Pirmasis „Newton“ įstatymas: paaiškinimas ir formulės, eksperimentai ir pratimai

Pirmąjį Niutono įstatymą, dar vadinamą inercijos teise, pirmą kartą pasiūlė Izaokas Niutonas, fizikas, matematikas, filosofas, teologas, išradėjas ir anglų alchemikas. Įstatyme nustatyta: „ Jei objektas nėra paveiktas jokia jėga, arba jei joje veikiančios jėgos viena kitai panaikina, tada ji toliau judės pastoviu greičiu tiesia linija.“

Šiame pareiškime raktinis žodis tęsiamas. Jei įstatymo patalpos bus įvykdytos, objektas tęs savo judėjimą taip, kaip buvo. Jei neatsiranda nesubalansuota jėga ir pasikeičia judėjimo būsena.

Tai reiškia, kad jei objektas yra ramioje vietoje, jis tęsis ramybėje, nebent jėga ją ištrauktų iš tos valstybės. Tai taip pat reiškia, kad jei objektas judės su fiksuotu greičiu tiesia kryptimi, jis ir toliau judės. Jis pasikeis tik tada, kai išorės agentas joje veiks ir keičia jo greitį.

Įstatymo pagrindas

Isaac Newton gimė 1643 m. Sausio 4 d. Woolsthorpe Manor (Jungtinė Karalystė) ir mirė 1727 m. Londone.

Tiksli data, kada Sir Isaac Newton atrado savo tris dinamikos įstatymus, įskaitant pirmąjį įstatymą, nėra žinoma. Tačiau žinoma, kad 1687 m. Liepos 5 d. Jau seniai buvo paskelbta garsiąją knygą „Gamtos filosofijos matematiniai principai“ .

Ispanijos karališkosios akademijos žodynas apibrėžia žodį „inercija“:

„ Įstaigų nuosavybė išlaikyti savo poilsio ar judėjimo būklę, jei tai nėra jėgos veiksmas “.

Šis terminas taip pat naudojamas patvirtinti, kad bet kokia situacija išlieka nepakitusi, nes nebuvo stengiamasi tai pasiekti, todėl kartais žodis inercija turi rutinos ar tinginumo reikšmę.

Prieš Newtono viziją

Prieš Niuttoną vyraujančios idėjos buvo didžiojo graikų filosofo Aristotelio, kuris teigė, kad norint, kad objektas būtų judamas, būtina, kad joje veiktų jėga. Kai jėga nustoja galioti, tai bus ir judėjimas. Ne taip, bet net šiandien daugelis mano taip.

„Galileo Galilei“, puikus astronomas ir italų fizikas, gyvenęs tarp 1564–1642 m., Eksperimentavo ir analizavo įstaigų judėjimą.

Vienas iš „Galileo“ pastabų buvo tas, kad kūnas, slankantis ant lygaus ir poliruoto paviršiaus, turinčiu tam tikrą pradinį impulsą, trunka ilgiau, kad sustotų ir judėtų tiesiau, nes trintis tarp kūno ir paviršiaus yra mažesnė.

Akivaizdu, kad „Galileo“ tvarkė inercijos idėją, tačiau nepateikė tokio tikslaus pareiškimo kaip Newton.

Toliau siūlome keletą paprastų eksperimentų, kuriuos skaitytojas gali atlikti ir patvirtinti. Stebėjimai taip pat bus analizuojami pagal Aristotelio judėjimo viziją ir Niutono viziją.

Eksperimentai apie inerciją

1 eksperimentas

Ant grindų stumiama dėžutė, o tada varomoji jėga sustabdoma. Atkreipiame dėmesį, kad dėžutė važiuoja per trumpą atstumą, kol sustos.

Interpretuokite ankstesnį eksperimentą ir jo rezultatą, remiantis teorijomis prieš Newtoną ir tada pagal pirmąjį įstatymą.

Aristotelio vizijoje paaiškinimas buvo labai aiškus: langelis sustojo, nes jėga, kuri ją perkelė, buvo sustabdyta.

Niutono nuomone, dėžutė ant grindų negali toliau judėti tuo greičiu, koks buvo tuo metu, kai jėga buvo sustabdyta, nes tarp grindų ir dėžutės yra nesubalansuota jėga, dėl kurios greitis sumažėja iki langelis sustoja. Tai apie trinties jėgą.

Šiame eksperimente nesilaikoma pirmojo Niutono įstatymo patalpos, todėl langelis sustojo.

2 eksperimentas

Vėlgi tai yra apie dėžutę ant grindų / grindų. Šia galimybe jėga išlaikoma ant dėžės taip, kad būtų kompensuota arba subalansuota trinties jėga. Taip atsitinka, kai pasiekiame, kad dėžė tęstų pastoviu greičiu ir tiesia kryptimi.

Šis eksperimentas neprieštarauja aristotelio judėjimo vizijai: dėžutė juda pastoviu greičiu, nes joje veikia jėga.

Ji taip pat neprieštarauja Niutono požiūriui, nes visos dėžės veikiančios jėgos yra subalansuotos. Pažiūrėkime:

Horizontaliosios krypties atžvilgiu dėžutei veikianti jėga yra lygi ir priešinga kryptimi tarp trinties tarp dėžutės ir grindų.
Tada grynoji jėga horizontalia kryptimi yra lygi nuliui, todėl dėžutė palaiko greitį ir kryptį.

Taip pat vertikalia kryptimi jėgos yra subalansuotos, nes dėžutės svoris, kuris yra vertikaliai žemyn nukreipta jėga, yra tiksliai kompensuojamas kontaktine jėga (arba normalia), kurią grindys daro ant dėžės vertikaliai aukštyn.

Beje, dėžutės svoris yra dėl Žemės gravitacijos traukos.

3 eksperimentas

Mes tęsiame dėžę, kuri yra ant grindų. Vertikalia kryptimi jėgos yra subalansuotos, ty grynoji vertikali jėga yra lygi nuliui. Tai tikrai būtų labai stebina, kad langelis pakilo. Tačiau horizontalia kryptimi yra trinties jėga.

Dabar, norint, kad būtų įvykdytas pirmasis Niutono įstatymo prielaida, turime mažinti trintį iki minimumo. Tai galime pasiekti gana apytiksliai, jei ieškome labai sklandaus paviršiaus, į kurį purškiame silikoninę alyvą.

Kadangi silikoninė alyva sumažina trintį beveik iki nulio, tada, kai ši dėžutė atleidžiama horizontaliai, ji išlaikys savo greitį ir kryptį ilgam ruožui.

Tai tas pats reiškinys, kuris atsitinka su čiuožykla ant ledo čiuožyklos, arba su ledo ritulio ritė, kai jie važiuoja ir paleidžiami savarankiškai.

Aprašytose situacijose, kai trintis sumažinama beveik iki nulio, gauta jėga praktiškai yra nulinė ir objektas išlaiko savo greitį pagal pirmąjį Niutono įstatymą.

Aristotelio požiūriu tai neįvyko, nes pagal šią naivią teoriją judėjimas vyksta tik tada, kai judančiam objektui yra grynoji jėga.

„Newton“ pirmojo įstatymo paaiškinimas

Inercija ir masė

Masė yra fizinis kiekis, nurodantis medžiagos kiekį, kuriame yra kūnas arba objektas.

Tada masė yra esminė materijos savybė. Bet dalykas susideda iš atomų, kurie turi masę. Atomo masė koncentruota branduolyje. Atomo ir materijos masę praktiškai apibrėžia branduolio protonai ir neutronai.

Paprastai masė matuojama kilogramais (kg), tai yra pagrindinė tarptautinių vienetų sistemos (SI) vienetas.

Kilogramo prototipas arba nuoroda yra platinos ir iridžio cilindras, laikomas Tarptautiniame svorių ir matų biure Sèvre Prancūzijoje, nors 2018 m. Jis buvo susietas su pastoviu Planck ir naujasis apibrėžimas įsigalioja nuo 2019 m. Gegužės 20 d

Na, tai atsitinka, kad inercija ir masė yra susiję. Kuo didesnė masė, tuo didesnis inercijos objektas. Energetikos požiūriu daug sunkiau ar brangiau keisti masinio objekto judėjimo būseną nei mažiau masyvi.

Pavyzdys

Pavyzdžiui, reikalinga daug daugiau jėgų ir dar daugiau darbo, kad būtų galima gauti vieną toną (1000 kg) iš likusio nei vieno kilogramo (1 kg) dėžutę. Štai kodėl dažnai sakoma, kad pirmasis turi daugiau inercijos nei antrasis.

Dėl inercijos ir masės santykio Niutonas suprato, kad vien tik greitis neatstovauja judėjimo būklei. Štai kodėl jis apibrėžė kiekį, žinomą kaip impulsas arba impulsas, kuris žymimas raide p ir yra masės m, kuris yra greičio v :

p = m v

P ir dr. Raidės paryškintos raidės rodo, kad jos yra fiziniai vektoriniai kiekiai, ty jie yra kiekiai, kurių dydis, kryptis ir prasmė.

Vietoj to masė m yra skaliarinis kiekis, kuriam priskiriamas skaičius, kuris gali būti didesnis arba lygus nuliui, bet niekada neigiamas. Iki šiol žinomoje visatoje nerasta jokio neigiamos masės objekto.

Niutonas paėmė savo vaizduotę ir abstrakciją, apibrėždamas vadinamąją laisvą dalelę . Dalelė yra esminis taškas. Tai yra matematinis taškas, bet masė:

Laisva dalelė yra ta dalelė, kuri yra taip izoliuota, toli nuo kito visatos objekto, kad niekas negali daryti jokios sąveikos ar jėgos.

Vėliau Newtonas apibrėžė inercines atskaitos sistemas, kurios bus tos, kuriose taikomi trys jo judėjimo įstatymai. Čia pateikiamos šių sąvokų apibrėžtys:

Etaloninė inercinė sistema

Bet kuri koordinačių sistema, susieta su laisva dalelė, arba kuri juda pastoviu greičiu laisvos dalelės atžvilgiu, bus inercinė atskaitos sistema.

Niutono pirmasis įstatymas (inercijos teisė)

Jei dalelė yra laisva, ji turi pastovų judėjimo kiekį inercinės atskaitos sistemos atžvilgiu.

Išspręstos pratybos

1 pratimas

Ledo ritulys, sveriantis 160 km, eina ledo čiuožykloje 3 km / h greičiu. Raskite savo judėjimo sumą.

Sprendimas

Disko masė kilogramais yra: m = 0.160 kg.

Greitis metrais per sekundę: v = (3 / 3, 6) m / s = 0, 8333 m / s

Akimirkas arba momentas p apskaičiuojamas taip: p = m * v = 0.1333 kg * m / s,

2 pratimas

Antrinio disko trintis laikoma negaliojančia, todėl momentas yra išsaugomas, o niekas nekeičia tiesaus disko eigos. Tačiau yra žinoma, kad disko jėgos veikia dvi jėgas: disko svoris ir sąlyčio jėga arba normalus, kurį grindys daro ant disko.

Apskaičiuokite normalios jėgos vertę newtons ir jo kryptį.