NEWTON ELSŐ TÖRVÉNYE: KÉPLETEK, KÍSÉRLETEK ÉS GYAKORLATOK - FIZIKAI - 2026

Az első törvénye Newton, más néven a törvény a tehetetlenség, először javasolta Isaac Newton, fizikus, matematikus, filozófus, teológus, angol feltaláló és alkimista. Ez a törvény a következőket mondja: "Ha egy tárgyat nem szabad kitéve erőnek, vagy ha az rajta ható erők egymást megszüntetik, akkor az állandó sebességgel, egyenes vonalban tovább mozog."

Ebben az állításban a kulcsszó továbbra is folytatódni fog. Ha a törvény feltételei teljesülnek, akkor a tárgy tovább mozog, mint korábban. Hacsak nem jelenik meg kiegyensúlyozatlan erő, amely megváltoztatja a mozgás állapotát.

Newton első törvényének magyarázata. Forrás: saját készítésű.

Ez azt jelenti, hogy ha az objektum nyugalmi helyzetben van, akkor továbbra is pihenni fog, kivéve, ha egy erõ erõsíti ki azt az állapotot. Ez azt is jelenti, hogy ha egy objektum rögzített sebességgel halad egyenes irányban, akkor továbbra is így mozog. Ez csak akkor változik, ha valamely külső ügynök erőt gyakorol rá, és megváltoztatja a sebességét.

A törvény háttere

Isaac Newton 1643 január 4-én született a Woolsthorpe kastélyban (Egyesült Királyság), és 1727-ben Londonban halt meg.

A pontos dátum, amikor Sir Isaac Newton felfedezte három dinamikai törvényét, beleértve az első törvényt, nem biztosan ismeretes. De tudjuk, hogy jóval a híres könyv, a természetes filozófia matematikai alapelvei, 1687. július 5-i kiadása előtt.

A Spanyol Királyi Akadémia szótára az alábbiak szerint határozza meg a tehetetlenség szót:

"A testek tulajdonságai, hogy fenntartsák nyugalmi vagy mozgási állapotukat, ha nem erõ hatására."

Ezt a kifejezést arra is használják, hogy megerősítsék, hogy minden helyzet változatlan marad, mivel nem tett erőfeszítéseket annak elérésére, ezért a tehetetlenség szónak néha a rutin vagy lustaság jelentése van.

A Newton előtti nézet

Newton előtt az uralkodó ötletek a nagy görög filozófus, Arisztotelész ötletei voltak, akik megerősítették, hogy ahhoz, hogy egy tárgy mozgásban maradjon, erőknek kell működniük rajta. Amikor az erő megszűnik, akkor a mozgás is így lesz. Nem így van, de ma is sokan gondolkodnak így.

Galileo Galilei, egy ragyogó olasz csillagász és fizikus, aki 1564 és 1642 között élt, kísérletezett és elemezte a testek mozgását.

A Galileo egyik megfigyelése szerint egy test, amely egy sima és csiszolt felületen csúszik egy bizonyos kezdeti impulzussal, hosszabb ideig tart megállni, és több egyenes vonalban halad, mivel a test és a felület közötti súrlódás kisebb.

Nyilvánvaló, hogy Galileo kezeli a tehetetlenség gondolatát, ám nem azért jött, hogy olyan pontos állítást fogalmazzon meg, mint Newton.

Az alábbiakban néhány egyszerű kísérletet javasolunk, amelyeket az olvasó végrehajthat és megerősíthet az eredményekkel. A megfigyeléseket a mozgás arisztotelészi nézete és a newtoni nézet szerint is elemezzük.

Inertia kísérletek

1. kísérlet

A dobozt meghajtják a padlóra, majd a hajtóerőt felfüggesztik. Megfigyeljük, hogy a doboz rövid utat hajt meg, amíg meg nem áll.

Értelmezzük az előző kísérletet és annak eredményét a Newton előtti elméletek keretein belül, majd az első törvény szerint.

Az arisztotelészi látomásban a magyarázat nagyon világos volt: a doboz leállt, mert az azt mozgató erő felfüggesztette.

Newtoni látásmódban a doboz a talajon / talajon nem folytathatja a mozgást olyan sebességgel, amellyel abban az pillanatban volt, amikor az erőt felfüggesztették, mert a padló és a doboz között kiegyensúlyozatlan erő van, amelynek következtében a sebesség csökken, amíg a doboz megáll. Ez a súrlódó erő.

Ebben a kísérletben a Newton első törvényének feltételei nem teljesülnek, tehát a doboz leállt.

2. kísérlet

Megint ez a doboz a földön / földön. Ezzel a lehetőséggel fennmarad a dobozra eső erő úgy, hogy ellensúlyozza vagy kiegyensúlyozza a súrlódási erőt. Ez akkor történik, amikor megkapjuk a dobozt állandó sebességgel és egyenes irányba.

Ez a kísérlet nem ellentmond a mozgás arisztotelészi nézetének: a doboz állandó sebességgel mozog, mert erre hat az erő.

Ez sem ellentmond a Newton megközelítésének, mivel a dobozon működő összes erő kiegyensúlyozott. Lássuk:

• Vízszintes irányban a dobozra kifejtett erő egyenlő, és ellentétes a doboz és a padló közötti súrlódási erővel.
• Tehát a nettó erő vízszintes irányban nulla, ezért tartja a doboz sebességét és irányát.

A függőleges irányban is az erők kiegyensúlyozottak, mivel a doboz súlyát, amely függőlegesen lefelé mutat, erre pontosan kompenzálja az érintkezési (vagy normál) erő, amelyet a talaj a dobozra függőlegesen felfelé gyakorol.

Egyébként a doboz súlyát a Föld gravitációs vonzása okozza.

3. kísérlet

Folytatjuk a dobozt a padlón pihenve. Függőleges irányban az erők kiegyensúlyozottak, azaz a nettó függőleges erő nulla. Természetesen nagyon meglepő lenne, ha a doboz felfelé mozog. De vízszintes irányban van súrlódási erő.

Most, hogy teljesüljön a Newton első törvényének előfeltétele, csökkentenünk kell a súrlódást annak minimális kifejezésére. Ez meglehetősen durván elérhető, ha nagyon sima felületet keresünk, amelyre szilikonolajat permetezzünk.

Mivel a szilikonolaj szinte nullára csökkenti a súrlódást, tehát ha ezt a dobozt vízszintesen dobják, akkor hosszú ideig megőrzik sebességét és irányát.

Ugyanaz a jelenség, mint egy korcsolyázónak a jégpályán, vagy a jégkorongkorongnak, amikor önmagukban meghajtják és elengedik őket.

A leírt helyzetekben, amikor a súrlódás szinte nullára csökken, az eredő erő gyakorlatilag nulla, és a tárgy fenntartja sebességét, Newton első törvényének megfelelően.

Arisztotelészi vélemény szerint ez nem történt meg, mert e naiv elmélet szerint a mozgás csak akkor következik be, ha a mozgó tárgyra nettó erő van.

A befagyott felület nagyon alacsony súrlódásnak tekinthető. Forrás: Pixabay.

Newton első törvényének magyarázata

Tehetetlenség és tömeg

A tömeg egy fizikai mennyiség, amely jelzi az anyag mennyiségét, amelyet egy test vagy tárgy tartalmaz.

A mise akkor az anyag belső tulajdonsága. Az anyag atomokból áll, amelyek tömege van. Az atom tömege a magban koncentrálódik. Az atom és az anyag tömegét a magban lévő protonok és neutronok határozzák meg.

A tömeget általában kilogrammban (kg) mérik, ez a Nemzetközi Egységrendszer (SI) alapegysége.

A kg prototípusa vagy referenciája egy platina- és irídiumhenger, amelyet a franciaországi Sèvres-i Nemzetközi Súly- és Mérőhivatalban tartanak, bár 2018-ban összekapcsolták a Planck-állandóval, és az új meghatározás 2019. május 20.

Nos, előfordul, hogy a tehetetlenség és a tömeg összefüggenek. Minél nagyobb a tömeg, annál nagyobb a tehetetlensége. Az energia szempontjából sokkal nehezebb vagy költségesebb megváltoztatni egy masszív objektum mozgási állapotát, mint egy kevésbé masszív.

Példa

Például sokkal több erőre és sokkal több munkára van szükség egy tonnás (1000 kg) doboz felemeléséhez, mint egy kilogrammos (1 kg) doboz. Ezért gyakran mondják, hogy az elsőnek nagyobb tehetetlensége van, mint a másodiknak.

A tehetetlenség és a tömeg közötti kapcsolat miatt Newton rájött, hogy önmagában a sebesség nem reprezentatív a mozgás állapotára. Ezért határozta meg egy impulzusnak vagy lendületnek nevezett mennyiséget, amelyet p betű jelöl, és amely az m tömeg és a v sebesség szorzata:

p = m v

A p-ben és v-ben félkövér betűkkel jelzik, hogy vektor-fizikai mennyiségek, vagyis nagysággal, iránygal és értelemben vett mennyiségek.

Másrészt, az m tömeg egy skaláris mennyiség, amelyhez egy olyan számot rendelnek, amely lehet nullával nagyobb vagy azzal egyenlő, de soha nem negatív. Eddig nem találtak negatív tömegű tárgyat az ismert világegyetemben.

Newton a képzeletét és az absztrakcióját szélsőségesre vette, meghatározva az úgynevezett szabad részecskét. A részecske lényeges pont. Vagyis olyan, mint egy matematikai pont, de tömeggel:

A szabad részecske az a részecske, amely annyira elszigetelten van, olyan távol a univerzum másik tárgyától, hogy semmi sem gyakorolhat semmiféle kölcsönhatást vagy erőt erre.

Később Newton meghatározta a tehetetlenségi referenciarendszereket, amelyekre a három mozgási törvény alkalmazandó. Íme a következő fogalommeghatározások:

Inerciális referenciarendszer

Bármely koordinált rendszer, amely egy szabad részecskéhez kapcsolódik, vagy amely állandó sebességgel mozog a szabad részecskéhez viszonyítva, inerciális referenciarendszer lesz.

Newton első törvénye (tehetetlenségi törvény)

Ha egy részecske szabad, akkor állandó lendülete van egy tehetetlenségi referenciakerethez képest.

Newton első törvénye és lendülete. Forrás: saját készítésű.

Megoldott gyakorlatok

1. Feladat

Egy 160 gramm jégkorong-korong a jégpályán megy 3 km / h sebességgel. Keresse meg lendületét.

Megoldás

A korong tömege kilogrammban: m = 0.160 kg.

Sebesség méterben másodpercenként: v = (3 / 3,6) m / s = 0,8333 m / s

A p mozgás vagy lendület mennyiségét a következőképpen kell kiszámítani: p = m * v = 0,1333 kg * m / s,

2. gyakorlat

Az első korong súrlódása nullának tekinthető, tehát a lendület megmarad, amíg semmi nem változtatja meg a korong egyenes irányát. Ismert azonban, hogy két erő hat a tárcsára: a tárcsa súlya és az érintkezési vagy normál erő, amelyet a padló rá gyakorol.

Számítsa ki a normál erő értékét newtonban és annak irányát.

Megoldás

Mivel a lendület megmarad, a jégkorongkorongot eredményezõ erõnek nullának kell lennie. A súly függőlegesen lefelé mutat és érvényes: P = m * g = 0,16 kg * 9,81 m / s²

A normál erőnek feltétlenül ellensúlyoznia kell a súlyt, tehát függőlegesen felfelé kell mutatnia, és nagysága 1,57 N.

Érdekes cikkek

Példák Newton-törvényre a valós életben.

Irodalom

1. Alonso M., Finn E. Fizika I. kötet: Mechanika. 1970. Fondo Educativo Interamericano SA
2. Hewitt, P. Fogalmi fizikai tudomány. Ötödik kiadás. Pearson. 67-74.
3. Fiatal, Hugh. Egyetemi fizika modern fizikával. 14. kiadás, Pearson. 105-107.