NEWTONS FØRSTE LOV: FORMLER, EKSPERIMENTER OG ØVELSER - FYSISK - 2026

Den første loven fra Newton , også kjent som treghetsloven, ble først foreslått av Isaac Newton, fysiker, matematiker, filosof, teolog, engelsk oppfinner og alkymist. Denne loven sier følgende: "Hvis en gjenstand ikke blir utsatt for noen styrke, eller hvis kreftene som virker på den avbryter hverandre, vil den fortsette å bevege seg med konstant hastighet i en rett linje."

I denne uttalelsen vil nøkkelordet fortsette. Hvis lovens premisser blir oppfylt, vil gjenstanden fortsette med bevegelsen som den hadde. Med mindre en ubalansert styrke dukker opp og endrer bevegelsestilstanden.

Forklaring av Newtons første lov. Kilde: self made.

Dette betyr at hvis gjenstanden er i ro, vil den fortsette å hvile, bortsett fra hvis en styrke tar den ut av den tilstanden. Det betyr også at hvis en gjenstand beveger seg med en fast hastighet i en rett retning, vil den fortsette å bevege seg på den måten. Det vil bare endre seg når noen eksterne agenter utøver en kraft på den og endrer hastigheten.

Lovens bakgrunn

Isaac Newton ble født i Woolsthorpe Manor (Storbritannia) 4. januar 1643 og døde i London i 1727.

Den nøyaktige datoen da Sir Isaac Newton oppdaget sine tre dynamikklover, inkludert den første loven, er ikke kjent med sikkerhet. Men det er kjent at det var lenge før utgivelsen av den berømte boken Mathematical Principles of Natural Philosophy, 5. juli 1687.

Ordboken til Royal Spanish Academy definerer ordet treghet som følger:

"Kroppers eiendommer for å opprettholde deres tilstand av hvile eller bevegelse, hvis ikke ved handling av en styrke."

Dette begrepet brukes også for å bekrefte at enhver situasjon forblir uendret fordi det ikke er gjort noen anstrengelser for å oppnå det, derfor har ordet treghet noen ganger en konnotasjon av rutine eller latskap.

Den før-Newtonianske utsikten

Før Newton var de overveiende ideene ideene til den store greske filosofen Aristoteles, som bekreftet at for en gjenstand å holde i bevegelse, må en styrke handle på den. Når styrken opphører, vil også bevegelsen gjøre det. Ikke slik, men selv i dag tror mange det.

Galileo Galilei, en strålende italiensk astronom og fysiker som levde mellom 1564 og 1642, eksperimenterte og analyserte kroppens bevegelse.

En av Galileos observasjoner var at et legeme som glir på en glatt og polert overflate med en viss innledende impuls, tar lengre tid å stoppe og har mer bevegelse i en rett linje, ettersom friksjonen mellom kroppen og overflaten er mindre.

Det er tydelig at Galileo håndterte treghetsidéen, men han kom ikke til å formulere en uttalelse så presis som Newton.

Nedenfor foreslår vi noen enkle eksperimenter, som leseren kan utføre og bekrefte resultatene. Observasjoner vil også bli analysert i henhold til det aristoteliske bevegelsessynet og det newtonske synet.

Treghetseksperimenter

Eksperiment 1

En kasse blir fremdrevet på gulvet og deretter blir drivkraften suspendert. Vi observerer at esken kjører en kort sti til den stopper.

La oss tolke det forrige eksperimentet og dets resultat, innenfor rammen av teoriene før Newton og deretter i henhold til den første loven.

I det Aristoteliske synet var forklaringen veldig tydelig: boksen stoppet fordi styrken som flyttet den ble suspendert.

I Newtonian-visningen kan ikke boksen på gulvet / bakken fortsette å bevege seg med den hastigheten den hadde i det øyeblikket styrken ble hengt opp, fordi mellom gulvet og kassen er det en ubalansert kraft, som får hastigheten til å avta til boksen stopper. Det er friksjonskraften.

I dette eksperimentet blir premissene for Newtons første lov ikke oppfylt, så boksen stoppet opp.

Eksperiment 2

Igjen er det kassen på gulvet / bakken. I denne muligheten opprettholdes kraften på kassen på en slik måte at den kompenserer eller balanserer friksjonskraften. Dette skjer når vi får ruta til å følge med konstant fart og i en rett retning.

Dette eksperimentet motsier ikke det aristoteliske synet på bevegelse: boksen beveger seg med konstant hastighet fordi en kraft utøves på den.

Det motsier heller ikke Newtons tilnærming, fordi alle kreftene som virker på boksen er balanserte. La oss se:

• I horisontal retning er kraften som utøves på kassen lik og i motsatt retning av friksjonskraften mellom kassen og gulvet.
• Så nettokraften i horisontal retning er null, det er grunnen til at boksen opprettholder sin hastighet og retning.

Også i vertikal retning er kreftene balansert, fordi vekten på boksen som er en kraft som peker loddrett ned nøyaktig kompenseres av kontakten (eller normal) kraften som bakken utøver på kassen vertikalt oppover.

Forresten skyldes vekten på boksen jordens gravitasjonstrekk.

Eksperiment 3

Vi fortsetter med boksen som hviler på gulvet. I vertikal retning er kreftene balansert, det vil si at den vertikale nettokraften er null. Det ville absolutt være veldig overraskende om boksen beveget seg oppover. Men i horisontal retning er det friksjonskraft.

For at forutsetningen om Newtons første lov skal oppfylles, må vi redusere friksjonen til dens minste uttrykk. Dette kan oppnås ganske grovt hvis vi ser etter en veldig glatt overflate som vi sprayer silikonolje til.

Siden silikonolje reduserer friksjonen til nesten null, så når denne boksen kastes horisontalt, vil den opprettholde hastigheten og retningen i lang tid.

Det er det samme fenomenet som oppstår med en skøyteløper på en skøytebane, eller med ishockeypucken når de blir fremdrevet og løslatt på egenhånd.

I de beskrevne situasjonene, der friksjonen reduseres nesten til null, er den resulterende kraften praktisk talt null og objektet opprettholder sin hastighet, i henhold til Newtons første lov.

I Aristoteles syn kan dette ikke skje, for i følge denne naive teorien oppstår bevegelse bare når det er en nettokraft på det bevegelige objektet.

Den frosne overflaten kan betraktes som svært lav friksjon. Kilde: Pixabay.

Newtons første lovforklaring

Treghet og masse

Masse er en fysisk mengde som indikerer mengden materie som en kropp eller gjenstand inneholder.

Masse er da en egenskap av materie. Men materie består av atomer som har masse. Atomenes masse er konsentrert i kjernen. Det er protonene og nøytronene i kjernen som praktisk talt definerer massen til atomet og materien.

Masse måles vanligvis i kilogram (kg), den er basisenheten til International System of Units (SI).

Prototypen eller referansen til kg er en platina- og iridiumsylinder som oppbevares i International Office of Weights and Measures i Sèvres i Frankrike, selv om den i 2018 ble koblet til Planck-konstanten og den nye definisjonen trer i kraft pr. 20. mai 2019.

Vel, det hender at treghet og masse er relatert. Jo større masse, jo større treghet har et objekt. Det er mye vanskeligere eller dyrere med tanke på energi å endre bevegelsestilstanden til en mer massiv gjenstand enn en mindre massiv.

Eksempel

For eksempel krever det mye mer kraft og mye mer arbeid å løfte en 1 tonn (1000 kg) kasse fra hvile enn en kilo på 1 kg (1 kg). Derfor sies det ofte at den første har mer treghet enn den andre.

På grunn av forholdet mellom treghet og masse, innså Newton at hastighet alene ikke er representativ for bevegelsestilstanden. Derfor definerte han en mengde kjent som momentum eller momentum som er betegnet med bokstaven p og er produktet av massen m og hastigheten v :

p = m v

Det fet skrift i p og v indikerer at de er vektorfysiske mengder, det vil si at de er mengder med størrelse, retning og sans.

På den annen side er massen m en skalær mengde, som tildeles et tall som kan være større enn eller lik null, men aldri negativ. Så langt er det ikke funnet noe objekt med negativ masse i det kjente universet.

Newton tok sin fantasi og abstraksjon til det ekstreme, og definerte den såkalte frie partikkelen. En partikkel er et materielt poeng. Det vil si at det er som et matematisk punkt, men med masse:

En fri partikkel er den partikkelen som er så isolert, så langt fra en annen gjenstand i universet at ingenting kan utøve noen interaksjon eller kraft på den.

Senere fortsatte Newton med å definere treghetsreferansesystemene, som vil være de der hans tre bevegelseslover gjelder. Her er definisjonene i henhold til disse begrepene:

Treghetsreferansesystem

Ethvert koordinatsystem festet til en fri partikkel, eller som beveger seg med konstant hastighet i forhold til den frie partikkel, vil være et treghetsreferansesystem.

Newtons første lov (treghetslov)

Hvis en partikkel er fri, har den et konstant momentum med hensyn til en treghetsreferanseramme.

Newtons første lov og fart. Kilde: self made.

Løste øvelser

Oppgave 1

En hockeypuck på 160 gram går på skøytebanen i 3 km / t. Finn fremdriften.

Løsning

Massen på disken i kilogram er: m = 0,160 kg.

Hastighet i meter over sekundet: v = (3 / 3,6) m / s = 0,8333 m / s

Bevegelsesmengden eller momentum p beregnes som følger: p = m * v = 0,1333 kg * m / s,

Oppgave 2

Friksjonen i den fremre platen regnes som null, så momentum bevares så lenge ingenting endrer skiveens rette kurs. Det er imidlertid kjent at to krefter virker på platen: vekten på platen og kontakten eller normalkraften som gulvet utøver på den.

Beregn verdien av normalkraften i newton og dens retning.

Løsning

Siden momentum er bevart, må den resulterende kraften på hockeypucken være null. Vekten peker loddrett nedover og er gyldig: P = m * g = 0,16 kg * 9,81 m / s²

Normalkraften må nødvendigvis motvirke vekten, så den må peke vertikalt oppover og dens styrke vil være 1,57 N.

Artikler av interesse

Eksempler på Newtons lov i det virkelige liv.

referanser

1. Alonso M., Finn E. Fysikkvolum I: Mekanikk. 1970. Fondo Educativo Interamericano SA
2. Hewitt, P. Conceptual Physical Science. Femte utgave. Pearson. 67-74.
3. Ung, Hugh. Universitetsfysikk med moderne fysikk. 14. ed. Pearson. 105-107.