ПЪРВИЯТ ЗАКОН НА НЮТОН: ФОРМУЛИ, ЕКСПЕРИМЕНТИ И УПРАЖНЕНИЯ - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

В първия закон на Нютон, известен също като закона на инерцията, за първи път е предложен от Исак Нютон, физик, философ, теолог, английски изобретател и алхимик. Този закон гласи следното: „Ако даден обект не е подложен на някаква сила или ако силите, действащи върху него, се отменят една друга, тогава той ще продължи да се движи с постоянна скорост по права линия.“

В това изявление ключовата дума е ще продължи. Ако помещенията на закона са изпълнени, тогава обектът ще продължи с движението си, както е имал. Освен ако не се появи небалансирана сила и не промени състоянието на движение.

Обяснение на първия закон на Нютон. Източник: самостоятелно направен.

Това означава, че ако обектът е в покой, той ще продължи да почива, освен ако сила го извади от това състояние. Това също означава, че ако даден обект се движи с фиксирана скорост в права посока, той ще продължи да се движи по този начин. Той ще се промени само когато някой външен агент упражнява сила върху него и промени скоростта си.

Основи на закона

Исак Нютон е роден в имението Вулсторп (Обединеното кралство) на 4 януари 1643 г. и умира в Лондон през 1727 година.

Точната дата, когато сър Исак Нютон откри трите си закона на динамиката, включително и първия закон, не се знае със сигурност. Но е известно, че е било много преди публикуването на известната книга Математически принципи на естествената философия, на 5 юли 1687 г.

Речникът на Кралската испанска академия определя думата инерция, както следва:

„Собственост на органите да поддържат своето състояние на покой или движение, ако не чрез действието на сила“.

Този термин се използва и за потвърждаване, че всяка ситуация остава непроменена, защото не са положени усилия за нейното постигане, следователно понякога думата инерция има конотация на рутина или мързел.

Преднеютонският изглед

Преди Нютон преобладаващите идеи бяха тези на големия гръцки философ Аристотел, който потвърди, че за да може да се поддържа обект в движение, върху него трябва да действа сила. Когато силата престане, тогава ще стане и движението. Не е така, но дори и днес мнозина смятат така.

Галилео Галилей, блестящ италиански астроном и физик, живял между 1564 и 1642 г., експериментира и анализира движението на телата.

Едно от наблюденията на Галилей беше, че тялото, което се плъзга по гладка и полирана повърхност с определен първоначален импулс, отнема повече време, за да спре и има по-дълъг ход по права линия, тъй като триенето между тялото и повърхността е по-малко.

Видно е, че Галилео се справи с идеята за инерцията, но не стигна до формулирането на изявление толкова точно, колкото Нютон.

По-долу предлагаме няколко прости експеримента, с които читателят може да извърши и потвърди резултатите. Наблюденията също ще бъдат анализирани според аристотелевския възглед за движението и Нютоновия възглед.

Инерционни експерименти

Експеримент 1

На пода се задвижва кутия и след това движещата сила се спира. Ние наблюдаваме, че кутията изминава кратка пътека, докато спре.

Нека интерпретираме предишния експеримент и неговия резултат в рамките на теориите преди Нютон и след това според първия закон.

В аристотеловата визия обяснението беше много ясно: кутията спря, защото силата, която я движеше, бе окачена.

В Нютоновата визия кутията на пода / земята не може да продължи да се движи със скоростта, която имаше в момента, в който силата беше спряна, тъй като между пода и кутията има небалансирана сила, която води до намаляване на скоростта до кутия спира. Това е силата на триене.

В този експеримент помещенията на първия закон на Нютон не са изпълнени, така че кутията спря.

Експеримент 2

Отново това е кутията на пода / земята. При тази възможност силата върху кутията се поддържа по такъв начин, че да компенсира или балансира силата на триене. Това се случва, когато получим кутията да следваме с постоянна скорост и в права посока.

Този експеримент не противоречи на аристотеловата гледна точка за движението: кутията се движи с постоянна скорост, защото върху нея се упражнява сила.

Той също не противоречи на подхода на Нютон, защото всички сили, действащи върху кутията, са балансирани. Да видим:

• В хоризонтална посока силата, упражнена върху кутията, е равна и в обратна посока на силата на триене между кутията и пода.
• Така че нетната сила в хоризонтална посока е нула, затова кутията поддържа своята скорост и посока.

Също така във вертикална посока силите са балансирани, защото теглото на кутията, което е сила, насочена вертикално надолу, се компенсира точно от контактната (или нормалната) сила, която земята упражнява върху кутията вертикално нагоре.

Между другото, теглото на кутията се дължи на гравитационното дърпане на Земята.

Експеримент 3

Продължаваме с кутията, опираща се на пода. Във вертикална посока силите са балансирани, тоест нетната вертикална сила е нула. Със сигурност би било много изненадващо, ако кутията се придвижи нагоре. Но в хоризонтална посока има сила на триене.

Сега, за да бъде изпълнена предпоставката на първия закон на Нютон, трябва да намалим триенето до неговия минимален израз. Това може да се постигне доста грубо, ако търсим много гладка повърхност, върху която пръскаме силиконово масло.

Тъй като силиконовото масло намалява триенето до почти нула, така че когато тази кутия се хвърли хоризонтално, тя ще поддържа скоростта и посоката си за дълго време.

Това е същото явление, което се случва със скейтър на ледена пързалка или със шайбата за хокей на лед, когато те се задвижват и пускат самостоятелно.

В описаните ситуации, при които триенето се намалява почти до нула, получената сила на практика е нулева и обектът поддържа скоростта си, според първия закон на Нютон.

Според Аристотелев това не би могло да се случи, тъй като според тази наивна теория движението възниква само когато върху движещия се обект има нетна сила.

Замразената повърхност може да се счита за много ниско триене. Източник: Pixabay

Първото обяснение на закона на Нютон

Инерция и маса

Масата е физическо количество, което показва количеството материя, което съдържа тяло или предмет.

Масата тогава е присъщо свойство на материята. Но материята е изградена от атоми, които имат маса. Масата на атома е концентрирана в ядрото. Именно протоните и неутроните в ядрото на практика определят масата на атома и материята.

Масата обикновено се измерва в килограми (кг), тя е основната единица на Международната система от единици (SI).

Прототипът или референцията на кг е платинен и иридиев цилиндър, който се съхранява в Международното бюро за тежести и мерки в Севр във Франция, въпреки че през 2018 г. той е свързан с константата на Планк и новото определение влиза в сила от 20 май 2019 г.

Е, случва се инерцията и масата да са свързани. Колкото по-голяма е масата, толкова по-голяма инерция има един обект. Много по-трудно или скъпо е от гледна точка на енергията да промените състоянието на движение на по-масивен обект от по-малко масивния.

пример

Например, отнемате много повече сила и много повече работа, за да повдигнете еднотонна (1000 кг) кутия от почивка, отколкото еднокилограмова (1 кг) кутия. Ето защо често се казва, че първата има повече инерция от втората.

Поради връзката между инерцията и масата, Нютон осъзна, че скоростта сама по себе си не е представителна за състоянието на движение. Ето защо той определи количество, известно като импулс или импулс, което се обозначава с буквата p и е произведение на масата m и скоростта v:

p = m v

Удебеленото в p и v показва, че те са векторни физически величини, тоест са величини с величина, посока и смисъл.

От друга страна, масата m е скаларно количество, на което е присвоено число, което може да бъде по-голямо или равно на нула, но никога отрицателно. Засега в известната вселена не е открит нито един обект с отрицателна маса.

Нютон изведе въображението и абстракцията си до крайност, определяйки така наречената свободна частица. Частицата е материална точка. Тоест, това е като математическа точка, но с маса:

Свободна частица е онази частица, която е толкова изолирана, толкова далеч от друг обект във Вселената, че нищо не може да упражнява никакво взаимодействие или сила върху нея.

По-късно Нютон продължи да определя инерционните референтни системи, които ще бъдат тези, в които се прилагат трите му закона за движение. Ето определенията според тези понятия:

Инерциална референтна система

Всяка координатна система, прикрепена към свободна частица или която се движи с постоянна скорост по отношение на свободната частица, ще бъде инерционна референтна система.

Първият закон на Нютон (инерционен закон)

Ако една частица е свободна, тя има постоянен импулс по отношение на инерциална референтна рамка.

Първият закон и инерция на Нютон. Източник: самостоятелно направен.

Решени упражнения

Упражнение 1

160-градусова шайба за хокей върви по ледената пързалка със скорост 3 км / ч. Намерете своя инерция.

Решение

Масата на диска в килограми е: m = 0,160 kg.

Скорост в метри за секунда: v = (3 / 3.6) m / s = 0.8333 m / s

Количеството движение или импулс p се изчислява, както следва: p = m * v = 0,1333 kg * m / s,

Упражнение 2

Триенето в предния диск се счита за нула, така че инерцията се запазва, стига нищо да не променя правия ход на диска. Известно е обаче, че върху диска действат две сили: теглото на диска и контактната или нормалната сила, която пода упражнява върху него.

Изчислете стойността на нормалната сила в нютони и нейната посока.

Решение

Тъй като инерцията е запазена, резултатната сила върху шайбата за хокей трябва да е нула. Теглото сочи вертикално надолу и е валидно: P = m * g = 0,16 kg * 9,81 m / s²

Нормалната сила задължително трябва да противодейства на теглото, така че тя трябва да сочи вертикално нагоре и нейната величина ще бъде 1,57 N.

Предмети за интерес

Примери на закона на Нютон в реалния живот.

Препратки

1. Алонсо М., Фин Е. Физика том I: Механика. 1970. Fondo Educativo Interamericano SA
2. Хюит, П. Концептуална физическа наука. Пето издание. Пиърсън. 67-74.
3. Млад, Хю. Университетска физика със съвременна физика. 14-ти изд. Пирсън. 105-107.