Artikel om Newtons rörelselag
1. Definition av kraft
Kraft är något som får saker att accelerera. Med andra ord är kraft något som rör, stoppar eller ändrar ett objekts rörelseriktning. Kraft är en vektorstorhet och har därför en magnitud och riktning. Kraftsymbolen är F (Force). F är en allmän symbol för kraft. Det finns flera typer av krafter och inte alla krafter har symbolen F. Den internationella enheten är kg m/s², även känd som Newton.
2. Definition av nettokraft
Den resulterande kraften (ΣF) är summan av alla krafter som verkar på ett objekt. Kraft är en vektorstorhet, så den totala kraften beräknas baserat på vektoradditionsregeln.
Totalkraften = 10 Newton, totalkraftens riktning åt höger.
Totalkraften = 8 Newton, totalkraftens riktning åt höger.
Den totala kraften = 0
Den totala kraften = 0
3. Newtons rörelselagar
Newtons rörelselagar är fysikens lagar om ett objekts rörelse, som föreslagits av den engelske fysikern Isaac Newton.
3.1 Newtons första lag
Newtons första lag säger att varje objekt som är i vila ska förbli i vila, eller att varje objekt som rör sig rakt fram med konstant hastighet
kommer att fortsätta röra sig rakt fram med konstant hastighet om den totala kraften som verkar på objektet är noll.
ΣF = 0
Denna ekvation är ett matematiskt uttalande från Newtons första lag.
Se ett föremål runt omkring dig, såsom ett bord eller en sten eller något annat föremål. Ett bord som står stilla förblir stilla om det inte flyttas eller utsätts för en yttre kraft, såsom ett tryck eller drag. Finns det ingen kraft som verkar på bord, stenar eller föremål som står stilla? Det finns en kraft som verkar på föremålet, men summan av alla krafter som verkar på föremålet, eller den totala kraften, är noll. Krafterna som verkar på föremål som fortfarande befinner sig på ytan av planeter, som jorden, är gravitationen (w) och normalkraften (N). Tyngdkraftens riktning är vinkelrät mot jordens centrum, och normalkraftens riktning är vinkelrät uppåt. Storleken på dessa två krafter är densamma, men de har motsatt riktning, så den totala kraften är lika med noll.
Hur är det med saker som rör sig rakt med konstant hastighet? För att klargöra detta problem, anta att du knuffar ett föremål, till exempel en metallbit, mot golvytan. Efter att ha knuffats saktar metallen ner och stannar på grund av friktion. För att metallbitar ska kunna röra sig längre eller längre måste du jämna ut golvytan och metallplattans yta. Om golvytan är slät och det inte finns någon friktion, kommer metallplattan att fortsätta röra sig och inte stanna. Finns det ingen kraft som verkar på metallplattan som rör sig på ytan av det perfekta, släta golvet? Det finns krafter som verkar på metallplattor, nämligen tyngdkraften och normalkraften. Båda dessa krafter verkar i vertikal riktning och påverkar inte metallplattornas rörelse i horisontell riktning om golvet är slätt.
Newtons andra lag säger att om den totala kraften som verkar på ett föremål inte är lika med noll, så kommer föremålet att accelerera. Accelerationens storlek är proportionell mot den totala kraftens storlek och omvänt proportionell mot föremålets massa. Accelerationens riktning är densamma som den totala kraftens riktning.
ΣF = ma
ΣF = total kraft (kg m/s² ) , m = massa (kg), a = acceleration (m/ s² )
Ekvation 1.2 är ett matematiskt påstående från Newtons andra lag.
Om accelerationen är lika med noll (a = 0) ändras ekvation 1.2 till ekvation 1.1. Newtons första lag är alltså ett specialfall av Newtons andra lag. Baserat på ekvation 1.2 dras slutsatsen att ju större kraften är, desto större är accelerationen. Omvänt, ju större massan är, desto mindre är accelerationen. Sambandet mellan kraft, massa och acceleration förstås bättre efter att du har utfört ett experiment angående detta.
Exempelproblem 1:
Bestäm storleken och riktningen på objektens acceleration baserat på figuren ovan…
Lösning:
ΣF = ma
4 kg m/s² = (1 kg) a
a = 4 kg m/s 2 : 1 kg = 4 m/s 2
Accelerationens storlek = 4 m/s² , accelerationens riktning åt höger.
Exempelproblem 2:
Bestäm accelerationens storlek och riktning baserat på figuren ovan …
Lösning:
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
Accelerationens storlek = 3 m/s² , accelerationens riktning åt höger.
3.2.1 Vikt (vikt)
Vikt är tyngdkraften som verkar på ett massföremål.
ΣF = ma
w = mg
Ekvation 1.3 är ekvationen för att beräkna vikten av ett objekt.
w = vikt (kg m/s² ) , m = massa (kg), g = tyngdaccelerationen (m/s² ) . Storleken på gravitationsaccelerationen (g) på jordytan är 9.8 m/s² . För att förenkla beräkningarna avrundas g till 10 m/ s².
3.2.2 Normalkraft (N)
Normalkraften är den kraft som verkar på två föremål som berör varandra, där normalkraftens riktning är vinkelrät mot beröringsplanets yta.
Observera föremål som fortfarande är ovanför bordsytan. Tyngdkraften eller vikten verkar också på föremålet. Föremål faller inte fritt som frukt som faller från ett träd eftersom det finns en normalkraft. Vikten (w) och normalen (N) är samma men i motsatta riktningar, så den totala kraften på ett föremål är noll.
ΣF = 0
N – w = 0
N = w
3.3 Newtons tredje lag
Newtons tredje lag säger att om objekt 1 ger kraft till objekt 2, så ger samtidigt objekt 2 kraft till objekt 1. De två krafterna är desamma, men riktningen på de två krafterna är motsatt. En kraft kallas verkan, en annan kallas reaktion.
F-verkan = – F-reaktion
Ekvation 1.3 är ett matematiskt påstående från Newtons tredje lag. Minustecknet i ekvation 1.3 förklarar kraftens riktning.
Experimentera så att du bättre förstår Newtons tredje lag. Om du har en skateboard, tryck mot väggen medan du står på en skateboard. Efter att ha tryckt mot väggen rör sig skateboarden bakåt. Din krafts riktning är framåt, medan skateboardens riktning är bakåt.
Detta indikerar att väggen också tvingar dig. När du trycker på väggen, trycker väggen samtidigt också på dig. Din tryckkraft verkar på väggen, medan väggens tryckkraft verkar på dig. Båda krafterna är i samma men motsatta riktningar. Du kan kalla en kraft för en verkan och en annan för en reaktion.
Ett annat experiment som kan göras är att blåsa en gummiballong och släppa ballongen efter att den expanderar eftersom den är fylld med luft. Efter att den släppts "flyger" ballongen. Ballongens rörelseriktning är motsatt riktning mot luftens utlopp. Hur förklarar man detta?
När ballongens mynning släpps trycker ballongen ut luften. Samtidigt trycker luften även på ballongen. Lufttrycket får ballongen att flyga. Ballongens kraft verkar, luftens kraft verkar på ballongen. De två krafterna är desamma, men riktningen är motsatt.
Observera figur 2 och jämför den med figur 3. Normalkraften som verkar på ett föremål (N) är den kraft som ges av en plan yta, såsom en bordsyta. Samtidigt utövar föremål också kraft på bordsytan (N'). Båda dessa normalkrafter (N och N') har samma magnitud, men är i motsatta riktningar och verkar på olika föremål. Till skillnad från w och N som har samma magnitud och verkar på samma föremål. Så N och N' är aktions-reaktionskrafter.
