Newtonning harakat qonunlarini tushunish: to'liq boshlang'ich qo'llanma

Newtonning harakat qonunlari klassik mexanikaning poydevoridir, bu qoidalar ob'ektlar kuchlar ularga ta'sir qilganda qanday harakatlanishini boshqaradi. Sir Izaak Nyuton tomonidan 17-asrda formulasiya qilingan ushbu uchta qonun kitobning stolda qolishining sabablaridan boshlab, raketa kosmosga qanday ishga tushirilishini tushuntiradi. Siz birinchi fizik darsini o'tayotgan talaba bo'lsangiz yoki asosiy bilimlarni yangilashni xohlayotgan professional bo'lsangiz ham, ushbu prinsiplarni o'rganish jismoniy dunyoni tushunish uchun muhimdir. Ushbu qo'llanma davomida biz har bir qonunni sodda tilda buzamiz, haqiqiy misollarni o'rganamiz va nega Nyutonning tushunchalari zamonaviy fan va muhandislikda zarur bo'lganini ko'rsatamiz.

Tarixiy kontekst: Nyuton fizikaning o'zgarishini

Nyutondan oldin harakatning eng keng tarqalgan nuqtai nazari Aristoteldan kelib chiqqan. U obyektlar tabiiy ravishda bir kuch ularni doimiy ravishda quvmaganicha to'xtashgan deb hisoblagan. Galileo Galilei bu g'oyaga mo'ljallangan tekislashda tajribalar bilan qarshilik ko'rsatdi.

Nyuutonning hissa inqilobiy bo'lgan, chunki u harakat uchun kvantitativ, prognoz frameworkni taqdim etgan. Harakatni sifatli tasvirlash o'rniga, uning qonunlari olimlarga kuch qanday qilib obyekt tezligini o'zgartirishini aniq hisoblash imkonini berdi. Ushbu matematik yondashuv sanoat inqilobi, zamonaviy fizika va hatto kosmik tadqiqot uchun asos soldi. Nyuutonning hayoti va usullari haqida ko'proq Stanford Encyclopedia of Philosophyda yoki PhET Interactive Simulationsda interaktiv simulyatsiyalarni o'rganishingiz mumkin.

Nyutonning Harakatning birinchi qonuni: Inersiya qonuni

Nyutonning birinchi qonuni shunday deyilgan: Rastdagi ob'ekt damda qoladi va harakatdagi ob'ekt xuddi shu tezlikda va xuddi shu yo'nalishda harakatda qoladi, agar tengsiz tashqi kuch tomonidan harakatlanmasa.

Inersiya nima degani

Kundalik tajribada biz ob'ektlarning sekinlashishini va to'xtashini ko'ramiz: chiziq tufayli to'xtaydigan to'plam, havo qarshiligi va yuza chiziq tufayli stoldagi chiziq kitob to'xtadi. Ammo Birinchi qonun bizga agar siz barcha tashqi kuchlarni (chiziq, tortib olish, gravitatsiya va boshqalar) olib tashlasangiz, ob'ekt doimiy tezlikda to'g'ri chiziqda doimiy ravishda harakatlanishini davom ettiradi, deb aytadi. Bu konseptual ideallashtirish dir. Bu matnning asosiy xatti-harakatini qayd etadi.

Inersiya massa bilan to'g'ridan-to'g'ri bog'liq. Ob'ekt qancha massa bo'lsa, shunchalik inersiya bo'ladi va harakatlanishni boshlash yoki to'xtatish qiyinroq bo'ladi. Masalan, velosipedni mashinaga qaraganda ko'proq harakatlanishga majburlash osonroq, chunki mashina ancha ko'proq inersiyaga ega.

Birinchi qonunning har kuni qo'llaniladigan misollari

  • O'rindiqlar: Avtomobil to'xtab qolganda, tanangiz inersiya tufayli oldinga harakatlanishda davom etadi.
  • Tavlon ustunlari hiylasi: Agar siz tezda stol ustunlarini tortib olsangiz, idishlar o'z joyida qoladi, chunki chiziq kuchi harakat qilishga vaqtga ega bo'lmagan.
  • Avtobusda muvozanatni yo'qotish: Avtobus to'satdan tezlashganda, tanangiz yerga nisbatan dam olishda davom etadi va sizni orqaga qarab turishga olib keladi.

Birinchi qonunning asosiy mazmuni

  • Ob'ektlar harakatlanishda davom etish uchun ga muhtoj emaslar.
  • Inersiya kuch emas, u matyaning xususiyatidir.
  • Qonun inersial ma'lumotlar ramqasini belgilaydi.

Nyutonning Harakat qonuni: Tezlanish qonuni

Nyutonning ikkinchi qonuni kuch, massasi va tezlanish o'rtasidagi matematik munosabatni taqdim etadi: Fnet = m × a. Bu yerda, Fnet bir ob'ektga ta'sir qiluvchi tashqi kuchdir (N newtonlarda o'lchangan), m ob'ektning massasi (kg), a esa uning tezlanishi (m/s2). Ushbu qonun bizga bir ob'ekt kuch qo'llanganda qanchalik tezlashadi, sekinlashadi yoki yo'nalishni o'zgartiradi, deb aniq aytadi.

Formulani buzish

  • F (FLT:0) F (FLT:1) F (FLT:1) F (FLT:1) F (FLT:1) F (FLT:1) F (FLT:1) F (FLT:1) F (FLT:1) F (FLT:1) F (FLT:1) F (FLT:1) F (FLT:1) F (FLT:1) F (FLT:1) F (FLT:1) F (FLT:1) F (FLT:1) F (FLT:1) F (FLT:1) F (FLT:1) F (FLT:1) F (FLT:1) F (FLT:1) F (FLT:1) F (FLT:1) F (FLT:1) F (FLT:1) F (FLT:2) F (FLT:2) F (FLT:2) F (FLT:2) F (FLT:2) F (FLT: (FLT) F (FLT) F (FLT) F (FLT) F (FLT) F (FLT) F) F (FLT) F (FLT) (FLT) (F) (F) (
  • m obʼektning inersiya massasi a tezlikka qanchalik qarshi turishining oʻlchami.
  • a - bu to'liq kuch bilan bir xil yo'nalishda ko'rsatilgan tezlanish.

Shuni yodda tutingki, qonun shuni aytadiki tezlanish ga to'g'ridan-to'g'ri nisbatda to'g'ri kuchga teng: kuchni ikki baravarga oshirasiz va tezlikni ikki baravarga oshirasiz (shu massa uchun).

Amaliy qoʻllanma

  • Avtomobil dizayn: Muhandislar avtomobilni 0 dan 60 mph gacha tezlashtirish uchun kerak bo'lgan dvigatel kuchini hisoblash uchun F = ma dan foydalanadilar.
  • Sport: Basebol o'yinchisi qisqa masofada to'pga kuch qo'yadi. Kuchni (qo'shimcha qo'l) yoki massani (engilroq to'p) kamaytirish orqali tezlanish va shu sababli yakuniy tezlik o'sadi.
  • Airbags: Birlashgan holda, bir havo baglari kuch qo'llaniladigan vaqtni ko'paytirish uchun ishlatiladi, bu esa o'rinbosariga tezlanish (va shu sababli kuch) ni kamaytiradi. Bu F = ma ning to'g'ridan-to'g'ri qo'llanilishi: uzoq vaqt ayni o'zgarish uchun kichik o'rtacha kuchni anglatadi.
  • Tug'ilgan ob'ektlar: Gravitatsiya doimiy pastga boruvchi kuchni (mg) ta'minlaydi, shuning uchun Yer yuzi yaqinidagi barcha ob'ektlar massasiga qaramasdan massasiga qarab 9,8 m/s2 da tezlashadi, havo qarshiligini e'tiborga olmaydi. Shuning uchun oyda tovuq va pichoq birgalikda tushib ketadi.

Oddiy hisoblash misoli

Aytaylik, siz 10 kgli qutilarni 50 N to'g'ri gorizontal kuch bilan quvg'in etasiz. Tezlanish a = F/m = 50 N / 10 kg = 5 m/s2. Agar kuchni 100 N ga ikki baravar oshirsangiz, tezlanish 10 m/s2 ga aylanadi. Agar kuchni 50 N ga saqlasangiz, lekin massani 20 kg ga ikki baravar oshirsangiz, tezlanish 2,5 m/s2 ga kamayadi.

O'ta chuqur matematik va simulyatsiya vositalari uchun [[Khan Academy]]ning [[Newton]]ning ikkinchi qonuniga oid qo'llanmalarini ko'rib chiqing.

Nyutonning uchinchi harakat qonuni: harakat va reaktsiya qonuni

Nyutonning uchinchi qonuni shunday deyadi: Har bir harakat uchun teng va qarama-qarshi reaktsiya mavjud. Bu kuchlar har doim juftlikda sodir bo'lishini anglatadi. A obyekti B obyektiga kuch qo'shganda, B obyekti bir vaqtning o'zida A obyektiga teng magnitud va qarama-qarshi yo'nalishdagi kuch qo'shadi.

Harakat va reaksiya juftliklarini aniqlashtirish

Bir harakat-reaksiya juftligidagi ikkita kuch turli ob'ektlarga harakat qilishini tushunish juda muhimdir. Ular bir-birlarini bekor qilmaydi, chunki ular alohida jismlarga ta'sir qiladi. Masalan, devorga qarshi shovqin qilganda, devor bir xil kuch bilan orqaga shovqin qiladi. Devorga qo'ygan kuch sizni harakatga keltirib chiqarmaydi; devorlarning sizga qarshi reaktsiya kuchi sizni orqaga shovqin qiladi.

Haqiqiy misollar

  • Yuz yurish: Oyoqlaringiz yerga orqaga, yer esa oyoqlaringizga oldinga harakat qiladi.
  • Suv: 1 Siz suvni orqaga surasiz; suv sizni oldinga suradi.
  • Raketa harakatlanish: Raketa chiqindi gazlarini pastga chiqarib yuboradi; chiqindi gazlar raketaga yuqoriga shovqin qiladi. Bu kosmosdagi boshoqda ishlaydi, chunki tashqi havo kerak emas.
  • O'yinni urish: O'yinni oldinga surib, o'yinni oldinga surib qo'yadi. O'yin o'yinni orqaga ham o'xshaydi.

Nima uchun harakat-reaksiya juftliklari bekor qilmaydi

Ko'p talabalar xato bilan har bir harakat teng qarama-qarshi reaktsiyaga ega bo'lsa, barcha kuchlar bekor qilinadi va hech narsa hech qachon tezlashishi mumkin deb o'ylashadi. Xato shundaki, ikkita kuch turli ob'ektlarga harakat qilishini unutishdir. Har bir bir obyektdagi to'liq kuch bu ob'ektga harakat qiluvchi kuchlarning yig'indisi hisoblanadi. Yer sizni tezlashtirish uchun sizni quvvatiga majbur qiladi.

Ko'pincha noto'g'ri tushunchalar va tushuntirishlar

Nyuton qonunlari ko'pincha noto'g'ri tushuniladi, chunki darsliklar ularni soddalashtiradi yoki bizning kundalik tajribamizda ideallashtirilgan xatti-harakatni yashiradigan chiziq va havo qarshiligi kabi kuchlar mavjud.

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).

Nega Nyutonning qonunlari bugungi kunda ham muhim

Nyuton qonunlari shunchaki tarixiy qiziqish emas. Ular qurilish tahlilidan robotikagacha bo'lgan aksariyat muhandislik fanlarining asosini tashkil etadi. Ko'prikni loyihalashtirganingizda, siz Nyuton qonunlaridan foydalangan holda har bir balkadagi kuchlarni hisoblaysiz. Video o'yin uchun simulyatsion dasturlashda fizika dvigati odatda Nyuton mexanikasidan foydalanadi. Hatto kosmik agentliklar ham ushbu qonunlardan kosmik kemalar yo'nalishlarini belgilash uchun foydalanadilar, garchi ular juda aniqlik uchun nisbatan tuzatishlarni qo'shadilar.

Bundan tashqari, Nyuton qonunlari chuqurroq fizikaga kirish darvozaidir. Ular to'g'ridan-to'g'ri harakatni saqlash (üchinchi qonundan kelib chiqqan) va energiyani saqlash (ikkinchi qonundan kelib chiqqan ish-energiya nazariyasi orqali) tamoyillariga olib keladi.

Cheklovlar: Nyuton qonunlari qoʻllanilmaganida

Neyton qonunlari juda kuchli bo'lsa-da, barcha vaziyatlarda universal emas.

  • O'ta yuqori tezliklar: Obyektlar yorug'lik tezligiga yaqinlashganda, Eynshteynning maxsus nisbat nazariyasi kerak. Vaqtning kenglanishi va nisbatchilik masa ta'siri muhimlashadi.
  • O'ta kuchli gravitatsion maydonlar: Qora toshlar yaqinida yoki butun koinotda katta miqyosda, umumiy relativitet nazariyasi gravitatsiyani vaqt-farqning bo'g'ilib ketishi sifatida tasvirlaydi.
  • O'ta kichik skalalarda: Atom va subatomik darajada kvant mexanikasi xatti-harakatni boshqaradi.

Shunga qaramay, kundalik hodisalarning katta qismi uchun mashinalar, sport, binolar qurish, havo tizimlari va hatto satelit orbitlari uchun Nyuton qonunlari aniq va yetarli.

Uchta qonunning qisqacha ma'nosi

  1. Birinchi qonun (Inersiya): ob'ektlar harakatdagi o'zgarishlarga qarshi turadi. Tinchlikda bo'lgan jism tinchlikda qoladi; bir xil harakatda bo'lgan jism unga tashqi kuchli kuch ta'sir qilmagunicha harakatda qoladi.
  2. Ikkinchi qonun (Qavf & Tezlashtirish): Bir obʼektdagi toʻliq kuch obʼektning massasi uning tezlanishi bilan koʻpaytirilgan (F = m × a) ga teng. Ushbu qonun kuchlarning harakat oʻzgarishlariga sabab boʻlganini miqdorlaydi.
  3. Uchinchi qonun (harakatreaksiya): B obyektiga A tomonidan qo'llanilgan har bir kuch uchun B obyekti A obyektiga teng va qarama-qarshi kuchni namoyon etadi. Ushbu kuchlar turli jismlarga ta'sir qiladi.

Ushbu uchta qonunni o'rganish, to'sib qolgan almadan racing mashinasigacha hamma narsa qanday harakatlanishini tushunish uchun eshikni ochadi. Siz uy vazifasini bajarayotgan bo'lsangiz ham, mashinani loyihalashtirayotgan bo'lsangiz ham, yoki to'satdan frenlash paytida nega kofe to'kib ketayotganini bilmoqchi bo'lsangiz ham, Nyutoning qonunlari aniq, matematik tushuntirishni beradi.

Keyinchalik o'qish uchun NASA Glenn tadqiqot markazi ajoyib boshlang'ichlar uchun qulay tushuntirishga ega, Britaniyaga kiruvchi esa tarixiy chuqurlikni taklif qiladi.