði fullkomins, slétts gólfs? Það eru kraftar sem verka á málmplötur, þ.e. þyngdarkrafturinn og normalkrafturinn. Báðir þessir kraftar virka í lóðrétta átt og hafa ekki áhrif á hreyfingu málmplatnanna í lárétta átt ef gólfið er slétt.
Önnur lögmál Newtons segir að ef heildarkrafturinn sem verkar á hlut er ekki jafn núll, þá mun hluturinn fá hröðun. Stærð hröðunarinnar er í réttu hlutfalli við stærð heildarkraftsins og í öfugu hlutfalli við massa hlutarins. Stefna hröðunarinnar er sú sama og stefna heildarkraftsins.
ΣF = ma
ΣF = heildarkraftur (kg m/s² ) , m = massi (kg), a = hröðun (m/ s² )
Jafna 1.2 er stærðfræðileg fullyrðing úr öðru lögmáli Newtons.
Ef hröðunin er jöfn núlli (a = 0) þá breytist jafna 1.2 í jöfnu 1.1. Því er fyrsta lögmál Newtons sértilfelli af öðru lögmáli Newtons. Byggt á jöfnu 1.2 er ályktað að því meiri sem krafturinn er, því meiri er hröðunin. Aftur á móti, því meiri sem massinn er, því minni er hröðunin. Sambandið milli krafts, massa og hröðunar er betur skilið eftir að þú hefur framkvæmt tilraun varðandi þetta.
Dæmi um vandamál 1:
Ákvarðið stærð og stefnu hröðunar hluta út frá myndinni hér að ofan…
lausn:
ΣF = ma
4 kg m/s² = (1 kg) a
a = 4 kg m/s 2 : 1 kg = 4 m/s 2
Stærð hröðunarinnar = 4 m/s² , stefna hröðunarinnar til hægri.
Dæmi um vandamál 2:
Ákvarðið stærð og stefnu hröðunarinnar út frá myndinni hér að ofan …
lausn:
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
Stærð hröðunarinnar = 3 m/s² , stefna hröðunarinnar til hægri.
3.2.1 Þyngd (w)
Þyngd er þyngdarkrafturinn sem verkar á massahlut.
ΣF = ma
w = mg
Jafna 1.3 er jafna til að reikna út þyngd hlutar.
w = þyngd (kg m/s² ) , m = massi (kg), g = þyngdarhröðun (m/s² ) . Stærð þyngdarhröðunarinnar (g) á yfirborði jarðar er 9.8 m/s² . Til að einfalda útreikninga er g námundað í 10 m/ s².
3.2.2 Normalkraftur (N)
Normkraftur er kraftur sem verkar á tvo hluti sem snerta hvor annan, þar sem stefna normalkraftsins er hornrétt á yfirborð snertifletisins.
Athugið hluti sem eru enn fyrir ofan borðflötinn. Þyngdarafl eða þyngd verkar einnig á hlutinn. Hlutir falla ekki frjálslega eins og ávextir sem falla af tré vegna þess að það er normalkraftur á þá. Þyngdin (w) og normalkrafturinn (N) eru þau sömu en í gagnstæðum áttum þannig að heildarkrafturinn á hlut er núll.
ΣF = 0
N – w = 0
N = w
3.3 Þriðja lögmál Newtons
Þriðja lögmál Newtons segir að ef hlutur 1 verkar á hlut 2 þá virkar hlutur 2 um leið á hlut 1. Kraftarnir tveir eru þeir sömu en stefna þeirra er gagnstæð. Annar krafturinn kallast verkun, hinn kallast viðbrögð.
F verkun = – F viðbrögð
Jafna 1.3 er stærðfræðileg fullyrðing úr þriðja lögmáli Newtons. Neikvæða formerkið í jöfnu 1.3 útskýrir stefnu kraftsins.
Gerðu tilraun til að skilja þriðja lögmál Newtons betur. Ef þú ert með hjólabretti, ýttu á vegginn á meðan þú stendur á hjólabrettinu. Eftir að hafa ýtt á vegginn færist hjólabrettið aftur á bak. Krafturinn þinn er áfram en krafturinn er aftur á bak.
Þetta gefur til kynna að veggurinn þrýstir einnig á þig. Þegar þú ýtir á vegginn, þá ýtir veggurinn líka á þig á sama tíma. Þrýstikrafturinn þinn verkar á vegginn, en þrýstingur veggsins virkar á þig. Báðir kraftar eru í sömu átt en í gagnstæðar áttir. Þú getur kallað annan kraftinn verkun og hinn viðbrögð.
Önnur tilraun sem hægt er að gera er að blása gúmmíblöðru og sleppa henni eftir að hún hefur þenst út vegna þess að hún er full af lofti. Eftir að hún hefur verið sleppt „fljúgar“ loftið. Hreyfingarátt loftsins er öfug miðað við loftútrásina. Hvernig á að útskýra þetta?
Þegar opið á blöðrunni losnar þrýstir hún loftinu út. Á sama tíma ýtir loftið einnig á blöðruna. Loftþrýstingurinn veldur því að blöðran flýgur. Kraftur blöðrunnar virkar á móti krafti loftsins á blöðruna. Kraftarnir tveir eru þeir sömu en stefnurnar eru gagnstæðar.
Skoðið mynd 2 og berið hana saman við mynd 3. Normkrafturinn sem verkar á hlut (N) er krafturinn sem myndast af sléttu yfirborði, eins og borðfleti. Á sama tíma mynda hlutir einnig kraft á borðfletinn (N'). Báðir þessir normalkraftar (N og N') eru með sömu stærðargráðu en eru í gagnstæðar áttir og vinna á mismunandi hluti. Ólíkt w og N sem eru með sömu stærðargráðu og vinna á sama hlutnum. Þannig eru N og N' verka-viðbragðskraftar.
