Artykuł o prawie ruchu Newtona
1. Definicja siły
Siła to coś, co powoduje przyspieszenie obiektów. Innymi słowy, siła to coś, co porusza, zatrzymuje lub zmienia kierunek ruchu obiektu. Siła jest wielkością wektorową, a zatem ma wartość i kierunek. Symbolem siły jest F (Force – siła). F to ogólny symbol siły. Istnieje kilka rodzajów sił i nie wszystkie mają symbol F. Jednostką międzynarodowego układu miar jest kg m/s², czyli niuton.
2. Definicja siły wypadkowej
Siła wypadkowa (ΣF) to suma wszystkich sił działających na obiekt. Siła jest wielkością wektorową, więc siłę całkowitą oblicza się na podstawie reguły dodawania wektorów.
Całkowita siła = 10 niutonów, kierunek całkowitej siły w prawo.
Całkowita siła = 8 niutonów, kierunek całkowitej siły w prawo.
Całkowita siła = 0
Całkowita siła = 0
3. Prawa ruchu Newtona
Prawa ruchu Newtona to prawa fizyki opisujące ruch obiektów, zaproponowane przez angielskiego fizyka Izaaka Newtona.
3.1 Pierwsze prawo Newtona
Pierwsze prawo Newtona stanowi, że każdy obiekt będący w spoczynku pozostaje w spoczynku, a każdy obiekt poruszający się prosto ze stałą prędkością
będzie nadal poruszać się prosto ze stałą prędkością, jeżeli całkowita siła działająca na obiekt jest równa zero.
ΣF = 0
To równanie jest stwierdzeniem matematycznym pierwszego prawa Newtona.
Zobacz obiekt wokół siebie, taki jak stół, kamień lub jakikolwiek obiekt. Stół, który jest w spoczynku, pozostanie w spoczynku, jeśli nie zostanie poruszony lub nie zostanie na niego nałożona siła zewnętrzna, taka jak pchnięcie lub pociągnięcie. Czy nie ma siły, która działa na stoły, skały lub obiekty, które są w spoczynku? Na obiekt działa siła, ale suma wszystkich sił działających na obiekt lub całkowita siła wynosi zero. Siły działające na obiekty, które nadal znajdują się na powierzchni planet takich jak Ziemia, to siła grawitacji (w) i siła normalna (N). Kierunek siły grawitacji jest prostopadły do środka Ziemi, kierunek siły normalnej jest prostopadły do góry. Wartość tych dwóch sił jest taka sama, ale mają przeciwny kierunek, więc całkowita siła jest równa zeru.
A co z przedmiotami poruszającymi się prosto ze stałą prędkością? Aby wyjaśnić ten problem, załóżmy, że pchasz obiekt, na przykład kawałek metalu, po powierzchni podłogi. Po pchnięciu metal zwolnił i zatrzymał się z powodu tarcia. Aby kawałki metalu mogły poruszać się dalej lub dłużej, musisz wygładzić powierzchnię podłogi i powierzchnię metalowej płyty. Jeśli powierzchnia podłogi jest gładka i nie ma tarcia, metalowa płyta będzie się nadal poruszać i nie zatrzyma się. Czy nie ma żadnej siły działającej na metalową płytę poruszającą się po powierzchni idealnie gładkiej podłogi? Istnieją siły, które działają na metalowe płyty, a mianowicie siła grawitacji i siła normalna. Obie te siły działają w kierunku pionowym i nie wpływają na ruch metalowych płyt w kierunku poziomym, jeśli podłoga jest gładka.
Drugie prawo Newtona głosi, że jeśli całkowita siła działająca na obiekt nie jest równa zeru, obiekt ten przyspieszy. Wartość przyspieszenia jest proporcjonalna do wartości całkowitej siły i odwrotnie proporcjonalna do masy obiektu. Kierunek przyspieszenia jest taki sam, jak kierunek siły całkowitej.
ΣF = ma
ΣF = siła całkowita (kg m/s 2 ), m = masa (kg), a = przyspieszenie (m/s 2 )
Równanie 1.2 jest stwierdzeniem matematycznym drugiego prawa Newtona.
Jeśli przyspieszenie jest równe zeru (a = 0), wówczas równanie 1.2 zmienia się w równanie 1.1. Zatem pierwsze prawo Newtona jest szczególnym przypadkiem drugiego prawa Newtona. Na podstawie równania 1.2 można stwierdzić, że im większa siła, tym większe przyspieszenie. I odwrotnie, im większa masa, tym mniejsze przyspieszenie. Związek między siłą, masą i przyspieszeniem będzie lepiej zrozumiały po przeprowadzeniu eksperymentu dotyczącego tego zagadnienia.
Przykładowy problem 1:
Określ wartość i kierunek przyspieszenia obiektów na podstawie powyższego rysunku…
Rozwiązanie:
ΣF = ma
4 kg m/s2 = (1 kg) a
a = 4 kg m/s 2 : 1 kg = 4 m/s 2
Wartość przyspieszenia = 4 m/s2 , kierunek przyspieszenia w prawo.
Przykładowy problem 2:
Określ wartość i kierunek przyspieszenia na podstawie powyższego rysunku…
Rozwiązanie:
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
Wartość przyspieszenia = 3 m/s2 , kierunek przyspieszenia w prawo.
3.2.1 Waga (szer.)
Ciężar to siła grawitacji działająca na obiekt masowy.
ΣF = ma
w = mg
Równanie 1.3 jest równaniem służącym do obliczania ciężaru obiektu.
w = ciężar (kg m/s² ) , m = masa (kg), g = przyspieszenie ziemskie (m/s² ) . Wartość przyspieszenia ziemskiego (g) na powierzchni Ziemi wynosi 9.8 m/s² . Dla uproszczenia obliczeń, g zaokrągla się do 10 m/ s².
3.2.2 Siła normalna (N)
Siła normalna to siła działająca na dwa obiekty, które się stykają, przy czym kierunek siły normalnej jest prostopadły do powierzchni płaszczyzny styku.
Obserwuj obiekty, które nadal znajdują się nad powierzchnią stołu. Na obiekt działa również siła grawitacji lub ciężaru. Obiekty nie spadają swobodnie, jak owoce spadające z drzewa, ponieważ istnieje siła normalna. Ciężar (w) i normalna (N) mają ten sam kierunek, ale przeciwne zwroty, więc całkowita siła działająca na obiekt wynosi zero.
ΣF = 0
N – w = 0
N = w
3.3 Trzecie prawo Newtona
Trzecie prawo Newtona głosi, że jeśli obiekt 1 wywiera siłę na obiekt 2, to jednocześnie obiekt 2 wywiera siłę na obiekt 1. Obie siły są takie same, ale ich kierunek jest przeciwny. Jedna siła nazywa się akcją, a druga reakcją.
F akcja = – F reakcja
Równanie 1.3 to wyrażenie matematyczne z trzeciej zasady dynamiki Newtona. Znak minus w równaniu 1.3 wyjaśnia kierunek siły.
Poeksperymentuj, aby lepiej zrozumieć trzecią zasadę dynamiki Newtona. Jeśli masz deskorolkę, odepchnij ścianę, stojąc na niej. Po odepchnięciu ściany deskorolka cofnie się. Kierunek Twojej siły jest do przodu, a kierunek deskorolki do tyłu.
Oznacza to, że ściana również wywiera na ciebie presję. Kiedy pchasz ścianę, jednocześnie ona również cię pcha. Twoja siła pchająca działa na ścianę, a siła pchająca ściany działa na ciebie. Obie siły działają w tym samym kierunku, ale w przeciwnych kierunkach. Jedną siłę można nazwać akcją, a drugą reakcją.
Innym eksperymentem, który można przeprowadzić, jest nadmuchanie gumowego balonu i puszczenie go, gdy rozszerzy się on, ponieważ jest wypełniony powietrzem. Po puszczeniu balon „leci”. Kierunek ruchu balonu jest przeciwny do kierunku wypływu powietrza z balonu. Jak to wyjaśnić?
Po zwolnieniu dziobu balonu, wypycha on powietrze. Jednocześnie powietrze wypycha balon. Siła wypychająca powietrze powoduje, że balon leci. Siła wypychająca balon działa podczas zabawy, siła wypychająca powietrze działa na balon. Obie siły są takie same, ale ich kierunek jest przeciwny.
Przyjrzyj się rysunkowi 2 i porównaj go z rysunkiem 3. Siła normalna działająca na obiekt (N) to siła generowana przez płaską powierzchnię, taką jak powierzchnia stołu. Jednocześnie obiekty również generują siłę na powierzchnię stołu (N'). Obie te siły normalne (N i N') mają tę samą wartość, ale przeciwne zwroty i działają na różne obiekty. W przeciwieństwie do w i N, które mają tę samą wartość i działają na ten sam obiekt. Zatem N i N' są siłami akcji i reakcji.
