ЊУТНОВ ПРВИ ЗАКОН: ФОРМУЛЕ, ЕКСПЕРИМЕНТИ И ВЕЖБЕ - ФИЗИЧКИ - 2025

Први закон Њутна , такође познат као закон инерције, први пут предложио Исак Њутн, физичар, математичар, филозоф, теолог, енглески проналазач и алхемисте. Овај закон каже следеће: „Ако предмет не буде подвргнут било којој сили или ако се силе које делују на њега откажу једна другу, онда ће се наставити кретати сталном брзином у правој линији.“

У овој изјави кључна реч ће се наставити. Ако су просторије закона испуњене, предмет ће наставити са својим кретањем као што је имао. Осим ако се не појави неуравнотежена сила и не промени стање кретања.

Објашњење Невтоновог првог закона. Извор: селф маде.

То значи да ако је објект у мировању и даље ће мировати, осим ако га сила извуче из тог стања. То такође значи да ако се предмет креће фиксном брзином у правом смеру и даље ће се кретати тим путем. Она ће се променити само када неки спољни агент изврши силу на њу и промени своју брзину.

Позадина закона

Исаац Невтон рођен је у дворцу Воолстхорпе (Велика Британија) 4. јануара 1643. године, а умро у Лондону 1727. године.

Тачан датум када је сир Исаац Невтон открио своја три закона динамике, укључујући и први закон, не зна се са сигурношћу. Али познато је да је било много пре објављивања чувене књиге Математички принципи природне филозофије, 5. јула 1687. године.

Речник Краљевске шпанске академије дефинише инерцију речи на следећи начин:

"Својство тела да одржавају своје стање мировања или кретања, ако не дејством силе."

Овај термин се такође користи да потврди да било која ситуација остаје непромењена јер се не улажу напори да се то постигне, па понекад реч инерција има конотацију рутине или лењости.

Пред-Невтонов поглед

Пре Невтона, превладавајуће идеје биле су идеје великог грчког филозофа Аристотела, који је тврдио да за неки предмет који треба држати у покрету мора на њега деловати сила. Кад сила престане, тада ће се кретати и кретање. Није тако, али и данас многи тако мисле.

Галилео Галилеи, сјајни италијански астроном и физичар који је живео између 1564. и 1642. године, експериментирао је и анализирао кретање тела.

Једно од Галилеових запажања било је да тело које клизи по глаткој и полираној површини са одређеним почетним импулсом, треба дуже да се заустави и има више путовања у правој линији, јер је трење између тела и површине мање.

Очигледно је да је Галилео носио идеју инерције, али није дошао да формулише изјаву тако прецизно као Невтон.

У наставку предлажемо неколико једноставних експеримената, помоћу којих читалац може да изведе и потврди резултате. Проматрања ће се такође анализирати према Аристотеловом погледу кретања и Невтоновом погледу.

Експерименти са инерцијом

Експеримент 1

Кутија се избацује на под и тада је погонска сила суспендирана. Примећујемо да кутија путује кратком стазом док се не заустави.

Протумачимо претходни експеримент и његов резултат, у оквиру теорија пре Њутана, а затим према првом закону.

У Аристотеловој визији објашњење је било врло јасно: кутија се зауставила јер је сила која ју је покренула суспендирана.

У Невтоновом приказу, кутија на поду / тлу не може се наставити кретати брзином коју је имала у тренутку кад је сила суспендирана, јер између пода и кутије постоји неуравнотежена сила, због чега се брзина смањује све док кутија се зауставља. То је сила трења.

У овом експерименту, претпоставке првог закона о Њутону нису испуњене, па је кутија стала.

Експеримент 2

Опет је то кутија на поду / земљи. У овој прилици сила на кутији се одржава тако да надокнађује или уравнотежује силу трења. То се догађа када добијемо кутију да пратимо константном брзином и у правом смеру.

Овај експеримент није у супротности с аристотеловским погледом на кретање: кутија се креће константном брзином јер се на њу врши сила.

То такође није у супротности са Њутоновим приступом, јер су све снаге које делују на оквир уравнотежене. Хајде да видимо:

• У хоризонталном правцу сила која делује на кутију једнака је и у супротном смеру од силе трења између кутије и пода.
• Дакле, нето сила у хоризонталном правцу је нула, зато кутија одржава своју брзину и смер.

Такође у вертикалном смеру снаге су избалансиране, јер се тежина кутије која је сила усмерена вертикално надоле тачно компензује контактном (или нормалном) силом коју тло врши на кутију вертикално нагоре.

Узгред, тежина кутије је последица гравитационог повлачења Земље.

Експеримент 3

Настављамо с кутијом која лежи на поду. У вертикалном правцу снаге су уравнотежене, односно нето вертикална сила је једнака нули. Било би сигурно врло изненађујуће ако се кутија помакне према горе. Али у хоризонталном правцу постоји сила трења.

Да бисмо испунили претпоставку да је први закон Њутана испуњен, морамо трење свести на његово минимално изражавање. То се може постићи отприлике ако тражимо веома глатку површину на коју прскамо силиконско уље.

С обзиром да силиконско уље смањује трење на готово нулу, тако да када ову кутију баците хоризонтално, дуго ће задржавати своју брзину и смер.

То је исти феномен који се јавља код клизача на клизалишту или пак са палицом за хокеј на леду када се они покрећу и пуштају самостално.

У описаним ситуацијама, у којима је трење смањено скоро на нулу, резултирајућа сила је практично нула и објект одржава своју брзину, према Невтоновом првом закону.

Према Аристотеловом погледу то се не би могло догодити, јер се према овој наивној теорији, кретање дешава само када на покретни објект постоји нето сила.

Залеђена површина може се сматрати врло ниским трењем. Извор: Пикабаи.

Невтоново прво објашњење закона

Инерција и маса

Маса је физичка количина која означава количину материје коју тело или предмет садржи.

Маса је тада својствено својство материје. Али материја је састављена од атома који имају масу. Маса атома је концентрисана у језгру. Управо протони и неутрони у језгру практично дефинишу масу атома и материје.

Маса се углавном мери у килограмима (кг), она је основна јединица Међународног система јединица (СИ).

Прототип или референца килограма је цилиндар од платине и иридијума који се чува у Међународној канцеларији за тежину и мере у Севру у Француској, мада је 2018. године био повезан са Планцком константом и нова дефиниција ступа на снагу од 20. маја 2019.

Па, дешава се да су инерција и маса повезани. Што је већа маса, већи инерција има неки предмет. Много је теже или скупље у погледу енергије променити стање кретања масивнијег објекта од мање масивног.

Пример

На пример, потребно је много више силе и много више рада да се једносмерна кутија (1000 кг) подигне са одмора од кутије од једног килограма (1 кг). Зато се често каже да прво има више инерције него друго.

Због односа између инерције и масе, Невтон је схватио да сама брзина није репрезентативна за стање кретања. Због тога је он дефинисао величину познату као замах или замах која је означена словом п и која је производ масе м и брзине в :

п = м в

Подебљане у п и в значе да су то векторске физичке величине, односно да су то величине са величином, правцем и смислом.

С друге стране, маса м је скаларна количина, којој је додељен број који може бити већи или једнак нули, али никада негативан. До сада није пронађен нити један објекат негативне масе у познатом свемиру.

Невтон је своју машту и апстракцију извео до крајности, дефинишући такозвану слободну честицу. Честица је материјална тачка. То јест, то је као математичка тачка, али са масом:

Слободна честица је она честица која је толико изолована, толико удаљена од другог предмета у универзуму да ништа не може извршити било какву интеракцију или силу на њу.

Касније је Невтон дефинисао инерцијалне референтне системе, који ће бити они у којима важе три његова закона кретања. Ево дефиниција у складу са овим концептима:

Инерцијални референтни систем

Сваки координатни систем везан за слободну честицу, или који се креће константном брзином у односу на слободну честицу, биће инерцијални референтни систем.

Њутнов први закон (инерцијски закон)

Ако је честица слободна, она има сталан замах у односу на инерцијални референтни оквир.

Њутнов први закон и замах. Извор: селф маде.

Решене вежбе

Вежба 1

Пак за хокеј од 160 грама иде на клизалиште брзином од 3 км / х. Пронађите свој замах.

Решење

Маса диска у килограмима је: м = 0,160 кг.

Брзина у метрима током секунде: в = (3 / 3.6) м / с = 0.8333 м / с

Количина покрета или момента п израчунава се на следећи начин: п = м * в = 0,1333 кг * м / с,

Вежба 2

Трење у предњем диску сматра се нулом, тако да се задржава момент све док ништа не мења правац тока диска. Међутим, познато је да на диск делују две силе: тежина диска и додирна или нормална сила коју под врши на њега.

Израчунајте вредност нормалне силе у невтонима и њен правац.

Решење

Пошто се задржава замах, резултирајућа сила на хокеју пак мора бити једнака нули. Тежина је усмјерена окомито на доље и вриједи: П = м * г = 0,16 кг * 9,81 м / с²

Нормална сила мора нужно супротставити тежини, тако да мора бити усмерена вертикално нагоре, а њена величина ће бити 1,57 Н.

Чланци од интереса

Примјери Невтоновог закона у стварном животу.

Референце

1. Алонсо М., Финн Е. Физика волумен И: Механика. 1970. Фондо Едуцативо Интерамерицано СА
2. Хевитт, П. Концептуална физичка наука. Пето издање. Пеарсон. 67-74.
3. Млади, Хју. Универзитетска физика са модерном физиком. 14. Ед Пеарсон. 105-107.