Artikkel om Newtons bevegelseslov
1. Definisjon av kraft
Kraft er noe som får ting til å akselerere. Med andre ord er kraft noe som beveger, stopper eller endrer bevegelsesretningen til et objekt. Kraft er en vektorstørrelse, og har derfor en størrelse og retning. Kraftsymbolet er F (Force). F er et generelt symbol for kraft. Det finnes flere typer krefter, og ikke alle krefter har symbolet F. Den internasjonale systemenheten er kg m/s², også kjent som Newton.
2. Definisjon av nettokraft
Den resulterende kraften (ΣF) er summen av alle kreftene som virker på et objekt. Kraft er en vektorstørrelse, så den totale kraften beregnes basert på vektoraddisjonsregelen.
Totalkraften = 10 Newton, retningen på totalkraften er mot høyre.
Totalkraften = 8 Newton, retningen på totalkraften er mot høyre.
Den totale kraften = 0
Den totale kraften = 0
3. Newtons bevegelseslover
Newtons bevegelseslover er fysikkens lover om bevegelsen til et objekt foreslått av den engelske fysikeren Isaac Newton.
3.1 Newtons første lov
Newtons første lov sier at ethvert objekt som er i ro skal forbli i ro, eller at ethvert objekt som beveger seg rett frem med konstant hastighet
vil fortsette å bevege seg rett frem med konstant hastighet hvis den totale kraften som virker på objektet er null.
ΣF = 0
Denne ligningen er en matematisk uttalelse fra Newtons første lov.
Se på et objekt rundt deg, for eksempel et bord, en stein eller en hvilken som helst gjenstand. Et bord som er i ro, vil forbli i ro hvis det ikke flyttes eller utsettes for en ytre kraft, som et skyv eller et drag. Finnes det ingen kraft som virker på bord, steiner eller gjenstander som er i ro? Det er en kraft som virker på objektet, men summen av alle kreftene som virker på objektet, eller den totale kraften, er null. Kreftene som virker på objekter som fortsatt er på overflaten av planeter, som jorden, er tyngdekraften (w) og normalkraften (N). Tyngdekraftens retning er vinkelrett på jordens sentrum, og normalkraftens retning er vinkelrett oppover. Størrelsen på disse to kreftene er den samme, men de har motsatt retning, så den totale kraften er lik null.
Hva med ting som beveger seg rett frem med konstant hastighet? For å avklare dette problemet, anta at du dytter en gjenstand, for eksempel et metallstykke, mot gulvoverflaten. Etter å ha blitt dyttet, bremset metallet ned og stoppet på grunn av friksjon. For at metallstykker skal bevege seg lenger eller lenger, må du glatte ut gulvoverflaten og overflaten på metallplaten. Hvis gulvoverflaten er glatt og det ikke er noen friksjon, vil metallplaten fortsette å bevege seg og ikke stoppe. Er det ingen kraft som virker på metallplaten som beveger seg på overflaten av det perfekte, glatte gulvet? Det er krefter som virker på metallplater, nemlig tyngdekraften og normalkraften. Begge disse kreftene virker i vertikal retning og påvirker ikke bevegelsen av metallplater i horisontal retning hvis gulvet er glatt.
Newtons andre lov sier at hvis den totale kraften som virker på et objekt ikke er lik null, vil objektet akselerere. Størrelsen på akselerasjonen er proporsjonal med størrelsen på den totale kraften og omvendt proporsjonal med objektets masse. Akselerasjonsretningen er den samme som retningen på den totale kraften.
ΣF = ma
ΣF = total kraft (kg m/s² ) , m = masse (kg), a = akselerasjon (m/ s² )
Ligning 1.2 er en matematisk påstand fra Newtons andre lov.
Hvis akselerasjonen er lik null (a = 0), endres ligning 1.2 til ligning 1.1. Newtons første lov er derfor et spesialtilfelle av Newtons andre lov. Basert på ligning 1.2 konkluderes det med at jo større kraften er, desto større er akselerasjonen. Omvendt, jo større massen er, desto mindre er akselerasjonen. Forholdet mellom kraft, masse og akselerasjon forstås bedre etter at du har utført et eksperiment angående dette.
Eksempelproblem 1:
Bestem størrelsen og retningen på akselerasjonen til objekter basert på figuren ovenfor ...
Løsning:
ΣF = ma
4 kg m/s² = (1 kg) a
a = 4 kg m/s 2 : 1 kg = 4 m/s 2
Akselerasjonens størrelse = 4 m/s² , akselerasjonens retning mot høyre.
Eksempelproblem 2:
Bestem størrelsen og retningen på akselerasjonen basert på figuren ovenfor …
Løsning:
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
Akselerasjonens størrelse = 3 m/s² , akselerasjonens retning mot høyre.
3.2.1 Vekt (w)
Vekt er tyngdekraften som virker på et objekt med masse.
ΣF = ma
w = mg
Ligning 1.3 er ligningen for å beregne vekten av et objekt.
w = vekt (kg m/s² ) , m = masse (kg), g = tyngdeakselerasjonen (m/s² ) . Størrelsen på gravitasjonsakselerasjonen (g) på jordoverflaten er 9.8 m/s² . For å forenkle beregningene avrundes g til 10 m/ s².
3.2.2 Normalkraft (N)
Normalkraften er kraften som virker på to objekter som berører hverandre, der normalkraftens retning er vinkelrett på overflaten av berøringsplanet.
Observer objekter som fortsatt er over bordflaten. Tyngdekraften eller vekten virker også på objektet. Objekter faller ikke fritt slik som frukt som faller fra et tre fordi det er en normalkraft. Vekten (w) og normalen (N) er de samme, men i motsatt retning, slik at den totale kraften på et objekt er null.
ΣF = 0
N – w = 0
N = w
3.3 Newtons tredje lov
Newtons tredje lov sier at hvis objekt 1 gir kraft til objekt 2, så gir objekt 2 samtidig kraft til objekt 1. De to kreftene er like, men retningen på de to kreftene er motsatt. Én kraft kalles virkning, en annen kalles reaksjon.
F-virkning = – F-reaksjon
Ligning 1.3 er en matematisk påstand fra Newtons tredje lov. Det negative fortegnet i ligning 1.3 forklarer kraftens retning.
Eksperimenter slik at du bedre forstår Newtons tredje lov. Hvis du har et skateboard, skyv veggen mens du står på et skateboard. Etter å ha dyttet veggen, beveger skateboardet seg bakover. Kraften din er fremover, mens skateboardets retning er bakover.
Dette indikerer at veggen også tvinger deg. Når du skyver veggen, skyver veggen deg samtidig. Skyvekraften din virker på veggen, mens veggens skyvekraft virker på deg. Begge kreftene er i samme retning, men i motsatte retninger. Du kan kalle én kraft en handling og en annen en reaksjon.
Et annet eksperiment som kan gjøres er å blåse en gummiballong, og etter at gummiballongen utvider seg fordi den er fylt med luft, slipper du ballongen. Etter at den er sluppet, «flyr» ballongen. Retningen på ballongens bevegelse er motsatt av retningen på luftutgangen fra ballongen. Hvordan forklare dette?
Når ballongens munn slippes, skyver ballongen luften ut. Samtidig skyver luften også ballongen. Lufttrykkkraften får ballongen til å fly. Ballongens kraft virker, mens luftkraften virker på ballongen. De to kreftene er de samme, men retningen er motsatt.
Se på figur 2 og sammenlign den med figur 3. Normalkraften som virker på et objekt (N) er kraften som gis av en flat overflate, for eksempel en bordflate. Samtidig gir objekter også kraft til bordflaten (N'). Begge disse normalkreftene (N og N') har samme størrelse, men er i motsatte retninger og virker på forskjellige objekter. I motsetning til w og N som har samme størrelse og virker på samme objekt. Så N og N' er aksjonskrefter.
