Le leggi del moto di Newton sono tre: la prima legge di Newton, la seconda legge di Newton e la terza legge di Newton.
Prima legge di Newton
La prima legge di Newton afferma che ogni oggetto in quiete rimarrà in quiete, o ogni oggetto che si muove in linea retta a velocità costante, continuerà a muoversi in linea retta a velocità costante se la forza totale che agisce su di esso è pari a zero.
Considera un oggetto intorno a te, ad esempio un tavolo, una roccia o qualsiasi altro oggetto. Un tavolo fermo rimarrà fermo se non viene spostato o se non gli viene applicata una forza esterna, come una spinta o una trazione. Lo stesso vale per altri oggetti fermi. Non ci sono forze che agiscono sul tavolo, sulla roccia o su qualsiasi altro oggetto fermo? Ci sono forze che agiscono sull'oggetto, ma la somma di tutte le forze che agiscono su di esso, ovvero la forza totale, è uguale a zero. Le forze che agiscono su un oggetto fermo sulla superficie di un pianeta come la Terra sono la forza di gravità (ω) e la forza normale (N). La direzione della forza di gravità è perpendicolare al centro della Terra, mentre la direzione della forza normale è perpendicolare al centro. L'intensità di queste due forze è la stessa, ma la direzione è opposta, quindi la forza totale è uguale a zero.
Che dire di un oggetto che si muove in linea retta a velocità costante? Per chiarire questo punto, supponiamo di spingere un oggetto, ad esempio un pezzo di metallo, sulla superficie di un pavimento. Dopo essere stato spinto, il pezzo di metallo rallenta e poi si ferma a causa della forza d'attrito . Affinché il pezzo di metallo si muova più a lungo, è necessario che la superficie del pavimento e la superficie del pezzo di metallo siano lisce. Più lisce sono la superficie del pavimento e la superficie del pezzo di metallo, più lontano si muoverà il pezzo di metallo. Se la superficie del pavimento è perfettamente liscia e non c'è attrito, il pezzo di metallo continuerà a muoversi e non si fermerà. Non c'è alcuna forza che agisce su un pezzo di metallo che si muove su una superficie del pavimento perfettamente liscia? Ci sono forze che agiscono sui pezzi di metallo, ovvero la forza di gravità e la forza normale. Queste due forze agiscono in direzione verticale e non influenzano il movimento dei pezzi di metallo in direzione orizzontale se il pavimento è perfettamente liscio.
Seconda legge di Newton
La seconda legge di Newton afferma che se la forza netta che agisce su un oggetto non è nulla, l'oggetto accelererà. L'intensità dell'accelerazione è proporzionale all'intensità della forza netta e inversamente proporzionale alla massa dell'oggetto. La direzione dell'accelerazione è la stessa della direzione della forza netta.
ΣF = ma(1.2)
Descrizione: ΣF = forza totale (kg m/s² ) , m = massa (kg), a = accelerazione (m/ s² )
L'equazione 1.2 è un'espressione matematica della seconda legge di Newton.
Se il modulo dell'accelerazione è uguale a zero (a = 0), allora l'equazione 1.2 si trasforma nell'equazione 1.1. Quindi la prima legge di Newton è un caso particolare della seconda legge di Newton.
In base all'equazione 1.2, si conclude che maggiore è la forza, maggiore è l'accelerazione. Viceversa, maggiore è la massa, minore è l'accelerazione. La relazione tra forza, massa e accelerazione si comprende meglio dopo aver condotto degli esperimenti. Un esperimento che si può eseguire consiste nell'accelerare un treno dinamico su rotaie utilizzando una massa in caduta libera. Si può utilizzare un cronometro per misurare l'accelerazione del treno.
Terza legge di Newton
La terza legge di Newton afferma che se un oggetto 1 esercita una forza su un oggetto 2, allora contemporaneamente anche l'oggetto 2 esercita una forza sull'oggetto 1. L'intensità di entrambe le forze è la stessa, ma la loro direzione è opposta. Una forza è chiamata azione, l'altra reazione (azione-reazione).
F azione = – F reazione (1.3)
L'equazione 1.3 è un'espressione matematica della terza legge di Newton. Il segno negativo nell'equazione 1.3 indica la direzione della forza.
Esegui un esperimento per comprendere meglio la terza legge di Newton. Se hai uno skateboard, spingi contro un muro mentre ci stai sopra. Dopo aver spinto contro il muro, lo skateboard si muove all'indietro. La tua spinta è in avanti, mentre lo skateboard si muove all'indietro. Questo dimostra che anche il muro esercita una spinta su di te. Quando spingi contro il muro, contemporaneamente anche il muro esercita una spinta su di te. La tua forza di spinta agisce sul muro, mentre la forza di spinta del muro agisce su di te. Le due forze sono uguali in modulo ma opposte in direzione. Puoi chiamare una forza azione e l'altra reazione.
Un altro esperimento che si può fare è gonfiare un palloncino di gomma e poi rilasciarlo dopo che si è riempito d'aria. Dopo averlo rilasciato, il palloncino "vola". La direzione del movimento del palloncino è opposta alla direzione in cui l'aria fuoriesce. Come si può spiegare questo? Quando si apre la bocca del palloncino, quest'ultimo spinge l'aria verso l'esterno. Allo stesso tempo, anche l'aria spinge il palloncino. La spinta dell'aria fa volare il palloncino. La spinta del palloncino agisce sull'aria e la spinta dell'aria agisce sul palloncino. Le due forze sono uguali in modulo ma opposte in direzione.
Esempio di soal
1. Ci sono 4 oggetti: banana = 4 kg, libro = 0,8 kg, pallone da basket = 3,5 kg, mango = 1,2 kg. Il cesto viene tirato con una forza di 30 N su una superficie piana ruvida ( μ = 0,4). Affinché il cesto si muova correttamente (la massa del cesto viene trascurata), gli oggetti che devono essere messi nel cesto sono...
Discussione
E 'noto:
Massa della banana (m 1 ) = 4 kg
Massa del libro (m² ) = 0,8 kg
Massa della sfera (m 3 ) = 3,5 kg
Massa del mango (m⁴ ) = 1,2 kg
Forza di trazione (F) = 30 N
Coefficiente di attrito statico ( μs ) = 0,4
Accelerazione di gravità (g) = 10 m/ s²
Ignora la massa del cesto
La forza di attrito statico (f s ) agisce quando l'oggetto è fermo e sta per muoversi, mentre la forza di attrito dinamico agisce quando l'oggetto è in movimento.
Domanda: Massa dell'oggetto
Jawab:
Il cestino si muoverà esattamente quando l'intensità della forza di trazione (F) sarà uguale all'intensità della forza di attrito statico (f s ).
Calcola l'intensità della forza di attrito statico (f s ):
f s = μ s N = μ s w = μ s mg = (0,4)(m)(10)
f s = 4 m
Il carrello esatto si sposterà:
F = f s
30 = 4 m
m = 30/4
m = 7,5 kg
Massa della banana 4 kg + massa della palla 3,5 kg = 7,5 kg
Gli oggetti che devono essere messi nel cestino sono banane e palline.
2. Domanda n. 5 dell'esame nazionale di fisica per la scuola secondaria superiore (SMA/MA) 2014/2015.
Gli oggetti A, con una massa di 6 kg, e B, con una massa di 4 kg, sono collegati da una fune e tirati con una forza F = 60 N, come illustrato nella figura seguente.
Se il sistema è in movimento e il coefficiente di attrito cinetico tra la superficie del pavimento e i due oggetti è 0,5 (tg θ = 3/4) e g = 10 ms -2 , allora l'intensità della forza di tensione nella fune T che collega i due oggetti è….
A. 28,8 N
B. 30,0 N
C. 39,6 N
D. 48,0 N
E. 50,0 N
Discussione
È noto che:
Massa dell'oggetto A (m A ) = 6 kg
Massa dell'oggetto B (m B ) = 4 kg
Forza di trazione (F) = 60 Newton
Il coefficiente di attrito cinetico tra l'oggetto e il pavimento (μ k ) = 0,5
Accelerazione di gravità (g) = 10 m/ s²
Tangente θ = 3/4
Domanda: Qual è l'entità della tensione nella fune T?
Risposta :
Componente orizzontale della forza F:
F x = F cos θ
F x = (60)(4/5) = (4)(12) = 48 N
Componente verticale della forza F:
F y = F sin θ
F y = (60)(3/5) = (3)(12) = 36 N
Forza normale dell'oggetto A:
N A = w A = m A g = (6)(10) = 60 N
Forza normale dell'oggetto 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
Forza di attrito cinetico tra l'oggetto A e il pavimento:
f kA = μ k N A = (0,5)(60) = 30 N
Forza di attrito cinetico tra l'oggetto B e il pavimento:
f kB = μ k N B = (0,5)(4) = 2 N
Calcola l'accelerazione di entrambi gli oggetti:
ΣF = ma
F x – T + T – f kB – f kA = (m A + m B ) a
La forza di tensione nella corda T ha la stessa intensità lungo tutta la sua lunghezza e direzione opposta, quindi viene eliminata dall'equazione.
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
Calcola la forza di tensione della fune T:
Consideriamo l'oggetto A. Le forze che agiscono sull'oggetto A in direzione orizzontale sono la forza di tensione della fune (T) diretta verso destra e la forza di attrito cinetico (f kA ) diretta verso sinistra.
ΣF = ma
T A – f kA = m A a
T A – 30 = (6)(1,6)
T A – 30 = 9,6
TA = 9,6 + 30 = 39,6 N
Consideriamo l'oggetto B. Le forze che agiscono sull'oggetto B in direzione orizzontale sono la forza F x diretta verso destra, la forza di attrito cinetico (f kB ) e la forza di tensione della fune (T) diretta verso sinistra.
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
Quindi la forza di tensione nella fune che agisce sull'oggetto A (T A ) = la forza di tensione nella fune che agisce sull'oggetto B (T B ) = 39,6 N.
La risposta corretta è C.
3. Domanda n. 5 dell'esame nazionale di fisica per la scuola secondaria superiore (SMA/MA) 2014/2015.
Guardate la seguente immagine!
A causa della forza F, il sistema di oggetti si muove. Se il pavimento è ruvido e il coefficiente di attrito cinetico tra i due blocchi e il pavimento è 0,2, qual è l'accelerazione subita dai due oggetti? (cos 37 ° = 0,8 , sin 37 ° = 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
Discussione
È noto che:
Massa dell'oggetto A (m A ) = 4 kg
Massa dell'oggetto B (m B ) = 2 kg
Forza di trazione (F) = 30 Newton
Il coefficiente di attrito cinetico tra l'oggetto e il pavimento (μ k ) = 0,2
Accelerazione di gravità (g) = 10 m/ s²
cos 37 ° = 0,8
sin 37 o = 0,6
Domanda: Qual è l'accelerazione a cui sono sottoposti i due oggetti?
Risposta :
Componente orizzontale della forza F:
F x = F cos θ
F x = (30)(0,8) = 24 N
Componente verticale della forza F:
F y = F sin θ
F y = (30)(0,6) = 18 N
Forza normale dell'oggetto A:
N A = w A = m A g = (4)(10) = 40 N
Forza normale dell'oggetto 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
Forza di attrito cinetico tra l'oggetto A e il pavimento:
f kA = μ k N A = (0,2)(40) = 8 N
Forza di attrito cinetico tra l'oggetto B e il pavimento:
f kB = μ k N B = (0,2)(2) = 0,4 N
Calcola l'accelerazione di entrambi gli oggetti:
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
La risposta corretta è A.
