NEWTONOV PRVÝ ZÁKON: VZORCE, EXPERIMENTY A CVIČENIA - FYZICKÝ - 2026

Prvé právo Newtona , tiež známy ako zákon zotrvačnosti, bola prvýkrát navrhnutá Isaac Newton, fyzik, matematik, filozof, teológ, anglický vynálezca a alchymista. Tento zákon uvádza toto: „Ak predmet nie je vystavený žiadnej sile alebo ak sa sily, ktoré naň pôsobia, navzájom rušia, bude sa naďalej pohybovať konštantnou rýchlosťou v priamke.“

V tomto príkaze bude kľúčové slovo pokračovať. Ak sú splnené podmienky zákona, predmet bude pokračovať v pohybe tak, ako bol. Pokiaľ sa neobjaví nevyvážená sila a nezmení stav pohybu.

Vysvetlenie prvého Newtonovho zákona. Zdroj: vlastný.

To znamená, že ak je objekt v pokoji, bude naďalej odpočívať, s výnimkou prípadu, keď ho sila z tohto stavu odstráni. To tiež znamená, že ak sa objekt pohybuje stálou rýchlosťou v priamom smere, bude sa ním ďalej pohybovať. Zmení sa iba vtedy, keď naň externý agent vyvíja silu a zmení jeho rýchlosť.

Pozadie zákona

Isaac Newton sa narodil vo Woolsthorpe Manor (Spojené kráľovstvo) 4. januára 1643 a zomrel v Londýne v roku 1727.

Presný dátum, keď Sir Isaac Newton objavil svoje tri dynamické zákony, vrátane prvého zákona, nie je s istotou známy. Ale je známe, že to bolo dávno pred vydaním slávnej knihy Matematické princípy prírodnej filozofie, 5. júla 1687.

Slovník Kráľovskej španielskej akadémie definuje slovo zotrvačnosť takto:

„Majetok orgánov na udržanie stavu odpočinku alebo pohybu, ak nie pôsobením sily.“

Tento výraz sa tiež používa na potvrdenie, že akákoľvek situácia zostáva nezmenená, pretože na jeho dosiahnutie nebolo vynaložené žiadne úsilie, preto slovo zotrvačnosť má niekedy význam rutiny alebo lenivosti.

Pred Newtonovský pohľad

Pred Newtonom prevládali myšlienky veľkého gréckeho filozofa Aristotela, ktorý potvrdil, že na to, aby sa predmet udržal v pohybe, musí naň pôsobiť sila. Keď sila prestane, potom to bude aj pohyb. Nie je to tak, ale aj dnes si to mnohí myslia.

Galileo Galilei, vynikajúci taliansky astronóm a fyzik, ktorý žil v rokoch 1564 až 1642, experimentoval a analyzoval pohyb tiel.

Jedným z pozorovaní Galilea bolo, že telo, ktoré sa posúva na hladkom a leštenom povrchu s určitým počiatočným impulzom, trvá dlhšie a zastaví sa a má viac dráhy v priamej línii, pretože trenie medzi telom a povrchom je menšie.

Je zrejmé, že Galileo sa zaoberal myšlienkou zotrvačnosti, neprišiel však sformulovať vyhlásenie tak presné ako Newton.

Nižšie uvádzame niekoľko jednoduchých experimentov, ktoré čitateľ môže vykonať a potvrdiť výsledky. Pozorovania sa budú tiež analyzovať podľa aristoteliánskeho pohľadu na pohyb a newtonovského pohľadu.

Inertia experimenty

Pokus 1

Na podlahu sa vystrelí skrinka a potom sa hnacia sila pozastaví. Pozorujeme, že škatuľka prechádza krátkou cestou, kým sa nezastaví.

Interpretujme predchádzajúci experiment a jeho výsledok v rámci teórií pred Newtonom a potom podľa prvého zákona.

V aristotelskej vízii bolo vysvetlenie veľmi jasné: box sa zastavil, pretože sila, ktorá ho pohla, bola pozastavená.

Podľa newtonovského pohľadu sa box na podlahe / zemi nemôže pohybovať rýchlosťou, ktorú mala v okamihu, keď bola sila pozastavená, pretože medzi podlahou a boxom existuje nevyvážená sila, ktorá spôsobuje zníženie rýchlosti až do dosiahnutia box sa zastaví. Je to trecia sila.

V tomto experimente nie sú splnené podmienky prvého Newtonovho zákona, takže box sa zastavil.

Pokus 2

Opäť je to krabica na podlahe / zemi. Pri tejto príležitosti je sila na skriňu udržiavaná tak, že vyrovnáva alebo vyvažuje treciu silu. Stáva sa to, keď dostaneme box, aby sledoval konštantnú rýchlosť a priamym smerom.

Tento experiment nie je v rozpore s aristoteliánskym pohľadom na pohyb: box sa pohybuje konštantnou rýchlosťou, pretože na ňu pôsobí sila.

Taktiež to neodporuje Newtonovmu prístupu, pretože všetky sily pôsobiace na box sú vyvážené. Pozrime sa:

• V horizontálnom smere je sila vyvíjaná na skriňu rovnaká av opačnom smere na treciu silu medzi skriňou a podlahou.
• Čistá sila v horizontálnom smere je teda nulová, a preto si box udržuje svoju rýchlosť a smer.

Aj vo vertikálnom smere sú sily vyvážené, pretože hmotnosť boxu, ktorá je silou smerujúcou vertikálne smerom nadol, sa presne kompenzuje dotykovou (alebo normálnou) silou, ktorú zem pôsobí na box vertikálne smerom nahor.

Mimochodom, hmotnosť boxu je spôsobená gravitačným ťahom Zeme.

Pokus 3

Pokračujeme s boxom položeným na podlahe. Vo vertikálnom smere sú sily vyrovnané, to znamená, že vertikálna sila je nulová. Bolo by určite veľmi prekvapivé, keby sa škatuľka posunula nahor. Ale v horizontálnom smere je trecia sila.

Teraz, aby sa splnil predpoklad prvého Newtonovho zákona, musíme znížiť trenie na jeho minimálny výraz. To sa dá dosiahnuť zhruba zhruba, ak hľadáme veľmi hladký povrch, na ktorý striekame silikónový olej.

Pretože silikónový olej znižuje trenie takmer na nulu, takže keď sa tento box hádže horizontálne, bude si udržiavať svoju rýchlosť a smer po dlhú dobu.

Je to ten istý jav, ktorý sa vyskytuje s korčuliarmi na klzisku alebo s hokejovým pukom, keď sú poháňané a uvoľňované samostatne.

V opísaných situáciách, keď je trenie znížené takmer na nulu, je výsledná sila prakticky nulová a predmet si udržiava svoju rýchlosť podľa prvého Newtonovho zákona.

V aristotelskom pohľade sa to nemohlo stať, pretože podľa tejto naivnej teórie k pohybu dôjde iba vtedy, keď je na pohybujúci sa objekt sieťová sila.

Zamrznutý povrch možno považovať za veľmi nízke trenie. Zdroj: Pixabay.

Newtonovo prvé vysvetlenie zákona

Inertia a hmotnosť

Hmota je fyzické množstvo, ktoré udáva množstvo hmoty, ktorú telo alebo predmet obsahuje.

Hmota je potom vnútornou vlastnosťou hmoty. Ale hmota je tvorená atómami, ktoré majú hmotnosť. Hmota atómu je sústredená v jadre. Hmotnosť atómu a hmoty prakticky definujú protóny a neutróny v jadre.

Hmotnosť sa vo všeobecnosti meria v kilogramoch (kg), je to základná jednotka medzinárodného systému jednotiek (SI).

Prototyp alebo referenčný údaj o kilograme je platinový a irídiový valec, ktorý sa uchováva v Medzinárodnom úrade pre váhy a miery v Sèvres vo Francúzsku, hoci v roku 2018 bol spojený s Planckovou konštantou a nová definícia nadobúda účinnosť od 20. mája 2019.

Stáva sa, že zotrvačnosť a hmotnosť súvisia. Čím väčšia je hmotnosť, tým väčšia zotrvačnosť má predmet. Z hľadiska energie je oveľa ťažšie alebo nákladnejšie zmeniť stav pohybu hmotnejšieho objektu ako menej hmotného.

príklad

Napríklad zdvíhanie jednej tony (1 000 kg) škatule z odpočinku vyžaduje oveľa viac sily a oveľa viac práce ako 1 kg škatule. Preto sa často hovorí, že prvá má väčšiu zotrvačnosť ako druhá.

V dôsledku vzťahu medzi zotrvačnosťou a hmotou si Newton uvedomil, že rýchlosť sama osebe nie je reprezentatívna pre stav pohybu. Preto definoval množstvo známe ako hybnosť alebo hybnosť, ktoré je označené písmenom p a je súčinom hmotnosti ma rýchlosti v :

p = m v

Tučne v p a V, ukazujú, že sú vektorové fyzikálne veličiny, to znamená, že sa množstvo sa veľkosti, smeru a zmyslu.

Na druhej strane hmotnosť m je skalárne množstvo, ku ktorému je priradené číslo, ktoré môže byť väčšie alebo rovné nule, ale nikdy záporné. Doteraz nebol v známom vesmíre nájdený žiadny objekt negatívnej hmoty.

Newton vzal svoju fantáziu a abstrakciu do extrému a definoval takzvanú voľnú časticu. Častica je bod materiálu. To znamená, že je ako matematický bod, ale s hmotnosťou:

Voľná ​​častica je taká častica, ktorá je tak izolovaná, tak ďaleko od iného objektu vo vesmíre, že na ňu nemôže vyvíjať žiadne interakcie alebo sily.

Neskôr Newton ďalej definoval inerciálne referenčné systémy, ktoré budú tie, v ktorých sa uplatňujú jeho tri zákony o pohybe. Tu sú definície podľa týchto konceptov:

Inerciálny referenčný systém

Akýkoľvek súradnicový systém pripojený k voľnej častici alebo ktorý sa pohybuje konštantnou rýchlosťou vzhľadom na voľnú časticu, bude inertným referenčným systémom.

Newtonov prvý zákon (zákon zotrvačnosti)

Ak je častica voľná, má konštantnú hybnosť vzhľadom na inerciálny referenčný rámec.

Newtonov prvý zákon a dynamika. Zdroj: vlastný.

Riešené cvičenia

Cvičenie 1

160 g hokejový puk ide na klzisko rýchlosťou 3 km / h. Nájdite jeho dynamiku.

Riešenie

Hmotnosť disku v kilogramoch je: m = 0,160 kg.

Rýchlosť v metroch za sekundu: v = (3 / 3,6) m / s = 0,8333 m / s

Množstvo pohybu alebo hybnosti p sa vypočíta takto: p = m * v = 0,1343 kg * m / s,

Cvičenie 2

Trenie na prednom disku sa považuje za nulu, takže hybnosť je zachovaná, pokiaľ nič nezmení priamu dráhu disku. Je však známe, že na disk pôsobia dve sily: hmotnosť disku a dotyk alebo normálna sila, ktorú naň pôsobí podlaha.

Vypočítajte hodnotu normálnej sily v newtonoch a jej smer.

Riešenie

Pretože je zachovaná hybnosť, musí byť výsledná sila na hokejový puk nulová. Hmotnosť ukazuje zvisle nadol a je platná: P = m * g = 0,16 kg * 9,81 m / s²

Normálna sila musí nevyhnutne pôsobiť proti hmotnosti, takže musí smerovať zvisle nahor a jej veľkosť bude 1,57 N.

Články záujmu

Príklady Newtonovho zákona v reálnom živote.

Referencie

1. Alonso M., Finn E. Fyzika zväzok I: Mechanika. 1970. Fondo Educativo Interamericano SA
2. Hewitt, P. Konceptuálna fyzikálna veda. Piate vydanie. Pearson. 67-74.
3. Young, Hugh. Univerzitná fyzika s modernou fyzikou. 14. vydanie, Pearson. 105-107.