fundamental-mechanics
Udhëheqja e një fillestari për ligjet e lëvizjes së Njutonit
Table of Contents
Të kuptojmë Njutonin (Duarturat e lëvizjes): Një udhëzues i plotë i Nisës
Njuton Ligjet e lëvizjes janë themeli i mekanikëve klasikë, duke siguruar rregulla që drejtojnë se si veprojnë objektet kur veprojnë forcat. këto tri ligje të cilat janë të formuara nga sër Isak Njutoni në shekullin e 17-të shpjegojnë se përse një libër qëndron në një tavolinë dhe si një raketë fillon në hapësirë. nëse ju e gjeni një student duke marrë klasën e parë të fizikës apo një kërkim profesional për të rigjallëruar njohuritë themelore, duke zotëruar këto parime është thelbësore për të kuptuar botën fizike. në këtë drejtim, ne do të thyejmë çdo ligj në çdo gjuhë, shembuj realë, dhe pse të kuptojmë se pse Newton-world është i domosdoshëm për të kuptuar dhe për të kuptuar shkencën moderne.
Konteksti historik: Si ndryshoi Fizika Njutoni?
Para Njutonit, pikëpamja mbizotëruese e lëvizjes erdhi nga Aristoteli, i cili besonte se objektet vinin natyrshëm për të pushuar, nëse nuk i shtynte vazhdimisht forcat.
Kontributi i Njutonit ishte revolucionar sepse ai dha një kuadër të mundshëm [p.sh.] për të bërë një lëvizje ; në vend që të përshkruante kërkesën kualifikuese, ligjet e tij lejuan shkencëtarët të llogarisin saktësisht se si një forcë do të ndryshonte shpejtësinë e objektit. Kjo qasje matematikore hodhi bazat për Revolucionin Industrial, fizikën moderne dhe madje eksplorimin e hapësirës. [L] Ju mund të lexoni më shumë rreth jetës së Njutonit dhe metodave [FIT:2] të enciklopedisë [3L]: [3L]
Njutoni tregon Ligjin e Parë të lëvizjes: Ligji i Inercisë
Njutoni i Parë thotë: Një objekt në pushim qëndron në pushim dhe një objekt në lëvizje qëndron në lëvizje me të njëjtën shpejtësi dhe në të njëjtën drejtim, nëse nuk vepron me një forcë të jashtme të paekuilibruar. Kjo pronë e materies quhet interia[[FL:3] Rezistenca e çdo objekti fizik për të ndryshuar gjendjen e lëvizjes së saj.
Çfarë do të thotë në të vërtetë inercia?
Në përvojën e përditshme shohim objekte që ngadalësohen dhe ndalojnë gjithë kohën: një top rrotullues ndalon për shkak të fërkimeve, një libër që rrëshqet në një tavolinë ndalon për shkak të rezistencës ajrore dhe fërkimit në sipërfaqe. por Ligji i Parë na thotë se nëse ju mund të hiqni të gjitha forcat e jashtme (fringation, zvarritje, graviteti, etj.), një objekt do të vazhdonte të lëvizte përgjithmonë në një vijë të drejtë me shpejtësi konstante.
Sa më shumë masë një objekt ka, aq më shumë inercia zotëron, dhe aq më e vështirë është të fillosh të lëvizësh ose ta ndalosh atë njëherë e një kohë të lëvizë.
Shembuj të përditshëm të Ligjit të Parë
- Seatbelts: Kur një makinë ndalon papritur, trupi juaj vazhdon të ecë përpara për shkak të inercia. Një rrip sigurimi siguron forcën e jashtme të nevojshme për të ndaluar ju të sigurtë.
- Një dredhi tryezë: Nëse ju shkulni një mbulesë tavolinë shpejt, enët mbeten në vend, sepse forca e fërkimit ka pasur kohë për të vepruar ata qëndrojnë në pushim për shkak të inercia.
- Duke e humbur ekuilibrin tuaj në një autobus: Kur një autobus shpejton papritur, trupi juaj ka tendencë të qëndrojë në pushim në lidhje me tokën, duke bërë që ju të zhdukeni prapa.
Gjykimi i thellë nga Ligji i parë
- Objektet nuk kanë nevojë për një forcë për të vazhduar lëvizjen e tyre, kanë nevojë për një forcë që të ndryshojnë lëvizjen e tyre.
- Inercia nuk është një forcë; ajo është një pronë e çështjes.
- Ligji përcakton një kornizë inerciale të referimit ku ligji mban të vërtetë. Në përshpejtimin e kornizave (si një karusel rrotullues), shfaqen forca imagjinare.
Njutoni (NW) Ligji i Dytë i lëvizjes: Ligji i Acegroid
Ligji i Dytë i Njutonit siguron lidhjen matematikore mes forcës, masës dhe përshpejtimit: Fi net = m xus a . Këtu, F net [p.5] është forca e jashtme neto që vepron mbi një objekt (mach Inton:3]), është një objekt masiv (krikues), dhe një sasi (ggggg) e tij (2 m) tregon saktësisht se si do të ndryshojë një forcë e ngadaltë kur një drejtim.
Thyerja e Formulës
- Fi net është një sasi vektoriale e të gjitha forcave që veprojnë në objekt. Nëse forca të shumëfishta shtyjnë në drejtime të ndryshme, forca neto përcakton lëvizjen.
- është objekti interial masa se sa i reziston përshpejtimit.
- është përshpejtimi, i cili tregon në të njëjtin drejtim si forca neto.
Vini re se ligji thotë se përshpejtimi është në mënyrë të përpjekur [[FT:1] në forcën neto: dyfishoni forcën dhe dyfishoni përshpejtimin (për të njëjtën masë). Në të kundërt, përshpejtimi është proporcionalisht proporcional në masë: dyfishi i masës dhe përshpejtimi i pergjysmimit (për të njëjtën forcë).
Programe praktike
- Dizajign vehcle: Inxhinierët përdorin F = ma për të llogaritur forcën e nevojshme të motorit për të përshpejtuar një makinë nga 0 në 60 mph brenda një kohe të caktuar.
- Sports: Një brokë bejsbolli i aplikohet forcës së një topi në një distancë të shkurtër.
- Airbags: Gjatë një përplasjeje, një thes ajror vendoset për të rritur kohën gjatë së cilës forca aplikohet, duke reduktuar përshpejtimin (dhe kështu forcën) në okupator. Kjo është një aplikim direkt i F = ma: një kohë më e gjatë do të thotë një forcë mesatare më e vogël për të njëjtën ndryshim vrulli.
- objekte të tmerrshme: Graviteti i gravitetit siguron një forcë të vazhdueshme në rënie (] ), kështu që të gjitha objektet pranë Tokës (ToLT) sipërfaqja përshpejtohet në ).
Shembulli i rregullt i llogaritjeve
Supozoni se shtyni një kuti 10 kg me një forcë horizontale në 50 N. Shpejtësia është a = F/m = 50 N / 10 kg = 5 m/s2. Nëse dyfishoni forcën në 100 N, përshpejtimi bëhet 10 m/s2. Nëse e mbani forcën në 50 N por dyfishoni masën në 20 kg, përshpejtimi bie në 2.5 m/s2.
Për mjete më të thella matematike dhe stimulimi, shih Akademinë e Kanit që të çojnë në Njuton të Dytën Ligj .
Njutoni (Ligji i Tretë i Lëvizjes): Ligji i Veprimit dhe Reagimit
Njuton 3 Ligj thotë: Për çdo veprim, ka një reagim të barabartë dhe të kundërt. ( Kjo do të thotë se forcat ndodhin gjithmonë në çifte. Kur objekti A ushtron një forcë mbi objektin B, objekti B njëkohësisht ushtron një forcë të barabartë dhe drejtim të kundërt në objektin A.
Pagues të qartë të veprimit
Është thelbësore të kuptohet se dy forcat në një veprim të ri veprojnë në objekte të ndryshme [FLT-1]; nuk e anulojnë njëri-tjetrin sepse ato prekin trupat e ndarë; për shembull, kur shtyni murin që ju shtyn prapa me të njëjtën forcë.
Shembuj të vërtetë të botës
- Po ecën, këmba jote po të shtyn.
- Swiming: Ju shtyni ujin prapa, uji ju shtyn përpara.
- Proviveri Rocket: Një raketë përzë gazet që rrjedhin poshtë; gazet e gazeve të gazeve shtyjnë raketën lart. Kjo punon në boshllëkun e hapësirës sepse nuk ka ajër të jashtëm të nevojshëm për dyshma e veprimit është midis raketave dhe vetë shkarkimit të saj.
- Duke e bërë top: këmba jote i aplikohet forcës së topit, duke e shtyrë atë përpara; topi zbaton një forcë të barabartë përsëri në këmbën tuaj (të cilën ju ndjeheni si një thumb).
Pse vallë paguajnë ata që paguajnë për veprimet?
Shumë studentë gabimisht mendojnë se nëse çdo veprim ka një reagim të barabartë të kundërt, atëherë të gjitha forcat anullojnë dhe asgjë nuk mund të përshpejtohet. gabimi qëndron në harruar se dy forcat veprojnë në objekte të ndryshme . Forca neto mbi çdo objekt është shuma e forcave që veprojnë [pLT:2] në atë objekt [pLT:3]. Për të përshpejtuar terrenin duhet të shtyjë mbi ju dhe se reagimi në terren nuk është i shpejtë.
Mashtrime dhe qartësi të zakonshme
Ligjet e Njutonit shpesh keqkuptohen sepse tekstet e mësimit i thjeshtojnë ato ose sepse përvoja jonë e përditshme përfshin forca si fërkimi dhe rezistenca ajrore që maskojnë sjelljen e idealizuar.
| Misconception | Correction |
|---|---|
| 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). |
Pse ligjet e Njutonit janë ende thelbësore sot?
Ligjet e Njutonit nuk janë vetëm kuriozitet historikë, ato formojnë bazën për shumicën e disiplinave inxhinierike, nga analiza strukturore deri tek robotikët, kur projektoni një urë, llogariti forcat në çdo trangull duke përdorur ligjet e Njutonit, kur programoni një simulim për një lojë video, motori fizik përdor mekanikë të Njutonit. edhe agjensitë kozmike përdorin këto ligje për të komplotuar trajektorët për anije kozmike, edhe pse shtojnë korrigjime relativiste për saktësi ekstreme.
Për më tepër, ligjet e Njutonit janë një portë drejt fizikës më të thellë. ato çojnë drejtpërdrejt në parimet e ruajtjes së vrullit (të krijuar nga Ligji i Tretë) dhe ruajtjes së energjisë (nëpërmjet teoremës së punës, që rrjedh nga Ligji i Dytë). Duke i kuptuar ato e bëjnë më të lehtë kapjen e elektromagnetikës, termodinamikës dhe madje edhe të bazave të relativitetit të veçantë.
Kufizimet: Kur ligjet e Njutonit zbatohen
Edhe pse janë jashtëzakonisht të fuqishme, ligjet e Njutonit nuk janë universale në të gjitha situatat.
- shpejtësi shumë të madhe: Kur objektet i afrohen shpejtësisë së dritës, është e nevojshme teoria e relativitetit të veçantë.
- fusha shumë të forta gravitacionale: vrimat afër të zeza ose në gjithë universin në shkallë të mëdha, relativiteti i përgjithshëm e përshkruan gravitetin si një lakumë e kohës së hapësirës.
- luspa shumë të vogla: Në nivelet atomike dhe subatomike, mekanikët kuantike drejtojnë sjelljen.
Megjithatë, për shumicën dërrmuese të fenomeneve të përditshme prej druri, sportesh, ndërtimi i ndërtimit, sistemeve të motit e madje edhe për orbitat satelitore, ligjet e Newtonit janë të sakta dhe të mjaftueshme.
Përmbledhje e tri ligjeve
- Ligji i Parë (Inercia): Objekte kundër ndryshimeve në lëvizje. Një trup në pushim qëndron në pushim; një trup me lëvizje uniforme qëndron në lëvizje po qe se një forcë e jashtme neto vepron në të.
- Ligji Seccond (Force & Accelation): Forca neto në një objekt është e barabartë me masën e objektit shumëzuar me përshpejtimin e tij (F = m x). Ky ligj përcakton se si forcat shkaktojnë ndryshime në lëvizje.
- Ligji i Tretë (Veprimi): Për çdo forcë të ushtruar nga objekti A mbi objektin B, objekti B ushtron një forcë të barabartë dhe të kundërt në objektin A. Këto forca veprojnë në trupa të ndryshëm.
Nëse i mësoni këto tri ligje, hapni derën për të kuptuar se si çdo gjë që nga një mollë që bie në lëvizje të një makine garash, nëse i trajtoni problemet e shtëpisë, projektoni një makinë, apo thjesht kureshtari se përse derdhni kafenë kur frenoheni papritur, ligjet e Njutonit japin shpjegimin e qartë dhe matematikor.
Për lexim të mëtejshëm, Qendra Kërkimore e Glenit e SNASA ka një shpjegim të shkëlqyer për fillimin dhe hyrja [e FLT:2] e Britannicës ofron thellësi historike.