Newton...: täydellinen aloittelijan opas

Newton.S Laws of Motion ovat kallionpohja klassisen mekaniikan, joka tarjoaa säännöt, jotka hallitsevat, miten esineitä liikkua, kun voimia toimia niitä. Formulated Sir Isaac Newton 17 th century, nämä kolme lakia selittää kaiken siitä, miksi kirja pysyy pöydälle miten raketti laukaistaan avaruuteen. Olitpa opiskelija ottaen ensimmäinen fysiikan luokka tai ammatillinen etsii virkistää perustavan tiedon, hallitseminen nämä periaatteet on välttämätöntä ymmärtää fyysistä maailmaa. Tässä oppaassa, me murtaa jokainen laki selkeällä kielellä, tutkia reaalimaailman esimerkkejä, ja osoittaa, miksi Newton.

Historiallinen konteksti: miten Newton muutti fysiikkaa

Ennen Newton, vallitseva näkemys liike tuli Aristoteles, jotka uskoivat, että esineet luonnollisesti tuli levätä ellei voima jatkuvasti työnsi niitä. Galileo Galilei haastaa tämän ajatuksen kokeiluja kaltevia lentokoneita, tarkkailemalla, että esineet liikkeessä taipumus pysyä liikkeessä, jos kitka on minimoitu. Newton syntetisoi näitä havaintoja ja hänen oma työnsä osaksi [Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica[ (1687), jossa hän julkaisi kolme lakia liike yhdessä lain universaalin vetovoiman.

Newton.s panos oli vallankumouksellinen, koska se tarjosi määrällinen, ennustava kehys[, liike. Sen sijaan, että kuvataan liike laadullisesti, hänen lakeja salli tutkijoiden laskea täsmälleen, miten voima muuttaisi objektin. Tämä matemaattinen lähestymistapa loi pohjatyön teollisen vallankumouksen, modernin fysiikan ja jopa avaruustutkimus. Voit lukea lisää Newton. elämästä ja menetelmistä Stanford Encyclopedia of Philosophy[ tai tutkia interaktiivisia simulaatioita osoitteessa [.

Newton... Ensimmäinen liikeoikeus: Inertialaki

Newton.s. ensimmäisessä laissa todetaan: ................................................................................................................................................................................................................................................

Mitä inertia todella tarkoittaa?

Aamun kokemuksessa näemme esineitä hidastamassa ja pysähtymässä koko ajan: liukuva pallo pysähtyy kitkan takia, liukuva kirja pöydällä pysähtyy ilmanvastus- ja pintakitkaisuuden vuoksi. Mutta ensimmäinen laki kertoo meille, että jos voisit poistaa kaikki ulkoiset voimat (kiila, vetäminen, painovoima, jne.), esine jatkaisi liikkumista ikuisesti suorassa linjassa jatkuvalla nopeudella. Tämä on [ konceptual ihannointi[], joka korostaa perustavanlaatuista käyttäytymistä aineen.

Inertia on suoraan suhteessa massaan. Mitä enemmän massa esine on, sitä enemmän se on, ja sitä vaikeampaa se on aloittaa liikkua tai pysäyttää se kerran liikkua. Esimerkiksi se on paljon helpompi työntää polkupyörää kuin autoa, koska auto on paljon suurempi inertia.

Esimerkkeinä ensimmäisestä laista

  • Istuinvyöt:[[] Kun auto yhtäkkiä pysähtyy, keho jatkaa eteenpäin inertian vuoksi. Turvavyö antaa ulkoisen voiman, joka tarvitaan pysäyttämään sinut turvallisesti.
  • Pöydän liinatemppu:[] Jos vedät pöytäliinan nopeasti, astiat pysyvät paikallaan, koska kitkan voima ei ole ollut aikaa toimia.
  • Kun bussi yhtäkkiä kiihtyy, kehosi pysyy levossa suhteessa maahan.

Ensimmäisen lain keskeiset näkymät

  • Esineet eivät tarvitse [] voimaa pysyä liikkeessä.
  • Inertia ei ole voima, vaan materia.
  • Laki määrittelee []inerttien viitekehys[]. Laki pitää paikkansa. Kiihdyttämällä kehyksiä (kuten pyörivä karuselli), fiktiivisia voimia näkyy.

Newton... Toinen liikeoikeus: Kiihdytyslaki

Newton.s. toinen laki tarjoaa matemaattisen suhteen voiman, massan ja kiihdytyksen välillä: ]F[]net = m × a[]]. Tässä F[net[]] on objektiin vaikuttava nettoulkoinen voima (mitattuna newtoneina, N), m on kohteen massa (kg), ja a on sen kiihtyvyys (m/s2). Tämä laki kertoo meille tarkasti, kuinka paljon esine nopeuttaa, hidastaa tai muuttaa suuntaa, kun voimaa käytetään.

Kaavaa ei voi rikkoa

  • ]F[net[] on kaikkien esineeseen vaikuttavien voimien vektorisumma. Jos useita voimia työnnetään eri suuntiin, nettovoima määrittää liikkeen.
  • m[ on esine ... inertiamassa...mittaa, kuinka paljon se kestää kiihtyvyyttä.
  • a[] on kiihtyvyys, joka osoittaa samaan suuntaan nettovoiman kanssa.

Huomaa, että laissa sanotaan kiihdytys on [ suorassa suhteessa nettovoimaan: kaksinkertainen voima, ja kaksinkertaistat kiihdytyksen (saman massan osalta). Käänteinen kiihtyvyys on [] käänteisesti verrannollinen [] massaan: kaksinkertainen massa ja kiihtyvyys puolikkaat (saman voiman osalta).

Käytännön sovellukset

  • Ajoneuvon suunnittelu:[] Insinöörit käyttävät F = ma laskeakseen moottorin voiman, joka tarvitaan nopeuttamaan autoa 0-160 mph tietyn ajan kuluessa.
  • Urheilu:[ Baseball-kannu käyttää voimaa palloon lyhyen matkan. Lisäämällä voimaa (vahvempi käsivarsi) tai vähentämällä massaa (sytytinpallo), kiihtyvyys.
  • Lentotyynyt:[] Törmäyksen aikana turvatyynyn toiminta lisää voiman käyttöaikaa ja vähentää kiihdytystä (ja siten voimaa) matkustajaan. Tämä on suora F = ma:n käyttö: pidempi aika tarkoittaa pienempää keskimääräistä voimaa samalle vauhtimuutokselle.
  • ]Kaatuvat kohteet:[] Painovoima antaa jatkuvan alaspäin suuntautuvan voiman ([]mg[]), joten kaikki Maan lähellä olevat kohteet kiihdyttävät []g . .... 9.8 m/s2[].

Esimerkki yhteisestä laskelmasta

Oletetaan, että painat 10 kg:n laatikkoa, jonka vaakavoima on 50 N. Kiihtyvyys on a = F/m = 50 N / 10 kg = 5 m/s2. Jos kaksinkertaistat voiman 100 N:aan, kiihtyvyys on 10 m/s2. Jos pidät voiman 50 N:ssa, mutta kaksinkertaistat massan 20 kg:aan, kiihtyvyys laskee 2,5 m/s2:een.

Matematiikan ja simuloinnin syventämiseksi tutustu []Khan Academy... -oppaan Newton................................................................................................................................................................................................................................

Newton... Kolmas laki: Toimintaoikeus ja reaktiooikeus

Newton.s. kolmas laki toteaa: ................................................................................................................................................................................................................................................

Toiminta-toiminta- parien selkeyttäminen

Se on tärkeää ymmärtää, että kaksi voimaa toiminta-reaction pari toimia eri esineitä[]. Ne eivät peruuta toisiaan, koska ne vaikuttavat eri elinten. Esimerkiksi, kun työntää seinää vasten, seinä työntää takaisin samalla voimalla. Voima, jota sovelletaan seinään ei aiheuta sinua liikkua; se on seinän reaktiovoima sinua, joka työntää sinua taaksepäin.

Esimerkkejä reaalimaailmasta

  • Jalkasi työntää taaksepäin maahan, maa työntää eteenpäin jalassasi.
  • Vedet työnnetään taaksepäin, vesi työntää eteenpäin.
  • Rakettien työntövoima:[] Raketti karkottaa pakokaasut alaspäin; pakokaasut työntävät rakettia ylöspäin. Tämä toimii avaruuden tyhjiössä, koska ulkoista ilmaa ei tarvita.Toiminta-reaktiopari on rakettien ja niiden oman pakokaasun välissä.
  • Pallon potkaiseminen: [[] Jalkasi käyttää voimaa palloon, työntämällä sitä eteenpäin; pallo käyttää yhtä voimaa takaisin jalkaasi (jonka tunnet pistoksi).

Miksi toiminta-toiminta parit Don...

Monet opiskelijat erehtyvät ajattelemaan, että jos jokaisella toimella on vastaava vastareaktio, silloin kaikki voimat peruvat eikä mikään voi koskaan kiihtyä. Virhe on siinä, että unohdetaan, että nämä kaksi voimaa toimivat []eri objekti [[]]. Nettovoima tahansa yksittäisen esineen on summa voimien toimivat [[]] kyseiseen objektiin. Jotta maa kiihdyttää sinua, sen on työnnettävä sinua. Tämä voima on reaktio työntöäsi maassa. Maa ei nopeudu merkittävästi, koska sen massa on valtava, joten sama voima tuottaa merkityksetöntä kiihtyvyyttä.

Yleinen väärinkäsitys ja selkeytyminen

Newton. Lakeja usein väärin, koska oppikirjat yksinkertaistaa niitä tai koska päivittäin kokemus sisältää voimia kuten kitka ja ilmanvastus, jotka peittävät ihanteellinen käyttäytyminen. Tässä on joitakin pysyviä myyttejä, korjattu:

MisconceptionCorrection
Objects in motion need a force to keep moving. According to the First Law, objects maintain their velocity unless acted on by a net external force. Friction and air resistance are forces that slow them down.
Heavy objects fall faster than light ones. In a vacuum, all objects fall at the same acceleration g because the gravitational force (mg) is proportional to mass, so the masses cancel in F=ma. Air resistance can cause different rates, but that’s a separate force.
Action and reaction forces cancel out, so no net motion is possible. They act on different objects, so they don’t cancel for a single body. The net force on each object determines that object’s acceleration.
Newton’s laws are only true on Earth. They apply anywhere in the universe, though they break down at very high speeds (near light speed) or very strong gravity (requiring relativity) and at atomic scales (requiring quantum mechanics).

Miksi Newton... - Laki on yhä tärkeä tänään.

Newton. Lakeja eivät ole vain historiallisia uteliaisuuksia. Ne muodostavat perustan useimmille tekniikan aloilla, rakenneanalyysistä robotiikkaan. Kun suunnittelet silta, lasket voimat kunkin säteen käyttäen Newton. Kun ohjelmoit simulointi videopeli, fysiikka moottori tyypillisesti käyttää Newtonin mekaniikka. Jopa avaruusvirastot käyttävät näitä lakeja juontavat trajektorit avaruusalus, vaikka ne lisäävät relativistiset korjaukset äärimmäisen tarkkuutta.

Lisäksi, Newton. lait ovat portti syvempään fysiikkaan. Ne johtavat suoraan periaatteisiin vauhti (johdettu kolmannesta laista) ja energian (työ-energia lause, joka juontaa juurensa toisesta laista). Ymmärtäminen tekee helpommaksi ymmärtää sähkömagnetismin, termodynamiikan, ja jopa perusteet erityistä suhteellisuusteoria.

Rajoitukset: Kun Newton... lait eivät sovelleta

Vaikka Newton on uskomattoman voimakas, - lait eivät ole yleismaailmallisia kaikissa tilanteissa.

  • Erittäin suuret nopeudet:[] Kun kohteet lähestyvät valon nopeutta, Einsteinius-teoria erityisestä suhteellisuusteoriasta on tarpeen. Aikalaajenemisesta ja suhteellisista massavaikutuksista tulee merkittäviä.
  • Erittäin vahvat painovoimakentät:[] Lähellä mustia aukkoja tai koko universumissa suurilla mitta-asteikoilla, yleinen suhteellisuusteoria kuvaa gravitaatiota avaruusajan kaarevuutena.
  • Hyvin pienet asteikot:[] Atomi- ja subatomisilla tasoilla kvanttimekaniikka hallitsee käyttäytymistä. Newtonin mekaniikka ei selitä ilmiöitä kuten elektroninen kiertoradat ja kvanttitunnelit.

Kuitenkin valtaosan arjen ilmiöistä ...autot, urheilu, rakennustyöt, sääjärjestelmät ja jopa satelliittikiertoradat...Newton...

Kolmen lain tiivistelmä

  1. Ensimmäinen laki (Inertia):[] Esineet vastustavat muutoksia liikkeessä. Lepoinen ruumis pysyy levossa; yhtenäinen ruumis pysyy liikkeessä, ellei nettoulkoinen voima toimi sen päällä.
  2. Toinen laki (Force & Acceleration):[] Objektin nettovoima on yhtä suuri kuin kohteen massa kerrottuna sen kiihtyvyydellä (F = m × a). Tämä laki määrää, miten voimat aiheuttavat muutoksia.
  3. Kolmas laki (toimi.Reaction):[] Jokaista esineen A kohdetta B vastaan kohdistamaa voimaa kohden esine B käyttää samanarvoista ja vastakkaista voimaa kohteeseen A. Nämä voimat toimivat eri elimiin.

Mastering nämä kolme lakia avaa oven ymmärtää, miten kaikki putoava omena kilpa-auto liikkuu. Olitpa käsitellä kotitehtävät ongelmia, suunnittelu kone, tai yksinkertaisesti utelias, miksi kahvin läikkyy, kun jarru yhtäkkiä, Newton.

Jatkossa NASA Glenn Research Center on erinomainen aloittelijaystävällinen selitys, ja [] Britannica merkintä[] tarjoaa historiallisen syvyyden. Onnellista oppimista!