פיזיק פאפיר איבער ניוטאן'ס געזעצן
הקדמה
פיזיק איז א צווייג פון נאטור-וויסנשאפט וואס שטודירט די פענאמענען און אויפפירונג פון דעם אוניווערס דורך אבזערוואציע, מעסטונג, און די פארמולירונג פון אלגעמיין אנwendבארע געזעצן. איינע פון די הויפט יסודות פון קלאסישער פיזיק איז ניוטאן'ס געזעצן פון באוועגונג. די געזעצן זענען פארמולירט געווארן דורך סער אייזיק ניוטאן אין דעם 17טן יארהונדערט און דינען אלס די באזע פארן פארשטיין ווי אביעקטן באוועגן זיך און ווי כוחות באאיינפלוסן ענדערונגען אין יענער באוועגונג. טראץ דעם אויפקום פון מאדערנער רעלאטיוויטעט און קוואנטום מעכאניק, בלייבן ניוטאן'ס געזעצן שטארק רעלאוואנט פארן דערקלערן פארשידענע טעגליכע פענאמענען, ספעציעל אויף דער מאסשטאב פון אביעקטן וואס באוועגן זיך מיט שנעלקייטן פיל קלענער ווי די שנעלקייט פון ליכט.
ניוטאָנס געזעצן זענען נישט נאָר אַ סכום פֿאָרמולעס, נאָר אַ וויסנשאַפֿטלעכע ראַם פֿאַר טראַכטן וועגן דער באַציִונג צווישן קראַפֿט, מאַסע און אַקסעלעראַציע. זייערע אַפּליקאַציעס זענען ברייט, פֿון קאַלקולירן פֿאָרמיטל באַוועגונג און בריק פּלאַן ביז ספּאָרט אַנאַליז און אפילו אַוויאַציע און קאָסמאָס טעכנאָלאָגיע. די דאָזיקע אַרבעט וועט סיסטעמאַטיש דיסקוטירן ניוטאָנס דריי געזעצן, די קאָנצעפּטן פֿון קראַפֿט און מאַסע, און ביישפּילן פֿון זייער אַפּליקאַציע אין וואָכעדיקן לעבן.
גרונטלעכע קאנצעפטן: קראַפט, מאַסע און באַוועגונג
איידער מיר דיסקוטירן ניוטאן'ס דריי געזעצן, איז וויכטיג צו פארשטיין די שליסל קאנצעפטן וואס זענען פארמישט. קראפט איז א שטופּ אדער ציען וואס קען ענדערן דעם צושטאנד פון באוועגונג פון אן אביעקט. קראפט האט סיי גרייס און סיי ריכטונג, מאכנדיג עס א וועקטאָר קוואַנטיטעט. די SI איינהייט פון קראפט איז דער ניוטאן (N), דעפינירט אלס די קראפט וואס איז נויטיג צו געבן א פארגיכערונג פון 1 מ/ס² צו א מאַסע פון 1 ק"ג.
מאַסע איז אַ מאָס פֿון אַן אָביעקט'ס אינערציע, דאָס הייסט, זײַן טענדענץ צו האַלטן זײַן צושטאַנד פֿון באַוועגונג. ווי גרעסער די מאַסע פֿון אַן אָביעקט, אַלץ שווערער איז עס צו באַשנעלערן אָדער אָפּשטעלן. מאַסע איז אַנדערש פֿון וואָג. וואָג איז די גראַוויטאַציאָנעלע קראַפֿט וואָס אַקטירט אויף אַן אָביעקט, און דעריבער איז עס אָפּהענגיק פֿון דער לאָקאַלער גראַוויטאַציאָנעלער באַשנעלערונג.
באַוועגונג אין פיזיק ווערט טיפּיש שטודירט דורך די קוואַנטיטעטן פּאָזיציע, גיכקייט און אַקסעלעראַציע. גיכקייט ווײַזט ווי שנעל פּאָזיציע ענדערט זיך אין באַצוג צו צײַט, בשעת אַקסעלעראַציע ווײַזט די ענדערונג אין גיכקייט פּער צײַט־איינהייט. ניוטאָנס געזעצן פֿאַרבינדן קראַפט מיט אַקסעלעראַציע, און אַזוי צושטעלן אַ בריק צווישן סיבה (קראַפט) און ווירקונג (ענדערונג אין באַוועגונג).
ניוטאָנס ערשטער געזעץ (געזעץ פון אינערציע)
ניוטאָנס ערשטער געזעץ זאָגט: "אַן אָביעקט וועט בלייבן אין רו אָדער זיך באַוועגן אין אַ גלייכער ליניע מיט אַ קאָנסטאַנטער גיכקייט אויב די נעץ קראַפט וואָס אַקט אויף אים איז נול." דאָס מיינט אַז אויב עס איז נישטאָ קיין נעץ קראַפט וואָס ווירקט אויף אַן אָביעקט, וועט דער אָביעקט נישט דערפאַרן קיין ענדערונג אין גיכקייט.
דער שליסל באַגריף אין דעם געזעץ איז אינערציע. אינערציע דערקלערט פארוואס אויטאָ פּאַסאַזשירן ווערן געשטופּט פאָרויס ווען די מאַשין ברעמט פּלוצעם. ווען די מאַשין פאַרלאַנגזאַמט זיך, טענדירט דער פּאַסאַזשיר'ס קערפּער צו האַלטן זיין פאָרויס באַוועגונג צוליב אינערציע. דאָס איז פארוואס זיכערהייט גאַרטלען זענען אַזוי וויכטיק, ווייל זיי צושטעלן אַ קראַפט וואָס האַלט דעם קערפּער פון ווייטער גיין פאָרויס.
נאך א ביישפיל איז אן אביעקט אויף א טיש. דער אביעקט בלייבט אין רו ווייל עס איז נישטא קיין האריזאנטאלע קראפט וואס מאכט אים באוועגן זיך; די אראפגאנגס-קראפט פון גראוויטי און די אויפגאנגס-קראפט פון טיש באלאנסירן זיך איינע די אנדערע, אזוי איז די רעזולטאנטע קראפט נול. אזוי, דער ערשטער געזעץ אונטערשטרייכט אז א ענדערונג אין באוועגונג פאסירט נאר אויב עס איז דא א נישט-נול רעזולטאנטע קראפט.
ניוטאָנס צווייטער געזעץ (באַציִונג צווישן קראַפט, מאַסע און אַקסעלעראַציע)
ניוטאָנס צווייטער געזעץ איז דער קערן פון קלאַסישער מעכאניק און זאָגט: "די אַקסעלעראַציע פון אַן אָביעקט איז פּראָפּאָרציאָנעל צו דער רעזולטאַט קראַפט וואָס אַקט אויף אים און פאַרקערט פּראָפּאָרציאָנעל צו זיין מאַסע." מאַטעמאַטיש, ווערט עס פאָרמולירט ווי:
ΣF = m · a
דאָ, ΣF איז די רעזולטאַנט קראַפט (N), m איז די מאַסע (kg), און a איז די אַקסעלעראַציע (m/s²). די פאָרמולע ווייזט צוויי וויכטיקע פונקטן. ערשטנס, ווי גרעסער די קראַפט וואָס ווערט אַפּליצירט צו אַן אָביעקט מיט אַ קאָנסטאַנטער מאַסע, אַלץ גרעסער די רעזולטאַט אַקסעלעראַציע. צווייטנס, פֿאַר דער זעלבער קראַפט, וועט אַן אָביעקט מיט אַ גרעסערער מאַסע דערפאַרן אַ קלענערע אַקסעלעראַציע.
למשל, שטופן א ליידיגן שאפינג וואגן איז גרינגער ווי שטופן א פולן. דער פולער וואגן האט א גרעסערע מאסע, ממילא איז די פארגיכערונג קלענער פאר דער זעלבער שטופ-קראפט. ספארט ביישפילן זענען אויך קלאר: א טעניס באל איז גרינגער צו פארגיכערן ווי א באָולינג באל ווייל זיין מאסע איז פיל קלענער.
ניוטאָנס צווייטער געזעץ העלפט אויך אנאליזירן די כוחות וואָס אַרבעטן אויף אַן אָביעקט, ווי למשל רייַבונג, שפּאַנונג אין אַ שטריק, פֿעדער קראַפט, און גראַוויטאַציע. ווען מען לייזט פּראָבלעמען, ווערט טיפּיש געניצט אַ פֿרײַ-קערפּער דיאַגראַם צו מאַפּירן אַלע כוחות וואָס אַרבעטן, אַזוי אַז די רעזולטאַט קראַפט קען ריכטיק אויסגערעכנט ווערן.
ניוטאָנס דריטער געזעץ (אַקציע און רעאַקציע)
ניוטאָנס דריטער געזעץ זאָגט: "פֿאַר יעדער אַקציע איז דאָ אַ גלייכע און פאַרקערטע רעאַקציע." דאָס מיינט אַז אויב אָביעקט א ליגט אויף אָביעקט ב, דאַן ליגט אָביעקט ב אויף אָביעקט א אַ גלייכע קראַפט אָבער אין דער פאַרקערטער ריכטונג.
דעם געזעץ ווערט אָפט מיספאַרשטאַנען ווייל מענטשן טראַכטן אַז אַקציע און רעאַקציע מבטל זיך איינער דעם אַנדערן אויס. אין פאַקט, די צוויי כוחות ווירקן אויף צוויי פֿאַרשידענע אָביעקטן, אַזוי זיי מבטל נישט איינער דעם אַנדערן אויס אויף דעם זעלבן אָביעקט. למשל, ווען אַ מענטש שטייט אויף דער ערד, זיינע פֿיס טוען אַן אַראָפּגייענדיקע קראַפט אויף דער ערד (אַקציע), און דער ערד טוען אַן אויפֿגייענדיקע נאָרמאַלע קראַפט אויף זיינע פֿיס (רעאַקציע). ווייל די רעאַקציע קראַפט פֿון דער ערד איז גרויס גענוג צו באַלאַנסירן זייער וואָג, קען דער מענטש שטיין אָן צו פֿאַלן.
נאך א זייער באקאנט ביישפיל איז די באוועגונג פון א ראקעט. די ראקעט שיסט גאז צוריק מיט א הויכער שנעלקייט (אקציע), דערנאך שטופט דער גאז די ראקעט פאראויס (רעאקציע), שטויפנדיג די ראקעט ארויף. דער זעלבער פרינציפ גילט פאר א באלאן וואס ווערט נישט געבונדן: לופט אנטלויפט אין איין ריכטונג און דער באלאן ווערט געשטופט אין דער פארקערטער ריכטונג.
אַפּליקאַציע פון ניוטאָן'ס געזעצן אין וואָכעדיק לעבן
ניוטאָנס געזעצן קען מען געפֿינען אין פֿיל אַקטיוויטעטן. אין טראַנספּאָרטאַציע, נעמט פֿאָרמיטל פּלאַן אין באַטראַכט פֿאַרשידענע כוחות ווי מאָטאָר מאַכט, לופֿט קעגנשטעל, און טירע רייַבונג. ווען אַ פֿאָרמיטל דרייט זיך, איז צענטריפּעטאַל קראַפט נויטיק צו האַלטן דעם פֿאָרמיטל'ס קייַלעכדיקן וועג; אויב רייַבונג איז נישט גענוג, קען דאָס פֿאָרמיטל גליטשן.
אין אינזשעניריע, פארלאנגט די קאנסטרוקציע פון געביידעס און בריקן קראפט באלאנס אנאליז (ניוטאן'ס ערשטער געזעץ). סטרוקטורן מוזן זיין דיזיינט אזוי אז די רעזולטירנדע כוחות און מאמענטן אין ספעציפישע פונקטן זאלן נישט פאראורזאכן א צוזאמענפאל. אין שווערע עקוויפמענט טעכנאלאגיע, ווערט ניוטאן'ס צווייטער געזעץ גענוצט צו באשטימען די קראפט וואס איז נויטיג פאר א מאשין צו הייבן אדער באוועגן א ספעציפישע לאסט.
אין ספּאָרט, נוצן אַטלעטן דעם געזעץ פון אַקציע-רעאַקציע. אַ לויפער שטופּט צוריק קעגן דער ערד, וואָס שטופּט דעם לויפער פאָרווערטס. אַ שווימער שטופּט צוריק קעגן דעם וואַסער, וואָס שטופּט דעם שווימער פאָרווערטס. ווי מער עפֿעקטיוו די פּראָפּאַלסיוו קראַפט, אַלץ גרעסער די רעזולטאַט אַקסעלעראַציע.
לימיטאַציעס פון ניוטאָנס געזעצן
כאָטש זייער נוצלעך, האָבן ניוטאָנס געזעצן לימיטאַציעס. זיי זענען מערסט פּינקטלעך פֿאַר מאַקראָסקאָפּישע אָביעקטן ביי נידעריקע גיכקייטן. ביי גיכקייטן וואָס דערנענטערן זיך צו דער גיכקייט פון ליכט, ווערט איינשטיין'ס טעאָריע פון רעלאַטיוויטעט מער פּינקטלעך ווייל עפעקטיווע מאַסע און צייט זענען נישט מער אַבסאָלוט. אויף דער וואָג פון אַטאָמען און סובאַטאָמישע פּאַרטיקלען, איז קוואַנטום מעכאַניק נייטיק ווייל פּאַרטיקל נאַטור קען נישט ווערן דערקלערט בלויז דורך קלאַסישע כוחות און טראַיעקטאָריעס.
אבער, פאר רוב טעגליכע פראבלעמען און אסאך אינזשעניריע אנווענדונגען, זענען ניוטאן'ס געזעצן נאך אלץ דער הויפט צוגאנג ווייל זיי זענען פשוט, פראקטיש, און גאנץ גענוי.
קעסימפּולאַן
ניוטאָנס געזעצן זענען אַ וויכטיקע יסוד אין קלאַסישער פיזיק וואָס דערקלערט די באַציִונג צווישן קראַפט און באַוועגונג. ניוטאָנס ערשטער געזעץ זאָגט אַז אַן אָביעקט וועט האַלטן זיין צושטאַנד פון באַוועגונג אויב די רעזולטאַט קראַפט איז נול. ניוטאָנס צווייטער געזעץ דערקלערט אַז אַקסעלעראַציע איז גלייך פּראָפּאָרציאָנעל צו דער רעזולטאַט קראַפט און פאַרקערט פּראָפּאָרציאָנעל צו מאַסע, פאָרמולירט ווי ΣF = m·a. ניוטאָנס דריטער געזעץ באַטאָנט דעם פּרינציפּ פון אַקציע-רעאַקציע, אַז יעדע קראַפט האט שטענדיק אַ שותף פון גלייכער מאַגניטוד און פאַרקערטער ריכטונג.
דורך פארשטיין די דריי געזעצן, קענען מיר אנאליזירן א ברייטע קייט פון נאטירלעכע און טעכנאלאגישע דערשיינונגען, פון פשוטע באוועגונג אין טעגליכן לעבן ביזן דיזיין פון מאשינען און וועהיקלעס. טראץ זייערע באגרענעצונגען אין עקסטרעמע באדינגונגען, בלייבן ניוטאן'ס געזעצן רעלעוואנט און שטעלן פאר איינע פון די גרעסטע דערגרייכונגען אין דער געשיכטע פון וויסנשאפט.
-
אויב איר ווילט, קען איך צולייגן אַ ביבליאָגראַפֿיע, אַ הקדמה, אָדער שאַפֿן אַ מער "שול־פֿאָרמאַט" ווערסיע (מיט הינטערגרונט, פּראָבלעם־שטעלונג, צילן, דיסקוסיע און מסקנה).
