ニュートンの行動規範を理解する:初心者のガイド

ニュートンのムーブメントの法則は、古典的機械の岩盤であり、その時、力が動いているときにどのように動くかを規定するルールを提供します。17世紀のサイ・イサック・ニュートンによってフォーミュレートされたこの3つの法律は、この本がテーブルにとどまる理由から、ロケットが宇宙に打ち上げる理由まで、すべてを説明しています。あなたが最初の物理クラスを服用している学生や基礎知識をリフレッシュするために探している専門家かどうかにかかわらず、これらの原則をマスターすることは、物理的な世界を理解するために不可欠です。このガイドでは、私たちは、それぞれの法律が不可欠です。

歴史のコンテキスト:ニュートンが物理を変化させる方法

ニュートンの前に、動きの早見は、有里里山から来た。そのオブジェクトは、絶えずそれらを押し続けると、自然に休止するようになったと信じた。ガリレオ・ガリレイは、傾斜平面上の実験でこの考えに挑戦し、摩擦が最小限に抑えられたときに動きに物が残っていることを観察しました。ニュートンは、これらの観察と独自の作業を]に合成しました。哲学的自然主義の原則Mathematica[F]と3つの法律を一緒に公開しました。

Newtonの貢献は、動きのために定量的、予測フレームワーク]を与えられたので革命的でした。 運動を量的に記述する代わりに、彼の法律は、科学者がオブジェクトの速度を変える力を正確に計算することを許可しました。 この数学的アプローチは、産業革命、近代的な物理学、さらには宇宙探査のための接地を敷設しました。 あなたはニュートンの人生と方法についての詳細を読むことができます[FLT]:FLTFLTFLTF:[FLTF]:FLTFETF]:インタラクティブな哲学[FLTF]:[FLTF]:[FLTF]:F]:[F]:[FLTF]:[F]:[F]:[FLTF]:[FLTF]:[F]:[F]:[F]:[F]:[F]:[F]:[F]:[F]:[F]:[F]:[F]:[F]:[F]:[F]:[F]:[F]:[F]:[F]:[F]:[F

ニュートンの第一次行動法:慣性法

ニュートンのファースト・ロー状態:]「休息時のオブジェクトは残りにとどまり、動きのオブジェクトは同じ速度で動き、同じ方向で、バランスの取れない外部力で行動しない限り、同じ方向にとどまります。[]]]]」。この問題のプロパティは、inertia - モーションの状態の変化に対する物理的なオブジェクトの抵抗と呼ばれます。

慣性が本当に意味するもの

日常的な経験では、オブジェクトが遅くなり、すべての時間を中断するのを見ます。摩擦による転がりボールが止まり、机上のスライドブックは空気抵抗と表面摩擦による停止します。しかし、最初の法律では、すべての外部力(摩擦、ドラッグ、重力など)を削除できると、オブジェクトは一定速度で直線に永遠に移動し続けることを教えてくれます。これは[概念の理想化であり、問題の動作を強調表示します。

慣性は質量に直接関連しています。オブジェクトが多ければ多いほど、所有している慣性が増大し、動かすか、動かすと起動してしまうのが難しくなります。例えば、車がはるかに大きい慣性を持っているので、車よりも自転車をプッシュするのがはるかに簡単です。

第一次法の日常例

  • シートベルト:]]。 突然車が止まると、あなたの体は不活性症のために前進し続けています。 シートベルトは、安全にあなたを止めるために必要な外部力を提供します。
  • テーブルクロスのトリック:]]。テーブルクロスを素早くヤンクすると、摩擦の力が機能しなくなったため、料理はそのまま残っています。慣性のために休憩に滞在します。
  • ]バスの残高を借りる:[バスが突然加速すると、あなたの体は地面に相対的に休息にとどまる傾向があり、あなたは戻って潜むためにあなたを引き起こします。

第一次法による重要な洞察

  • オブジェクトは[not]]を行ないます。移動し続ける力が必要です。]]の力が必要です。]) モーション。
  • 慣性は力ではありません。それは問題のプロパティです。
  • 法律は、法律が真の枠を持つフレーム[]の慣性フレームを定義します。加速フレーム(回転カルーセルのような)では、虚偽の力が現れます。

ニュートンの第2次行動法:加速の法則

ニュートンの第二法律事務所は、力、質量、加速の相互関係を築きます。[F]ネット] = m×。 ここでは、F[ネットは、オブジェクト(ニュートン、Nで測定)、mはオブジェクトの質量(kg)であり、速度が低下するか、または速度が低下する。

式を破壊する

  • [Fnet[は、オブジェクト上で動作するすべての力のベクトルの合計です。 複数の力が異なる方向に押し込まれると、ネットフォースは動きを決定します。
  • mは、その加速に抵抗する量を測定するオブジェクトの慣性質量です。
  • a]は、正統の方向に同じ方向に、正当性を指す加速です。

法律が加速がであると言うことに、直接比例を正当に純力に倍増し、あなたは加速を倍増(同じ質量のために)。 逆に、加速は]]を、大量に倍増し、加速半分(同じ力のために)。

実用化の応用

  • 車の設計:[]]]]エンジニアは、一定の時間内の0から60のmphに車を加速するために必要なエンジン力を計算するためにF = maを使用します。
  • スポーツ:]野球のピッチは、短距離にわたってボールに力を適用します。力(トロンガーアーム)を増加させ、質量(ライターボール)を削減することにより、加速、そして最終的な速度増加。
  • []エアバッグ:]]] 衝突時に、エアバッグが配電し、強制が適用される時間を増やすために、占有率(そしてしたがって、力)を削減します。 これはF = maの直接アプリケーションです。 長時間は、運動量と同じ変化のためのより小さい平均力を意味します。
  • ] オブジェクトを組み立てる: グラビティは、一定の下方力(])を提供します。そのため、地球の表面に近いすべてのオブジェクトは]で加速します。 ≈ 9.8 m/s2)質量に関係なく、空気抵抗を無視します。 そのため、フェザーとハンマーが月面で一緒に落ちます。

一般的な計算例

圧力は、50 Nの正接力で10 kgの箱を押します。 加速度は = F/m = 50 N / 10 kg = 5 m / s2です。 100 Nに力を倍増させると、加速度は10 m / s2になります。 50 Nで力を保つが、質量を20 kgに倍増し、加速は2.5 m / s2に低下します。

より深い数学とシミュレーションツールについては、【】Khan AcademyのガイドをNewtonのSecond Lawにチェックしてください。

ニュートンの第3回行動法:行動と反応の法則

ニュートンの第3の法則状態: “すべての行動のために、等しく反対の反応があります。”]]]これは、常に対で起こることを意味します。オブジェクトAがオブジェクトBの力を発揮するとき、オブジェクトBは、同じ大きさの力とオブジェクトAの反対方向を同時に発揮します。

アクション反応ペアの明確化

アクション反応ペアの2つの力がに作用するということを理解することは非常に重要です。 それらは別の体に影響を与えるので、互いに取り消してはならない。 例えば、壁に押して、壁が同じ力で戻ってくるとき。 あなたが壁に当てはまる力は、あなたが移動する原因ではありません。 それはあなたが後方にプッシュするあなたの壁の反応力です。

実世界事例

  • Walking:]]]]あなたの足は地面に後方に押しします。地面はあなたの足を先に押します。 これにより、あなたの足をプッシュします。
  • ]:]]を泳ぐと、水が上方に押します。
  • ロケット推進:]ロケット排気ガスが下方に排出される。排気ガスはロケットを上方に押します。これは、外部の空気が不要で、アクション反応ペアはロケットと自身の排気の間にあるため、スペースの真空で動作します。
  • ]ボールを蹴る:[]]]あなたの足は、ボールに強制を適用し、それを前方に推進します。あなたの足に均等な力が戻ります(あなたは、刺すように感じます)。

なぜアクション反応ペアがキャンセルしないのか

多くの生徒は、すべてのアクションが同じ対比反応を持っている場合、すべての強制キャンセルと何も加速できないと誤って考えています。 エラーは、二つの力がに作用することを忘れることにあります。 異なるオブジェクト]。 任意の単一のオブジェクトの純力は、オブジェクト[]オンを強制する力です。 地面があなたを加速するために、それはあなたにプッシュする必要があります - そして、それはあなたの地上で強制的には、それが同じことを加速することができないために、その反応が、その大きな反応を加速する。

一般的な誤解と明確化

ニュートンの法律は、テキストブックがそれらを簡素化したり、私たちの毎日の経験が理想的な行動をマスクする摩擦や空気抵抗のような力を含むので、しばしば誤解しています。 ここでは、いくつかの永続的な神話、修正されています:

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).

なぜニュートンの法律はまだ今日不可欠です

ニュートンの法律は単なる歴史の好奇心ではありません。それらは構造解析からロボティクスに至るまで、ほとんどのエンジニアリング分野の基礎を形成しています。ブリッジを設計するとき、ニュートンの法律を使用して各ビームの力を計算します。ビデオゲームのためのシミュレーションをプログラムするとき、物理エンジンは、通常、ニュートニアの機械的を使用しています。スペースエージェンシーでさえ、これらの法律を使用して、スペースクラフトの軌跡をプロットするが、極端な精度のために再ラティブ補正を追加します。

また、ニュートンの法律はより深い物理へのゲートウェイです。それらは直接、運動量(第三法から派生する)の保全とエネルギーの保全の原則につながります(第二法から成る労働エネルギーの理論による)。それらを理解することは、電気磁気、熱力学、および特別な相対性の基礎を把握することも容易になります。

制限: ニュートンの法律が適用されないとき

信じられないほど強力ですが、ニュートンの法律はあらゆる状況で普遍的なものではありません。彼らは3つの主要なレジムで破壊します。

  • 非常に高速:] オブジェクトが光の速度に近づくとき、エインスタインの特別な相対性理論が必要です。 時間と再ラチスティック質量効果が重要になります。
  • 非常に強い重力分野:[ 黒い穴の近くか、大幅の宇宙全体で、一般的な相対性は、空間時間の湾曲として重力を記述します。
  • 小さなスケール:] 原子とサブアトミックレベルで、量子の力学は動作を支配します。 ニュートニアの力学は、電子軌道や量子のトンネルのような現象を説明することができません。

ノーネレスは、日常現象の大半のために、自動車、スポーツ、建築構造、気象システム、さらには衛星軌道など、ニュートンの法律は正確で十分です。

3つの法律の要約

  1. 第一次法(慣性):[ 動きの変化に抵抗するオブジェクト。休息中の体は残りにとどまります。 均一な動きの体は、それがネットの外部力が機能しない限り、動きにとどまります。
  2. [Second Law (Force & Acceleration):[]]]]) オブジェクトの純力は、その加速によって乗ったオブジェクトの質量を等しくします(F = m × a)。 この法律は、動きの変化を引き起こす力を定量化します。
  3. [Third Law (Action–Reaction):[]]]] オブジェクトBでオブジェクトAによって引き出される全ての力に対して、オブジェクトBはオブジェクトAの等しく反対の力を引き出す。これらの力は異なる体に作用する。

これらの3つの法律をマスターすると、落下リンゴからレースカーの動きまで、すべてが理解するためにドアを開きます。 あなたが家事の問題に取り組むかどうか、マシンを設計するか、突然ブレーキをかけるときにコーヒーがこぼれている理由について単純に好奇心、ニュートンの法律は明確で、数学的な説明を提供します。

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