Началнички водич за Њутнове законе покрета

Понимање Њутнових закона покрета: комплетно водиче за почетнике

Ноутнов закони покрета су темељ класичне механике, пружајући правила који управљају какве се објекте крећу када силе делују на њих. Формулирани од стране сјера Исака Њутона у 17. веку, ови три закона објашњавају све од разлога зашто књига остаје на столу до начина лансирања ракете у свемир.

Историјски контекст: Како је Њутон променио физику

Пре Њутона, превладан поглед на покрет долазио је од Аристотела, који је веровао да су објекти природно успостављали осим ако их сила не непрестано притиска. Галилео Галилеј је изазвао ову идеју експериментирањем на наклоњеним плоштавима, посматрајући да објекти у покрету имају тенденцију да остану у покрету ако је триње минимално.

Њутнов допринос је био револуционарни јер је обезбедио квантитативни, предвиђачки оквир за покрет. Уместо да квалитативно опише кретање, његови закони омогућили су научаницима да тачно израчунавају како сила би променила брзину објекта. Овај математички приступ је положио темеље за индустријску револуцију, модерну физику и чак истраживање простора. Више о Њутновом животу и методама можете прочитати на Станфордска енциклопедија филозофије или истражити интерактивне симулације на PhET интерактивне симулације .

Нјутонски први закон покрета: Закон инерције

Њутнов први закон наводи: ФЛТ:0 Објект у спокојству остаје у спокојству, а објект у покрету остаје у покрету са истим брзином и у истом правцу, осим ако се не понаша на њега неусједначена спољна сила.

Шта инерција заиста значи

У свакодневном искуству, видимо објекте који се успоравају и заустављају све време: ваљачка топка зауставља због трцања, плизник на столу зауставља се због отпора ваздуха и трцања површине. Али Први закон нам каже да ако можете уклонити све спољне силе (тркање, тежак, гравитација итд.), објекат би заувек кретио у правој линији константном брзином.

Инерција је директно повезана са масом. Што је објекат већи, то је више инерција и теже је започети да се креће или зауставити када се креће. На пример, много је лакше подстицати бицикл него аутомобил јер аутомобил има много већу инерцију.

Сваки дан примери првог закона

ФЛТ:0 Ситовни појас: Када се аутомобил изненада заустави, ваше тело наставља да се креће напред због инерције.
ФЛТ:0 Трик за столове: Ако брзо повучете столове, посуди остану на месту јер сила трирања није имала времена да делује.
Губити равнотежу на автобусу: Када се аутобус изненада убрза, ваше тело има тенденцију да остане у спокојству у односу на земљу, што вас узрокује да се затапите уназад.

Главне поуке из првог закона

Објекти не требају снагу да се наставију кретати. Потребна им је сила да се промени њихов покрет.
Инерција није сила, већ својство материје.
Закон дефинише инерцијални референтни оквир, оквир у којем је закон истини. У убрзаним оквирима (као што је ротирајући карусел), појављују се фиктивне снаге.

Нјутонски други закон покрета: Закон убрзања

Њутнов други закон пружа математички однос између силе, масе и забрзања: Ф Ф Ф Ф Ф Ф Т: 1 Ђеццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццццц

Разбијање формуле

Ф Ф Ф Т: 0 Ф Ф Ф Т: 3 је векторска сума свих снага које делују на објекат. Ако више снага притискају у различитим правцима, мрежа сила одређује покрет.
ФЛТ:0 м ФЛТ: 1 је инерцијална маса објекта, мерка колико се он супротставља убрзању.
ФЛТ:0 а ФЛТ: 1 је убрзање, које указује у истом правцу као и мрежана сила.

Забележите да закон каже да је убрзање директно пропорционално флотској сили: удвостручите силу, а убрзање удвостручите (за исте масе).

Практичне примене

ФЛТ:0 Дизајн возила: Инжењери користе Ф = ма за израчунавање моторске снаге потребне за забрзање аутомобила од 0 до 60 миља/час у одређеном времену.
ФЛТ:0 Спорт: ФЛТ: 1 Бејзболски метач примењује снагу на топку на кратком растојању.
Воздушни чувари: Током сукоба, ваздушни чувар се распоређује да повећа време током којег се сила наноси, смањује убрзање (и стога и снагу) на путника. Ово је директна примена Ф = ма: дужи време значи мању просечну силу за исте промене у покрету.
Гравитација обезбеђује константну снагу у падање (ФЛТ:2]] мг [[ФЛТ:3]]), тако да сви објекти близу површине Земље убрзавају на [[ФЛТ:4]]г ≈ 9,8 м/с2 [[ФЛТ:5]] без обзира на масу, игноришући отпор ваздуха.

Пример уобичајене рачунање

Представете да притиснете кутију од 10 кг са јаком хоризонталном снагом од 50 Н. Убрзање је a = F/m = 50 N / 10 kg = 5 m/s2. Ако удвостручите снагу до 100 Н, убрзање постаје 10 м/s2.

За дубље математичке и симулационе алате, погледајте водич Хан Академије за Ноутонов други закон.

Њутнов трећи закон покрета: Закон акције и реакције

Њутнов трећи закон наводи: За сваку акцију постоји једнака и супротна реакција.

Појаснивање пара акција-реакције

Важно је схватити да две снаге у пару акција-реакције делују на различите објекте. Они не елиминишу једни друге јер утичу на одвојене телес. На пример, када притиснете на зид, зид притиска назад истим снагом.

Примери из стварног света

ФЛТ:0 Хварење: ФЛТ:1 Твој стопац притиска назад на земљу; земља притиска напред на вашу стопу.
Пливање: Пружите воду уназад; вода вас трга напред.
ФЛТ:0]]Ракта покреће излазнице доле; излазнице притискају ракету горе. Ово ради у вакууму простора јер није потребан спољни ваздух.
ФЛТ:0]]Идњање топке: ФЛТ:1]] Ваша нога наносе снагу на топку, подстицајући је напред; топка наносе једнаку снагу на вашу ногу (што осећате као удара).

Зашто пар акције-реакције не отказују

Многи студенти погрешно мисле да ако свака акција има једнаку супротну реакцију, онда све снаге отказују и ништа никада не може да се убрза. Грешка је у заборави да две снаге делују на различите објекте. Нетна сила на било ком објекту је сума снага које делују на тај објект.

Попуна погрешна идеја и објашњења

Ноутнов закони су често погрешно разумевани јер их учебници поједностављавају или зато што наш свакодневни искуство укључује снаге као што су трчање и отпор ваздуха који маскирају идеализовано понашање.

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).

Зашто су Њутнови закони и данас неопходни

Ноутнов закони нису само историјска радозналост. Они чине основу за већину инжењерских дисциплина, од структурне анализе до роботике. Када дизајнирате мост, израчунавате снаге на сваком зраку користећи Њутонove законе. Када програмирате симулацију за видео игру, физички мотор обично користи Њутонску механику. Чак и свемирске агенције користе ове законе за израчунавање траекторија за свемирски брод, иако додају релативистичке корекције за екстремну прецизност.

Осим тога, Њутнови закони су врата до дубље физике. Они директно воде до принципа за очување импулса (одведени из Трећег закона) и очувања енергије (проје теореме рада-енергије, која произлази из Другог закона).

Ограничења: Када Нјутонски закони не примењују

Иако су невероватно моћни, Њутнови закони нису универзални у свим ситуацијама.

ФЛТ:0 Веома високе брзине: Када објекти приближе брзину светлости, потребна је Ајнштајна теорија специјалне релативности.
Веома јака гравитациона поља: Близу црних рупа или у целом свемиру на великим скалама, општа релативност описује гравитацију као кривину простора-времених.
У веома малим скалима: На атомском и субатомском нивоу, квантна механика управља понашањем.

Ипак, за већину свакодневних појава аутомобили, спорт, грађевинска изградња, временски системи и чак сателитске орбите Њутонски закони су тачни и довољни.

Сумитер три закона

Прв закон (Инерција): Предјекти се супротстављају променама у покрету. Тело у спокојству остаје у спокојству; тело у равномерном покрету остаје у покрету осим ако на њега не делује мрежа спољне снаге.
Други закон (Сила и забрзање): Нетна сила на објекту је једнака маси објекта умноженој по његовом забрзању (Ф = м × а). Овај закон квантитира како силе изазивају промене покрета.
Трећи закон (акција Реакција): За сваку силу коју објекат А врши на објект Б, објект Б има једнаку и супротну силу на објект А. Ове снаге делују на различите телове.

Ако сте у стању да се осмотрите на ова три закона, то ће вам омогућити да разумете како се све креће, од падајућег јабука до тркачког аутомобила.

За даље читање, НАСА Гленн истраживачки центар ФЛТ:1 има одличан објашњење за почетнике, а британска улазак ФЛТ:3 нуди историјску дубину.