ŅŪTONA PIRMAIS LIKUMS: FORMULAS, EKSPERIMENTI UN VINGRINĀJUMI - FIZISKĀ - 2025

Pirmais likums Newton pirmo reizi tika ierosināts, kas pazīstams arī kā likumu inerces, Isaac Newton, fiziķis, matemātiķis, filozofs, teologs, angļu izgudrotājs un alķīmiķis. Šis likums nosaka: "Ja objekts netiek pakļauts kādam spēkam vai ja spēki, kas uz to iedarbojas, viens otru atceļ, tad tas turpinās kustēties ar nemainīgu ātrumu taisnā līnijā."

Šajā paziņojumā tiks turpināts atslēgvārds. Ja likuma telpas tiek izpildītas, tad objekts turpinās savu kustību, kā tas bija darījis. Ja vien neparādās nesabalansēts spēks un tas nemaina kustības stāvokli.

Ņūtona pirmā likuma skaidrojums. Avots: pašu gatavots.

Tas nozīmē, ka, ja objekts atrodas miera stāvoklī, tas turpinās atpūsties, izņemot gadījumus, kad spēks to izved no šī stāvokļa. Tas arī nozīmē, ka, ja objekts pārvietojas ar fiksētu ātrumu taisnā virzienā, tas turpinās to virzīties. Tas mainīsies tikai tad, kad kāds ārējs aģents tam pieliks spēku un mainīs tā ātrumu.

Likuma priekšvēsture

Īzaks Ņūtons dzimis Vilhelforpes muižā (Lielbritānija) 1643. gada 4. janvārī un miris 1727. gadā Londonā.

Precīzs datums, kad sers Īzaks Ņūtons atklāja savus trīs dinamikas likumus, ieskaitot pirmo likumu, nav droši zināms. Bet ir zināms, ka tas notika ilgi pirms slavenās grāmatas Dabas filozofijas matemātiskie principi publicēšanas, 1687. gada 5. jūlijā.

Spānijas Karaliskās akadēmijas vārdnīca vārdu inerci definē šādi:

"Ķermeņa īpašums, lai saglabātu savu atpūtas vai pārvietošanās stāvokli, ja tas nav izdarīts ar spēka palīdzību."

Šis termins tiek izmantots arī, lai apstiprinātu, ka jebkura situācija paliek nemainīga, jo nav veikti centieni, lai to sasniegtu, tāpēc dažreiz vārdam inerce ir rutīnas konotācija vai slinkums.

Skats pirms Ņūtona

Pirms Ņūtona galvenās idejas bija lielā grieķu filozofa Aristoteļa idejām, kas apgalvoja, ka, lai objekts varētu turpināt kustību, tam jādarbojas spēkam. Kad spēks izbeidzas, tad arī kustība. Ne tā, bet pat šodien daudzi tā domā.

Galileo Galilei, izcils itāļu astronoms un fiziķis, kurš dzīvoja no 1564. līdz 1642. gadam, eksperimentēja un analizēja ķermeņu kustību.

Viens no Galileo novērojumiem bija tāds, ka ķermenim, kurš slīd uz gludas un pulētas virsmas ar noteiktu sākotnējo impulsu, nepieciešams ilgāks laiks, lai apstātos, un tam ir ilgāks ceļš taisnā līnijā, jo berze starp ķermeni un virsmu ir mazāka.

Ir acīmredzams, ka Galileo rīkojās ar inerces ideju, taču viņš nedomāja formulēt tik precīzu paziņojumu kā Ņūtons.

Zemāk mēs piedāvājam dažus vienkāršus eksperimentus, kurus lasītājs var veikt un apstiprināt rezultātus. Novērojumi tiks analizēti arī pēc aristoteliešu kustības un Ņūtona skata.

Inerces eksperimenti

1. eksperiments

Kārba tiek virzīta uz grīdas, un tad piedziņas spēks tiek apturēts. Mēs novērojam, ka kaste ved īsu ceļu, līdz tā apstājas.

Interpretēsim iepriekšējo eksperimentu un tā rezultātu teoriju ietvaros pirms Ņūtona un pēc tam saskaņā ar pirmo likumu.

Aristoteles redzējumā skaidrojums bija ļoti skaidrs: kaste apstājās, jo spēks, kas to pārvietoja, tika apturēts.

Ņūtona skatījumā kārba uz grīdas / zemes nevar turpināt kustību ar ātrumu, kāds tai bija brīdī, kad spēks tika apturēts, jo starp grīdu un kasti ir nesabalansēts spēks, kura dēļ ātrums samazinās līdz kaste apstājas. Tas ir berzes spēks.

Šajā eksperimentā Ņūtona pirmā likuma telpas nav izpildītas, tāpēc lodziņš apstājās.

2. eksperiments

Atkal tā ir kaste uz grīdas / zemes. Šajā izdevībā tiek uzturēts spēks uz kastes tādā veidā, lai tas kompensētu vai līdzsvarotu berzes spēku. Tas notiek, kad mēs iegūstam lodziņu, lai tas sekotu ar nemainīgu ātrumu un taisnā virzienā.

Šis eksperiments nav pretrunā aristoteliešu kustības uzskatiem: kaste pārvietojas ar nemainīgu ātrumu, jo uz to tiek pielikts spēks.

Tas arī nav pretrunā ar Ņūtona pieeju, jo visi spēki, kas darbojas uz kastes, ir līdzsvaroti. Paskatīsimies:

• Horizontālā virzienā spēks, kas iedarbojas uz kārbu, ir vienāds un ir pretējā virzienā berzes spēkam starp kārbu un grīdu.
• Tātad tīrais spēks horizontālā virzienā ir nulle, tieši tāpēc kārba saglabā savu ātrumu un virzienu.

Arī vertikālā virzienā spēki ir līdzsvaroti, jo kastes svaru, kas ir spēks, kas vērsts vertikāli uz leju, precīzi kompensē kontakta (vai parasts) spēks, ko zeme pieliek kastei vertikāli uz augšu.

Starp citu, kastes svars ir saistīts ar Zemes gravitācijas vilkmi.

3. eksperiments

Mēs turpinām ar lodziņu, kas atpūšas uz grīdas. Vertikālā virzienā spēki ir līdzsvaroti, tas ir, tīrais vertikālais spēks ir nulle. Tas noteikti būtu ļoti pārsteidzoši, ja kaste pārvietotos uz augšu. Bet horizontālā virzienā ir berzes spēks.

Tagad, lai tiktu izpildīts Ņūtona pirmā likuma priekšnoteikums, mums jāsamazina berze līdz tā minimālajai izpausmei. To var sasniegt diezgan aptuveni, ja mēs meklējam ļoti gludu virsmu, uz kuras mēs izsmidzinātu silikona eļļu.

Tā kā silikona eļļa samazina berzi līdz gandrīz nullei, tāpēc, kad šī kaste tiek izmesta horizontāli, tā ilgu laiku saglabās ātrumu un virzienu.

Tā ir tā pati parādība, kas notiek ar slidotāju uz ledus laukuma vai ar hokeja ripu, kad viņus dzen uz priekšu un atlaida pēc pašu vēlēšanās.

Aprakstītajās situācijās, kad berze tiek samazināta gandrīz līdz nullei, izrietošais spēks ir praktiski nulle un objekts saglabā savu ātrumu saskaņā ar Ņūtona pirmo likumu.

Aristotelian uzskata, ka tas nevarētu notikt, jo saskaņā ar šo naivo teoriju kustība notiek tikai tad, ja kustīgajam objektam ir tīkla spēks.

Sasalušo virsmu var uzskatīt par ļoti mazu berzi. Avots: Pixabay.

Ņūtona pirmā likuma skaidrojums

Inerce un masa

Masa ir fizikāls lielums, kas norāda vielas daudzumu, ko satur ķermenis vai priekšmets.

Tad masa ir matērijas būtisks īpašums. Bet matēriju veido atomi, kuriem ir masa. Atoma masa ir koncentrēta kodolā. Tieši protoni un neitroni kodolā praktiski nosaka atoma un matērijas masu.

Masu parasti mēra kilogramos (kg), tā ir Starptautiskās mērvienību sistēmas (SI) pamatvienība.

Kg prototips vai atsauce ir platīna un irīdija cilindrs, kas tiek turēts Starptautiskajā svaru un mēru birojā Sēvresā Francijā, lai gan 2018. gadā tas bija saistīts ar Planka konstantu, un jaunā definīcija stājas spēkā ar 2019. gada 20. maijs.

Nu notiek tā, ka inerce un masa ir saistītas. Jo lielāka masa, jo lielāka objekta inerce. Enerģijas ziņā ir daudz grūtāk vai dārgāk mainīt masīvāka objekta kustības stāvokli nekā mazāk masīva objekta.

Piemērs

Piemēram, vienas tonnas (1000 kg) kastes pacelšanai no atpūtas ir nepieciešams daudz vairāk spēka un daudz vairāk darba, nekā viena kilograma (1 kg) kaste. Tāpēc bieži tiek teikts, ka pirmajam ir vairāk inerces nekā otrajam.

Sakarā ar saistību starp inerci un masu, Ņūtons saprata, ka ātrums vien neatspoguļo kustības stāvokli. Tāpēc viņš definēja lielumu, kas pazīstams kā impulss vai impulss, ko apzīmē ar burtu p un ir masas m un ātruma v reizinājums :

p = m v

Treknrakstā p un v norāda, ka tie ir vektora fizikālie lielumi, tas ir, tie ir lielumi ar lielumu, virzienu un jēgu.

No otras puses, masa m ir skalārs lielums, kuram tiek piešķirts skaitlis, kurš var būt lielāks vai vienāds ar nulli, bet nekad nav negatīvs. Pagaidām zināmajā Visumā nav atrasts neviens negatīvas masas objekts.

Ņūtons aizņēma savu iztēli un abstrakciju līdz galējībai, definējot tā saukto brīvo daļiņu. Daļiņa ir materiāls punkts. Tas ir, tas ir kā matemātisks punkts, bet ar masu:

Brīva daļiņa ir tā daļiņa, kas ir tik izolēta, tik tālu no cita objekta Visumā, ka nekas tam nevar radīt nekādu mijiedarbību vai spēku.

Vēlāk Ņūtons turpināja definēt inerciālās atskaites sistēmas, kas būs tās, uz kurām attiecas viņa trīs kustības likumi. Šeit ir definīcijas atbilstoši šiem jēdzieniem:

Inerciālā atskaites sistēma

Jebkura koordinātu sistēma, kas pievienota brīvai daļiņai vai kas pārvietojas nemainīgā ātrumā attiecībā pret brīvo daļiņu, būs inerciāla atskaites sistēma.

Ņūtona pirmais likums (inerces likums)

Ja daļiņa ir brīva, tad tai ir nemainīgs impulss attiecībā pret inerciālo atskaites rāmi.

Ņūtona pirmais likums un impulss. Avots: pašu gatavots.

Atrisināti vingrinājumi

1. vingrinājums

160 gramu hokeja ripa iet uz ledus laukumu ar ātrumu 3 km / h. Atrodiet tā impulsu.

Risinājums

Diska masa kilogramos ir: m = 0,160 kg.

Ātrums metros sekundē: v = (3 / 3,6) m / s = 0,8333 m / s

Kustības vai impulsa lielumu p aprēķina šādi: p = m * v = 0,1333 kg * m / s,

2. vingrinājums

Berze priekšējā diskā tiek uzskatīta par nulli, tāpēc impulss tiek saglabāts tik ilgi, kamēr nekas nemaina diska taisno gaitu. Tomēr ir zināms, ka uz disku iedarbojas divi spēki: diska svars un kontakta vai normālais spēks, ko grīda tam uzliek.

Aprēķiniet normāla spēka vērtību ņūtonos un tā virzienu.

Risinājums

Tā kā impulss tiek saglabāts, rezultātam, kas rodas uz hokeja ripu, jābūt nullei. Svars norāda vertikāli uz leju un ir derīgs: P = m * g = 0,16 kg * 9,81 m / s²

Parastajam spēkam obligāti jābūt neitralizētam svaram, tāpēc tam jābūt vērstam vertikāli uz augšu un tā lielums būs 1,57 N.

Interesanti raksti

Ņūtona likuma piemēri reālajā dzīvē.

Atsauces

1. Alonso M., Finn E. Fizikas I sējums: Mehānika. 1970. Fondo Educativo Interamericano SA
2. Hewitt, P. Konceptuālā fiziskā zinātne. Piektais izdevums. Pīrsons. 67-74.
3. Jauns, Hjū. Universitātes fizika ar moderno fiziku. 14. ed. Pīrsons. 105-107.