Newton'un 3 Hareket Yasasına Pratik Bir Giriş

Newton'un geliştirdiği her hareket yasası, evrenimizdeki hareketi anlamak için gerekli olan önemli matematiksel ve fiziksel yorumlara sahiptir. Bu hareket yasalarının uygulamaları gerçekten sınırsızdır.

Esasen, Newton yasaları hareketin değişme yollarını, özellikle hareketteki bu değişikliklerin kuvvet ve kütle ile olan ilişkisini tanımlar.

Sör Isaac Newton (1642-1727), birçok bakımdan tüm zamanların en büyük fizikçisi olarak görülebilen bir İngiliz fizikçiydi. Her ne kadar Archimedes, Copernicus ve Galileoçağlar boyunca benimsenecek bilimsel araştırma yöntemini gerçekten örnekleyen Newton'du.

Yaklaşık bir asırdır, Aristoteles'in fiziksel evreni açıklaması hareketin doğasını (ya da isterseniz doğanın hareketini) açıklamakta yetersiz olduğu kanıtlanmıştı. Newton bu sorunu ele aldı ve “Newton'un üç hareket kanunu” olarak adlandırılan nesnelerin hareketi hakkında üç genel kural çıkardı.

1687'de Newton üç kuralı "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica" (Matematiksel) Doğal Felsefenin İlkeleri), genellikle "İlkeler" olarak adlandırılır. Burası da tanıttığı yer onun

• Newton'un Birinci Hareket Yasası, bir nesnenin hareketinin değişmesi için, üzerine bir kuvvet uygulanması gerektiğini belirtir. Bu genellikle atalet olarak adlandırılan bir kavramdır.
• Newton'un İkinci Hareket Yasası ivme, kuvvet ve kütle arasındaki ilişkiyi tanımlar.
• Newton'un Üçüncü Hareket Yasası, bir kuvvet bir nesneden diğerine hareket ettiğinde, orijinal nesneye geri etki eden eşit bir kuvvet olduğunu belirtir. Bu nedenle, bir ipi çekerseniz, ip de sizi geri çeker.

• Serbest cisim diyagramları, farklı kuvvetleri izleyebileceğiniz araçlardır bir nesneye etki etmek ve bu nedenle, nihai ivmeyi belirleyin.
• Vektör matematiği, ilgili kuvvetlerin ve ivmelerin yönlerini ve büyüklüklerini takip etmek için kullanılır.
• Değişken denklemleri kompleks içinde kullanılır fizik sorunları.

Etkilenen güçler tarafından bu durumu değiştirmeye zorlanmadığı sürece, her beden dinlenmeye veya düz bir çizgide düzgün bir şekilde hareket etmeye devam eder.
- Newton'un İlk Hareket Kanunu, "Principia" dan çevrilmiştir

Buna bazen Atalet Kanunu veya sadece atalet denir. Esasen, aşağıdaki iki noktayı belirtir:

• Hareket etmeyen bir nesne bir güç üzerinde hareket eder.
• Hareket halindeki bir nesne, üzerine bir kuvvet gelene kadar hızı değiştirmez (veya durmaz).

İlk nokta çoğu insan için nispeten açık görünüyor, ancak ikincisi biraz düşünebilir. Herkes her şeyin sonsuza kadar hareket etmediğini bilir. Bir masa üzerinde bir hokey topu kaydırırsam yavaşlar ve sonunda durur. Ancak Newton yasalarına göre, bunun nedeni, hokey diskine bir kuvvetin etki etmesi ve elbette, masa ile disk arasında sürtünme kuvveti olmasıdır. Bu sürtünme kuvveti, diskin hareketinin tersi yöndedir. Bu kuvvet, nesnenin durmasına neden olur. Bir hava hokeyi masasında veya buz pistinde olduğu gibi böyle bir kuvvetin yokluğunda (veya sanal yokluğunda), diskin hareketi engellenmez.

Newton'un Birinci Yasasını belirtmenin başka bir yolu:

Net kuvvet olmadan hareket eden bir gövde, sabit bir hızda (sıfır olabilir) ve sıfırda hareket eder hızlanma.

Net bir güç olmadan, nesne yaptıklarını yapmaya devam eder. Kelimeleri not etmek önemlidir net kuvvet. Bu, nesne üzerindeki toplam kuvvetlerin sıfıra eklenmesi gerektiği anlamına gelir. Zemimde oturan bir nesnenin onu aşağı doğru çeken bir çekim kuvveti var, ama aynı zamanda bir normal kuvvet zeminden yukarı doğru iterek net kuvvet sıfırdır. Bu nedenle, hareket etmiyor.

Hokey diski örneğine geri dönmek için, iki kişinin hokey diskine çarptığını düşünün kesinlikle karşı taraf kesinlikle aynı zamanda ve birlikte kesinlikle özdeş kuvvet. Bu nadir durumda, disk hareket etmiyordu.

Hem hız hem de kuvvet Vektör nicelikleri, talimatlar bu süreç için önemlidir. Bir kuvvet (yerçekimi gibi) bir nesne üzerinde aşağı doğru hareket ederse ve yukarı doğru bir kuvvet yoksa, nesne aşağı doğru dikey bir ivme kazanacaktır. Ancak yatay hız değişmeyecektir.

Balkonumdan saniyede 3 metre yatay bir hızda bir top atarsam, yatay bir şekilde yere çarpar. hız yerçekimi dikey yönde bir kuvvet (ve dolayısıyla ivmelenme) uygulamasına rağmen 3 m / s'lik (hava direncinin kuvvetini göz ardı ederek). Yerçekimi olmasaydı, top en azından komşumun evine vurana kadar düz bir çizgide devam ederdi.

Bir cisme etki eden belirli bir kuvvet tarafından üretilen ivme, kuvvetin büyüklüğü ile doğru orantılıdır ve vücudun kütlesi ile ters orantılıdır.
("Principia" dan çevrilmiştir)

İkinci yasanın matematiksel formülasyonu aşağıda gösterilmiştir. F kuvveti temsil eden, m nesnenin kitle ve bir nesnenin ivmesini temsil eder.

∑​ F = ma

Bu formül, belirli bir kütleye etki eden hızlanma ve kuvvet arasında doğrudan çeviri için bir araç sağladığı için klasik mekanikte son derece yararlıdır. Klasik mekaniğin büyük bir kısmı nihayetinde bu formülü farklı bağlamlarda uygulamak için yıkılır.

Kuvvetin solundaki sigma sembolü, bunun net kuvvet veya tüm kuvvetlerin toplamı olduğunu gösterir. Vektör miktarları olarak, net kuvvetin yönü ivme ile aynı yönde olacaktır. Ayrıca denklemi x ve y (ve hatta z), özellikle koordinat sisteminizi doğru bir şekilde yönlendirirseniz, birçok ayrıntılı sorunu daha yönetilebilir hale getirebilir.

Bir cisim üzerindeki net kuvvetler sıfıra ulaştığında, Newton'un Birinci Yasasında tanımlanan durumu elde ettiğimizi göreceksiniz: net ivmenin sıfır olması gerekir. Bunu biliyoruz çünkü tüm nesnelerin kütlesi vardır (en azından klasik mekanikte). Nesne zaten hareket ediyorsa, sabit bir şekilde hareket etmeye devam edecektir. hızancak bu hız net bir kuvvet uygulanana kadar değişmeyecektir. Açıkçası, hareketsiz bir nesne net bir kuvvet olmadan hiç hareket etmeyecektir.

40 kg kütleli bir kutu sürtünmesiz karo zeminde dinlendirilir. Ayağınızla yatay yönde 20 N kuvvet uygularsınız. Kutunun ivmesi nedir?

Nesne hareketsizdir, bu nedenle ayağınızın uyguladığı kuvvet dışında net bir kuvvet yoktur. Sürtünme giderilir. Ayrıca, endişelenmeniz gereken tek bir kuvvet yönü vardır. Yani bu problem çok açık.

Sorunu, koordinat sistemi. Matematik benzer şekilde açıktır:

F = m * bir

F / m = ​bir

20 N / 40 kg = bir = 0,5 m / s2

Bu yasaya dayalı problemler, diğer ikisi verildiğinde üç değerden herhangi birini belirlemek için formülü kullanarak kelimenin tam anlamıyla sonsuzdur. Sistemler daha karmaşık hale geldikçe, sürtünme kuvvetlerini, yerçekimini, elektromanyetik kuvvetlerve aynı temel formüllere uygulanabilen diğer kuvvetler.

Her eyleme her zaman eşit bir tepki vardır; ya da, iki cismin birbirleri üzerindeki karşılıklı hareketleri her zaman eşittir ve karşıt bölümlere yönlendirilir.

("Principia" dan çevrilmiştir)

Üçüncü Yasayı iki organa bakarak temsil ediyoruz, bir ve B, etkileşim halindedir. Biz tanımlarız FA vücuda uygulanan kuvvet olarak bir vücut tarafından B, ve FA vücuda uygulanan kuvvet olarak B vücut tarafından bir. Bu kuvvetler büyüklükte eşit ve tersi yönde olacaktır. Matematiksel olarak şu şekilde ifade edilir:

FB = - FA

veya

FA + FB = 0

Bununla birlikte, net sıfır kuvvetine sahip olmakla aynı şey değildir. Bir masada oturan boş bir ayakkabı kutusuna bir kuvvet uygularsanız, ayakkabı kutusu size eşit bir kuvvet uygular. Bu ilk bakışta doğru gelmiyor - kutuyu itiyorsunuz ve sizi zorlamıyor. Hatırlayın ikinci göre Yasa, kuvvet ve ivme birbiriyle ilişkilidir ancak aynı değildir!

Kütleniz ayakkabı kutusunun kütlesinden çok daha büyük olduğu için, uyguladığınız kuvvet sizden uzaklaşmasına neden olur. Sana uyguladığı kuvvet hiçbir şekilde hızlanmaya neden olmaz.

Sadece bu değil, aynı zamanda parmağınızın ucunu iterken, parmağınız sırayla vücudunuza geri iter ve vücudunuzun geri kalanı vücudunuzun hareket etmesini önleyen ve devam etmek için parmağınızı hareket ettirmenize izin veren sandalye veya zemine (veya her ikisine) iter. güç. Ayakkabı kutusunu hareket ettirmek için geri iten hiçbir şey yok.

Bununla birlikte, ayakkabı kutusu bir duvarın yanında oturuyorsa ve duvara doğru iterseniz, ayakkabı kutusu duvara itecek ve duvar geri itecektir. Ayakkabı kutusu, bu noktada, hareket etmeyi kes. Daha fazla itmeye çalışabilirsiniz, ancak kutu duvardan geçmeden önce kırılacaktır, çünkü bu kadar kuvvet taşıyabilecek kadar güçlü değildir.

Çoğu insan bir noktada savaş çekti. Bir kişi veya bir grup bir ipin ucunu tutar ve genellikle diğer uçtaki kişiye veya gruba karşı çekmeye çalışır. bazı belirteçleri geçmiş (bazen gerçekten eğlenceli versiyonlarda çamur çukuruna), böylece gruplardan birinin daha güçlü olduğunu kanıtlar. diğer. Newton Yasalarının üçü de bir halat savaşında görülebilir.

Her iki taraf da hareket etmediğinde, sık sık bir savaş römorköründe bir nokta gelir. Her iki taraf da aynı kuvvetle çekiyor. Bu nedenle, halat her iki yönde de hızlanmaz. Bu Newton'un Birinci Yasasının klasik bir örneğidir.

Net bir kuvvet uygulandığında, örneğin bir grup diğerinden biraz daha sert çekmeye başladığında, bir ivme başlar. Bu, İkinci Yasayı izler. Daha sonra toprağı kaybeden grup, Daha güç. Net kuvvet kendi yönünde ilerlemeye başladığında, ivme onların yönünde olur. Halatın hareketi durana kadar yavaşlar ve daha yüksek bir net kuvveti muhafaza ederlerse yönlerine doğru geri hareket etmeye başlarlar.

Üçüncü Yasa daha az görünür, ancak hala mevcut. Halatı çektiğinizde, ipin sizi de çektiğini hissedebilirsiniz, sizi diğer uca doğru hareket ettirmeye çalışın. Ayaklarınızı yere sıkıca dikiyorsunuz ve zemin aslında sizi geri itiyor ve ipin çekilmesine direnmenize yardımcı oluyor.

Bir dahaki sefere savaş römorkörü - ya da herhangi bir spor oyunu oynadığınızda veya izlediğinizde, işteki tüm güçleri ve ivmeleri düşünün. En sevdiğiniz spor sırasında yürürlükte olan fiziksel yasaları anlayabileceğinizi anlamak gerçekten etkileyici.