NEWTONS FØRSTE LOV: FORMLER, EKSPERIMENTER OG ØVELSER - FYSISK - 2025

Den første lov i Newton, også kendt som inerti-loven, blev først foreslået af Isaac Newton, fysiker, matematiker, filosof, teolog, engelsk opfinder og alkymist. Denne lov siger følgende: "Hvis et objekt ikke udsættes for nogen styrke, eller hvis kræfterne, der virker på det, annullerer hinanden, vil det fortsætte med at bevæge sig med konstant hastighed i en lige linje."

I denne erklæring fortsætter nøgleordet. Hvis lovens premisser er opfyldt, fortsætter objektet med dens bevægelse, som det havde gjort. Medmindre der vises en ubalanceret kraft og ændrer bevægelsestilstanden.

Forklaring af Newtons første lov. Kilde: self made.

Dette betyder, at hvis objektet er i hvile, vil det fortsætte med at hvile, undtagen hvis en styrke tager det ud af denne tilstand. Det betyder også, at hvis et objekt bevæger sig med en fast hastighed i en ret retning, vil det fortsætte med at bevæge sig sådan. Det ændres kun, når en ekstern agent udøver en kraft på den og ændrer dens hastighed.

Lovens baggrund

Isaac Newton blev født i Woolsthorpe Manor (Storbritannien) den 4. januar 1643 og døde i London i 1727.

Den nøjagtige dato, hvor Sir Isaac Newton opdagede sine tre dynamiske love, inklusive den første lov, vides ikke med sikkerhed. Men det vides, at det var længe før udgivelsen af ​​den berømte bog Mathematical Principles of Natural Philosophy, den 5. juli 1687.

Ordbogen over Royal Spanish Academy definerer ordet inerti som følger:

"Organers ejendom til at opretholde deres tilstand af hvile eller bevægelse, hvis ikke ved hjælp af en styrke."

Dette udtryk bruges også til at bekræfte, at enhver situation forbliver uændret, fordi der ikke er gjort nogen indsats for at opnå det, derfor har ordet inerti undertiden en konnotation af rutine eller dovenskab.

Den præ-Newtonske opfattelse

Før Newton var de overvejende ideer ideerne fra den store græske filosof Aristoteles, som bekræftede, at en styrke skal handle på det for at et objekt skal holde i bevægelse. Når styrken ophører, vil bevægelsen også gøre det. Ikke så, men selv i dag tror mange det.

Galileo Galilei, en strålende italiensk astronom og fysiker, der boede mellem 1564 og 1642, eksperimenterede og analyserede bevægelser af kroppe.

En af Galileos observationer var, at et legeme, der glider på en glat og poleret overflade med en bestemt indledende impuls, tager længere tid at stoppe og har mere bevægelse i en lige linje, da friktionen mellem kroppen og overfladen er mindre.

Det er tydeligt, at Galileo håndterede inerti-ideen, men han kom ikke til at formulere en erklæring så præcis som Newton.

Nedenfor foreslår vi nogle enkle eksperimenter, som læseren kan udføre og bekræfte resultaterne. Observationer vil også blive analyseret i henhold til det aristoteliske bevægelsessyn og det newtonske synspunkt.

Inerti-eksperimenter

Eksperiment 1

En kasse fremføres på gulvet, og derefter er drivkraften ophængt. Vi observerer, at boksen kører en kort sti, indtil den stopper.

Lad os fortolke det forrige eksperiment og dets resultat inden for rammerne af teorierne før Newton og derefter i henhold til den første lov.

I det Aristoteliske syn var forklaringen meget klar: kassen stoppede, fordi styrken, der flyttede den, blev suspenderet.

I Newtonian kan boksen på gulvet / jorden ikke fortsætte med at bevæge sig med den hastighed, den havde på det tidspunkt, hvor styrken blev ophængt, for mellem gulvet og kassen er der en ubalanceret kraft, der får hastigheden til at falde, indtil boksen stopper. Det er friktionskraften.

I dette eksperiment er lokalerne i Newtons første lov ikke opfyldt, så kassen stoppede.

Eksperiment 2

Igen er det kassen på gulvet / jorden. I denne mulighed opretholdes styrken på kassen på en sådan måde, at den kompenserer eller afbalancerer friktionskraften. Dette sker, når vi får kassen til at følge med konstant hastighed og i en ret retning.

Dette eksperiment modsiger ikke det aristoteliske syn på bevægelse: kassen bevæger sig med konstant hastighed, fordi der udøves en kraft på den.

Det modsiger heller ikke Newtons tilgang, fordi alle kræfter, der virker på kassen, er afbalancerede. Lad os se:

• I vandret retning er kraften, der udøves på kassen, lige og i den modsatte retning af friktionskraften mellem kassen og gulvet.
• Så nettokraften i vandret retning er nul, det er grunden til at boksen opretholder sin hastighed og retning.

Også i lodret retning er kræfterne afbalanceret, fordi vægten af ​​kassen, som er en kraft, der peger lodret nedad, kompenseres nøjagtigt af kontakten (eller normal) kraft, som jorden udøver på kassen lodret opad.

Forresten skyldes kassens vægt jordens tyngdekraft.

Eksperiment 3

Vi fortsætter med kassen hviler på gulvet. I lodret retning er kræfterne afbalanceret, dvs. den lodrette netto kraft er nul. Det ville bestemt være meget overraskende, hvis kassen flyttede sig opad. Men i vandret retning er der friktionskraft.

Nu, forudsætningen af ​​Newtons første lov, der skal opfyldes, er vi nødt til at reducere friktion til dens minimumsudtryk. Dette kan opnås temmelig groft, hvis vi ser efter en meget glat overflade, som vi sprøjter silikoneolie til.

Da silikoneolie reducerer friktion til næsten nul, så når denne kasse kastes vandret, vil den opretholde sin hastighed og retning i lang tid.

Det er det samme fænomen, der opstår med en skater på en skøjtebane eller med ishockeypucken, når de drives frem og frigives på egen hånd.

I de beskrevne situationer, hvor friktionen reduceres næsten til nul, er den resulterende kraft praktisk taget nul, og objektet opretholder sin hastighed i henhold til Newtons første lov.

I det Aristoteliske synspunkt kunne dette ikke ske, for ifølge denne naive teori forekommer bevægelse kun, når der er en nettokraft på det bevægende objekt.

Den frosne overflade kan betragtes som meget lav friktion. Kilde: Pixabay.

Newtons første lovforklaring

Inerti og masse

Masse er en fysisk mængde, der angiver den mængde stof, som et legeme eller objekt indeholder.

Masse er derefter en iboende egenskab ved materien. Men materien består af atomer, der har masse. Atomets masse koncentreres i kernen. Det er protonerne og neutronerne i kernen, der praktisk talt definerer atomets og materiens masse.

Masse måles generelt i kg (kg), den er basisenheden i det internationale system af enheder (SI).

Prototypen eller referencen til kg er en platin- og iridiumcylinder, der opbevares i det internationale kontor for vægte og målinger i Sèvres i Frankrig, skønt den i 2018 var knyttet til Planck-konstanten og den nye definition træder i kraft pr. 20. maj 2019.

Nå, det sker, at inerti og masse er forbundet. Jo større masse, jo større træghed har et objekt. Det er meget vanskeligere eller dyrere med hensyn til energi at ændre bevægelsestilstanden for et mere massivt objekt end et mindre massivt objekt.

Eksempel

For eksempel kræver det meget mere kraft og meget mere arbejde at løfte en 1 ton (1000 kg) kasse fra hvile end en 1 kg (1 kg) kasse. Derfor siges det ofte, at den første har mere inerti end den anden.

På grund af forholdet mellem inerti og masse, indså Newton, at hastighed alene ikke er repræsentativ for bevægelsestilstanden. Derfor definerede han en mængde kendt som momentum eller momentum, der er betegnet med bogstavet p og er produktet af massen m og hastigheden v:

p = m v

Fed med p og v indikerer, at de er vektorfysiske mængder, det vil sige at de er mængder med størrelse, retning og sans.

På den anden side er massen m en skalermængde, hvortil der tildeles et tal, der kan være større end eller lig med nul, men aldrig negativt. Indtil videre er der ikke fundet noget objekt med negativ masse i det kendte univers.

Newton tog sin fantasi og abstraktion til det ekstreme og definerede den såkaldte frie partikel. En partikel er et materielt punkt. Det vil sige, det er som et matematisk punkt, men med masse:

En fri partikel er den partikel, der er så isoleret, så langt fra et andet objekt i universet, at intet kan udøve nogen interaktion eller kraft på det.

Senere fortsatte Newton med at definere de inertielle referencesystemer, som vil være dem, hvor hans tre bevægelseslove gælder. Her er definitionerne i henhold til disse begreber:

Inertialreferencesystem

Ethvert koordinatsystem, der er knyttet til en fri partikel, eller som bevæger sig med konstant hastighed i forhold til den frie partikel, vil være et inertialt referencesystem.

Newtons første lov (inerti lov)

Hvis en partikel er fri, har den en konstant momentum med hensyn til en inertial referenceramme.

Newtons første lov og fart. Kilde: self made.

Løst øvelser

Øvelse 1

En hockeypuck på 160 gram går på skøjtebanen i 3 km / t. Find dens fart.

Løsning

Diskens masse i kg er: m = 0,160 kg.

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

Mængden af ​​bevægelse eller momentum p beregnes som følger: p = m * v = 0,1333 kg * m / s,

Øvelse 2

Friktionen i den forreste skive betragtes som nul, så momentum bevares, så længe intet ændrer skivens rette kurs. Det er imidlertid kendt, at to kræfter virker på skiven: diskenes vægt og kontakten eller den normale kraft, som gulvet udøver på den.

Beregn værdien af ​​den normale kraft i newton og dens retning.

Løsning

Da momentum bevares, skal den resulterende kraft på hockeypucken være nul. Vægten peger lodret nedad og er gyldig: P = m * g = 0,16 kg * 9,81 m / s²

Normalkraften skal nødvendigvis modvirke vægten, så den skal pege lodret opad og dens størrelse er 1,57 N.

Artikler af interesse

Eksempler på Newtons lov i det virkelige liv.

Referencer

1. Alonso M., Finn E. Fysik bind I: Mekanik. 1970. Fondo Educativo Interamericano SA
2. Hewitt, P. Konceptuel fysisk videnskab. Femte udgave. Pearson. 67-74.
3. Ung, Hugh. Universitetsfysik med moderne fysik. 14. ed. Pearson. 105-107.