Pochopenie Newtonových zákonov: Sprievodca úplným štartom

Newton chápanie zákonov pohybu sú základom klasickej mechaniky, poskytuje pravidlá, ktoré riadia, ako sa objekty pohybovať, keď sily konajú na ne. Formulované sirom Isaac Newton v 17. storočí, tieto tri zákony vysvetľujú všetko z toho, prečo kniha zostáva na stole, ako raketa vystrelí do vesmíru. Či už ste študent, aby vaše prvej fyziky triedy alebo profesionálny hľadá osviežiť základné vedomosti, zvládnutie týchto princípov je nevyhnutné pre pochopenie fyzického sveta. V tomto sprievode, budeme lámať každý zákon v jednoduchom jazyku, preskúmať reálne-svet príklady, a ukázať, prečo Newton chápanie je naďalej nevyhnutné v modernej vede a inžinierstve.

Historický kontext: Ako Newton zmenil fyziku

Pred Newtonom, prevládajúci pohľad na pohyb prišiel z Aristotela, ktorý veril, že objekty prirodzene prišiel do odpočinku, ak sila neustále tlačil. Galileo Galilei spochybnil túto myšlienku experimentmi na naklonených rovinách, pozorovanie, že objekty v pohybe majú tendenciu zostať v pohybe, ak trenie je minimalizované. Newton syntetizoval tieto pozorovania a jeho vlastné práce do []Filosios Naturalis Principia Matematica[] (1687), kde publikoval tri pohybové zákony spolu so zákonom univerzálnej gravitácie.

Newton

Newton che prvý pohybový zákon: Zákon inercie

Newton

Čo znamená neústupnosť

V každodenných skúsenostiach vidíme objekty spomaľujúce sa a zastavujúce sa po celý čas: valiaca sa guľa sa zastaví kvôli treniu, posuvná kniha na stole sa zastaví kvôli odporu vzduchu a povrchovému treniu. Ale prvý zákon nám hovorí, že ak by ste mohli odstrániť všetky vonkajšie sily (obmedzenie, ťahanie, gravitácia, atď.), objekt by sa stále pohyboval v rovnej línii konštantnou rýchlosťou. Jedná sa o [ Koncepčná idealizácia], ktorá zdôrazňuje základné správanie hmoty.

Inertia je priamo súvisí s hmotnosťou. Čím viac hmoty objekt má, tým viac zotrvačnosti má, a ťažšie je začať sa pohybuje alebo zastaviť ho raz pohybuje. Napríklad, to chees oveľa jednoduchšie tlačiť bicykel ako auto, pretože auto má oveľa väčšiu zotrvačnosť.

Každý deň príklady prvého Zákona

  • Záchytné pásy: Keď sa auto náhle zastaví, vaše telo pokračuje v pohybe z dôvodu zotrvačnosti. Bezpečnostný pás poskytuje vonkajšiu silu potrebnú na bezpečné zastavenie.
  • Obrusový trik: Ak rýchlo vytiahnete obrus, riad zostane na mieste, pretože sila trenia nemala čas konať, zostávajú v pokoji kvôli zotrvačnosti.
  • Spoznajte rovnováhu v autobuse: Keď autobus náhle zrýchli, vaše telo má tendenciu zostať v pokoji v porovnaní so zemou, čo spôsobuje, že sa zachvátite dozadu.

Kľúčové myšlienky z prvého zákona

  • Objekty nie ] potrebujú silu, aby sa pohybovali a potrebujú silu na zmenu ich pohybu.
  • Neúčasť nie je sila; je majetkom veci.
  • Zákon definuje [inerálny referenčný rámec chápaný rámec, kde zákon platí. V urýchľujúcich rámoch (ako rotujúci kolotoč) sa objavujú fiktívne sily.

Newton chees druhý zákon pohybu: Zákon zrýchlenia

Newton

Prelomenie vzorca

  • F]net je vektorový súčet všetkých síl pôsobiacich na objekt. Ak sa viacnásobné sily tlačí v rôznych smeroch, čistá sila určuje pohyb.
  • m] je objekt chromozómovej hmotnosti chromozómového merania, ako veľmi odoláva zrýchleniu.
  • a je zrýchlenie, ktoré ukazuje v rovnakom smere ako čistá sila.

Všimnite si, že zákon hovorí, že zrýchlenie je [priamo úmerné k čistej sile: dvojnásobná sila a zdvojnásobíte zrýchlenie (pri rovnakej hmotnosti). Naopak, zrýchlenie je [priamo úmerné[ k hmotnosti: dvojnásobok hmotnosti a polovice zrýchlenia (pri rovnakej sile).

Praktické aplikácie

  • Konštrukcia vozidla:[ Inžinieri používajú F = ma na výpočet sily motora potrebnej na zrýchlenie vozidla z 0 na 60 mph v rámci určitého času.
  • Športy:[] Baseballový nadhadzovač pôsobí silou na loptu na krátku vzdialenosť. Zvyšovaním sily (silnejšie rameno) alebo znížením hmotnosti (ľahšia lopta), zrýchlenie a tým aj konečná rýchlosť chyťí.
  • [Vaky do airbagov:] Počas zrážky sa airbag nasadzuje tak, aby sa predĺžil čas, počas ktorého sa sila aplikuje, čím sa zníži zrýchlenie (a tým aj sila) na cestujúceho. Toto je priame pôsobenie F = ma: dlhší čas znamená menšiu priemernú silu pre rovnakú zmenu hybnosti.
  • Záznamové objekty:] Gravitácia poskytuje konštantnú silu smerom nadol [[[mg[), takže všetky objekty v blízkosti povrchu Zeme sa zrýchľujú na [g

Spoločný príklad výpočtu

Predpokladajme, že stlačíte 10 kg boxu s čistou horizontálnou silou 50 N. Zrýchlenie je a = F/m = 50 N / 10 kg = 5 m/s2. Ak zdvojnásobíte silu na 100 N, zrýchlenie sa stane 10 m/s2. Ak si ponecháte silu na 50 N, ale zdvojnásobíte hmotnosť na 20 kg, zrýchlenie klesne na 2,5 m/s2.

Pre hlbšie matematiky a simulačné nástroje pozri Khan Academy

Newton chápa tretí pohybový zákon: Akčný zákon a reakčná činnosť

Newton

Objasnenie párov opatrení

Je dôležité pochopiť, že dve sily v akcii-reakcia dvojica akt na rôzne objekty]. Nerušia navzájom, pretože ovplyvňujú samostatné telá. Napríklad, keď tlačíte proti stene, stena tlačí späť s rovnakou silou. Sila, ktorú aplikujete na stenu, nespôsobuje, aby ste sa pohybovali; to

Príklady zo skutočného sveta

  • Kráčanie:Tvoja noha tlačí dozadu na zem; zem tlačí dopredu na nohu.
  • Plávanie: Zatlačte vodu dozadu; voda vás tlačí dopredu.
  • Ročetný pohon: Raketa vytláča výfukové plyny smerom nadol; výfukové plyny tlačí raketu nahor. Funguje to vo vákuu priestoru, pretože nie je potrebný vonkajší vzduch , a akčná reťaz je medzi raketou a jej vlastným výfukovým systémom.
  • Kopnutie lopty: Vaša noha pôsobí silou na loptu, poháňa ju dopredu; loptička aplikuje rovnakú silu späť na nohu (čo cítite ako bodnutie).

Prečo akčné reaction páry nezrušiť

Mnohí študenti si mylne myslia, že ak má každá akcia rovnakú opačnú reakciu, potom všetky sily sa môžu zrýchliť a nič sa nedá zrýchliť. Chyba spočíva v zabúdaní, že dve sily pôsobia na [ rôzne objekty[. Čistá sila na akýkoľvek jediný objekt je súčet síl pôsobiacich na tento objekt. Aby zem, ktorá vás urýchľuje, musí na vás tlačiť a že sila je reakciou na vaše tlačiť na zem. Zem sa nezrýchľuje z dôvodu jeho hmotnosti je obrovská, takže rovnaká sila na nej vytvára zanedbateľné zrýchlenie.

Bežné mylné predstavy a objasnenia

Newton

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).

Prečo sú dnes zákony Newtonu stále nevyhnutné

Newton

Okrem toho, Newton chápanie zákonov sú vstupnou bránou do hlbšej fyziky. Vedú priamo k zásadám zachovania hybnosti (odvodené z tretieho zákona) a zachovanie energie (prostredníctvom pracovnej-energetickej teórie, ktorá vyplýva z druhého zákona). Pochopenie im uľahčuje pochopiť elektromagnetizmus, termodynamika, a dokonca aj základy špeciálne relativity.

Obmedzenia: Keď Newton chápanie zákona neplatný

Kým neuveriteľne silný, Newton chees zákony nie sú univerzálne vo všetkých situáciách. Rozkladajú sa v troch primárnych režimov:

  • [Veľmi vysoké rýchlosti: Keď sa objekty blíži rýchlosť svetla, Einstein
  • Veľmi silné gravitačné polia: Neďaleko čiernych dier alebo v celom vesmíre na veľkých váhach, všeobecná relativita opisuje gravitáciu ako zakrivenie časopriestoru.
  • Veľmi malé váhy: Na atómovej a subatomickej úrovni, kvantová mechanika riadi správanie. Newtonian mechanika nedokáže vysvetliť javy, ako sú elektrónové orbitály a kvantové tunelovanie.

Avšak, pre drvivá väčšina každodenných javov

Zhrnutie troch zákonov

  1. Prvý zákon (Inertia): Objekty odolávajú zmenám v pohybe. Telo v pokoji zostáva v pokoji; telo v jednotnom pohybe zostáva v pohybe, ak naň nepôsobí čistá vonkajšia sila.
  2. Druhý zákon (Force & Acceralation):[ Čistá sila na objekt sa rovná hmotnosti objektu vynásobenej jeho zrýchlením (F = m × a). Tento zákon vyčísľuje, ako sily spôsobujú zmeny pohybu.
  3. Tretí zákon (Action

Ovládanie týchto troch zákonov otvára dvere k pochopeniu, ako všetko od padajúceho jablka na závodné auto pohybuje. Či už ste riešenie domácich problémov, navrhovanie stroja, alebo jednoducho zvedavý, prečo vaša káva rozleje, keď brzdí náhle, Newton

Pre ďalšie čítanie, [NASA Glenn Research Center má vynikajúce začiatočníkovo priateľské vysvetlenie, a [ Britannica záznam[ ponúka historickú hĺbku. Šťastné učenie!