PIRMASIS NIUTONO DĖSNIS: FORMULĖS, EKSPERIMENTAI IR PRATIMAI - FIZINIS - 2025

Pirmasis įstatymas Newton , taip pat žinomas kaip inercijos dėsnis, pirmą kartą buvo pasiūlytas Isaac Newton, fizikas, matematikas, filosofas, teologas, anglų išradėjas ir alchemikas. Šis įstatymas skelbia taip: "Jei objektas nėra veikiamas jokios jėgos arba jei jį veikiančios jėgos panaikina viena kitą, jis toliau judės pastoviu greičiu tiesia linija".

Šiame teiginyje raktinis žodis bus tęsiamas. Jei įstatymo sąlygos bus įvykdytos, tada objektas toliau judės taip, kaip turėjo. Nebent atsirastų nesubalansuotos jėgos ir nepakeistų judesio būsenos.

Pirmojo Niutono dėsnio paaiškinimas. Šaltinis: pačių sukurtas.

Tai reiškia, kad jei objektas yra ramybėje, jis ir toliau ilsėsis, išskyrus tuos atvejus, kai jėga jį išstums iš tokios būsenos. Tai taip pat reiškia, kad jei objektas juda fiksuotu greičiu tiesia kryptimi, jis ir toliau judės tuo keliu. Jis pasikeis tik tada, kai koks nors išorinis agentas paspaus jį jėga ir pakeis jo greitį.

Teisės pagrindai

Isaacas Newtonas gimė 1643 m. Sausio 4 d. Woolsthorpe dvare (Jungtinė Karalystė) ir mirė 1727 m. Londone.

Tiksli data, kada seras Izaokas Niutonas atrado savo tris dinamikos dėsnius, įskaitant pirmąjį, nėra tiksliai žinoma. Bet žinoma, kad tai buvo dar ilgai prieš garsiosios knygos „Matematiniai gamtos filosofijos principai“ išleidimą, 1687 m. Liepos 5 d.

Ispanijos karališkosios akademijos žodynas apibūdina žodį inercija taip:

"Kūnų savybė palaikyti ramybės ar judėjimo būseną, jei ne jėga."

Šis terminas taip pat vartojamas siekiant patvirtinti, kad bet kuri situacija nesikeičia, nes nebuvo stengiamasi jos pasiekti, todėl kartais žodis inercija turi rutinos ar tinginystės konotaciją.

Išankstinis Niutono požiūris

Iki Niutono vyravo didžiojo graikų filosofo Aristotelio idėjos, kurios tvirtino, kad tam, kad objektas galėtų judėti, tam turi veikti jėga. Kai jėga nustos veikti, tada ir judesys. Ne taip, bet net ir šiandien daugelis taip galvoja.

Galileo Galilei, žymus italų astronomas ir fizikas, gyvenęs nuo 1564 iki 1642 m., Eksperimentavo ir analizavo kūnų judėjimą.

Vienas iš „Galileo“ pastebėjimų buvo tas, kad kūnas, slystantis lygiu ir poliruotu paviršiumi su tam tikru pradiniu impulsu, sustoti užtrunka ilgiau ir turi ilgesnę kelionę tiesia linija, nes trintis tarp kūno ir paviršiaus yra mažesnė.

Akivaizdu, kad „Galileo“ įgyvendino inercijos idėją, tačiau jis neatėjo suformuluoti tokio tikslaus teiginio kaip Niutonas.

Žemiau siūlome keletą paprastų eksperimentų, kuriuos skaitytojas gali atlikti ir patvirtinti rezultatus. Stebėjimai taip pat bus analizuojami pagal aristotelišką judesio ir Niutono požiūrį.

Inercijos eksperimentai

1 eksperimentas

Ant grindų stumiama dėžė, tada varomoji jėga sustabdoma. Stebime, kad dėžutė eina trumpu keliu, kol sustos.

Interpretuokime ankstesnį eksperimentą ir jo rezultatą teorijų rėmuose prieš Niutoną ir tada pagal pirmąjį dėsnį.

Aristotelio vizijoje paaiškinimas buvo labai aiškus: dėžė sustojo, nes ją pajudinusi jėga buvo sustabdyta.

Niutono regėjime dėžutė ant grindų / žemės negali judėti tokiu greičiu, kokiu ji buvo tuo metu, kai jėga buvo sustabdyta, nes tarp grindų ir dėžutės yra nesubalansuota jėga, dėl kurios greitis mažėja, kol dėžutė sustoja. Tai trinties jėga.

Šiame eksperimente pirmosios Newtono įstatymo nuostatos nėra įvykdytos, todėl dėžutė sustojo.

2 eksperimentas

Vėl tai dėžutė ant grindų / žemės. Šia galimybe palaikoma dėžutės jėga taip, kad ji kompensuotų ar subalansuotų trinties jėgą. Tai atsitinka, kai mes gauname langelį sekti pastoviu greičiu ir tiesia kryptimi.

Šis eksperimentas neprieštarauja aristoteliškam judėjimo vaizdui: dėžė juda pastoviu greičiu, nes į ją yra nukreipta jėga.

Tai taip pat neprieštarauja Niutono požiūriui, nes visos dėžėje veikiančios jėgos yra subalansuotos. Pažiūrėkime:

• Horizontalia kryptimi į dėžę nukreipta jėga yra lygi ir priešinga krypčiai nei trinties jėga tarp dėžutės ir grindų.
• Taigi grynoji jėga horizontalia kryptimi yra lygi nuliui, todėl dėžutė išlaiko greitį ir kryptį.

Taip pat vertikalia kryptimi jėgos yra subalansuotos, nes dėžutės, kuri yra jėga, nukreipta vertikaliai žemyn, svorį tiksliai kompensuoja kontaktinė (arba normali) jėga, kurią žemė daro ant dėžutės vertikaliai aukštyn.

Beje, dėžutės svoris susidarė dėl Žemės gravitacinio traukos.

3 eksperimentas

Mes tęsiame dėžę, gulinčią ant grindų. Vertikalia kryptimi jėgos yra subalansuotos, tai yra, grynoji vertikali jėga yra lygi nuliui. Be abejo, labai nustebtų, jei dėžutė judėtų aukštyn. Bet horizontalia kryptimi yra trinties jėga.

Dabar, kad būtų įvykdyta pirmojo Niutono dėsnio prielaida, turime sumažinti trintį iki minimalios jo išraiškos. Tai galima pasiekti gana apytiksliai, jei ieškome labai lygaus paviršiaus, į kurį purškiame silikono aliejų.

Kadangi silikono aliejus sumažina trintį iki beveik nulio, todėl, kai ši dėžė bus išmesta horizontaliai, ji ilgą laiką išlaikys greitį ir kryptį.

Tai tas pats reiškinys, kuris pasireiškia su čiuožėjais ant ledo aikštės arba su ledo ritulio rituliu, kai jie patys varomi ir paleidžiami.

Apibūdintose situacijose, kai trintis sumažinama beveik iki nulio, susidaranti jėga yra praktiškai lygi nuliui, o objektas palaiko greitį, pagal pirmąjį Niutono dėsnį.

Aristotelio požiūriu tai negalėjo įvykti, nes pagal šią naivią teoriją judesys įvyksta tik tada, kai judančiame objekte yra grynoji jėga.

Užšalęs paviršius gali būti laikomas labai maža trintimi. Šaltinis: „Pixabay“.

Niutono pirmasis įstatymo paaiškinimas

Inercija ir masė

Masė yra fizinis dydis, nurodantis medžiagos kiekį, kurį turi kūnas ar daiktas.

Mišios tada yra esminė materijos savybė. Bet materiją sudaro atomai, kurie turi masę. Atomo masė yra sukoncentruota branduolyje. Būtent protonai ir neutronai branduolyje praktiškai nusako atomo ir materijos masę.

Masė paprastai matuojama kilogramais (kg), tai yra pagrindinis Tarptautinės vienetų sistemos (SI) vienetas.

Kg prototipas arba nuoroda yra platinos ir iridžio cilindras, laikomas Tarptautiniame svorio ir matmenų biure Sèvres mieste Prancūzijoje, nors 2018 m. Jis buvo susietas su Planko konstanta ir naujas apibrėžimas įsigalioja nuo 2019 m. Gegužės 20 d.

Na, atsitinka, kad inercija ir masė yra susijusios. Kuo didesnė masė, tuo didesnė objekto inercija. Energijos požiūriu daug sunkiau arba brangiau pakeisti masyvesnio objekto, nei mažiau masyvaus, judesio būseną.

Pavyzdys

Pavyzdžiui, norint pakelti vienos tonos (1000 kg) dėžę iš poilsio reikia daug daugiau jėgų ir daug daugiau darbo, nei vieno kilogramo (1 kg) dėžutė. Štai kodėl dažnai sakoma, kad pirmasis turi daugiau inercijos, nei antrasis.

Dėl inercijos ir masės santykio Niutonas suprato, kad vien greitis neatspindi judesio būklės. Štai kodėl jis apibrėžė dydį, žinomą kaip impulsas arba impulsas, žymimas raide p ir yra m masės bei greičio v sandauga :

p = m v

Paryškintos raidės p ir v rodo, kad jie yra fizikiniai vektoriaus dydžiai, tai yra, dydžiai, kurių dydis, kryptis ir prasmė.

Kita vertus, m masė yra skaliarinis dydis, kuriam priskiriamas skaičius, kuris gali būti didesnis arba lygus nuliui, bet niekada nėra neigiamas. Iki šiol žinomoje visatoje nebuvo rastas neigiamos masės objektas.

Niutonas perėmė savo vaizduotę ir abstrakciją į kraštutinumą, apibrėždamas taip vadinamą laisvą dalelę. Dalelė yra materialus taškas. T. y., Tai tarsi matematinis taškas, bet su mase:

Laisva dalelė yra ta dalelė, kuri yra tokia izoliuota taip toli nuo kito visatos objekto, kad niekas negali įtakoti jokios sąveikos ar jėgos.

Vėliau Newtonas apibrėžė inercines atskaitos sistemas, kuriose bus taikomi trys jo judėjimo dėsniai. Čia pateikiami apibrėžimai pagal šias sąvokas:

Inercinė atskaitos sistema

Bet kuri koordinačių sistema, pritvirtinta prie laisvosios dalelės arba kuri juda pastoviu greičiu laisvosios dalelės atžvilgiu, bus inercinė atskaitos sistema.

Pirmasis Niutono dėsnis (inercijos dėsnis)

Jei dalelė yra laisva, tada ji turi pastovų impulsą inercinio atskaitos rėmo atžvilgiu.

Pirmasis Niutono dėsnis ir pagreitis. Šaltinis: pačių sukurtas.

Išspręsta mankšta

1 pratimas

160 gramų ritulio ritulys eina ant ledo aikštės 3 km / h greičiu. Raskite jo pagreitį.

Sprendimas

Disko masė kilogramais yra: m = 0,160 kg.

Greitis metrais per sekundę: v = (3 / 3,6) m / s = 0,8333 m / s

Judėjimo arba impulsų p dydis apskaičiuojamas taip: p = m * v = 0,13333 kg * m / s,

2 pratimas

Frikcija priekiniame diske laikoma nuline, todėl impulsas išlieka tol, kol niekas nepakeičia tiesios disko eigos. Tačiau yra žinoma, kad diską veikia dvi jėgos: disko svoris ir sąlyčio arba normalioji jėga, kurią grindys veikia.

Apskaičiuokite normaliosios jėgos reikšmę niutonais ir jos kryptį.

Sprendimas

Kadangi impulsas yra išsaugotas, ledo ritulio ritulio sukuriama jėga turi būti lygi nuliui. Svoris nukreiptas vertikaliai žemyn ir galioja: P = m * g = 0,16 kg * 9,81 m / s²

Įprasta jėga būtinai turi neutralizuoti svorį, todėl ji turi būti nukreipta vertikaliai aukštyn ir jos dydis bus 1,57 N.

Dominantys straipsniai

Niutono dėsnio pavyzdžiai realiame gyvenime.

Nuorodos

1. Alonso M., Finn E. Fizikos I tomas: mechanika. 1970 m. „Fondo Educativo Interamericano SA“
2. Hewitt, P. Konceptualusis fizikos mokslas. Penktas leidimas. Pearsonas. 67–74.
3. Jaunas, Hugh. Universiteto fizika su šiuolaikine fizika. 14-asis Ed Pearsonas. 105-107.