ПЕРШИЙ ЗАКОН НЬЮТОНА: ФОРМУЛИ, ЕКСПЕРИМЕНТИ ТА ВПРАВИ - ФІЗИЧНІ - 2025

Перший закон Ньютона , також відомий як закон інерції, вперше був запропонований Ісаак Ньютон, фізик, математик, філософ, богослов, англійський винахідник і алхіміка. У цьому законі зазначено наступне: "Якщо об'єкт не піддається будь-якій силі або якщо сили, що діють на нього, скасовують одне одного, то він продовжуватиме рухатися з постійною швидкістю по прямій лінії".

У цьому вислові ключове слово буде продовжено. Якщо приміщення закону виконано, то об’єкт продовжить свій рух таким, яким він мав. Якщо не з'являється неврівноважена сила і не змінить стан руху.

Пояснення першого закону Ньютона. Джерело: саморобний.

Це означає, що якщо об’єкт знаходиться в спокої, він продовжує відпочивати, за винятком випадків, коли сила виводить його з цього стану. Це також означає, що якщо об’єкт рухається з фіксованою швидкістю в прямому напрямку, він продовжуватиме рухатися таким чином. Це зміниться лише тоді, коли якийсь зовнішній агент чинить на нього силу і змінює свою швидкість.

Передумови закону

Ісаак Ньютон народився в садибі Вулсторп (Великобританія) 4 січня 1643 року і помер у Лондоні в 1727 році.

Точна дата, коли сер Ісаак Ньютон виявив свої три закони динаміки, включаючи перший закон, не відомо з певністю. Але відомо, що це було задовго до виходу відомої книги "Математичні засади натурфілософії", 5 липня 1687 року.

Словник Королівської іспанської академії визначає слово інерції таким чином:

"Властивість органів підтримувати свій стан спокою чи руху, якщо не діями сили".

Цей термін також використовується для підтвердження того, що будь-яка ситуація залишається незмінною, оскільки не було докладено жодних зусиль для її досягнення, тому іноді слово інерція має відбиток рутини чи ліні.

Передньютонівський погляд

До Ньютона переважали ідеї великого грецького філософа Арістотеля, який стверджував, що для того, щоб об'єкт тримати в русі, на нього повинна діяти сила. Коли сила припиняється, тоді і рух буде таким. Не так, але навіть сьогодні багато хто так думає.

Галілей Галілей, геніальний італійський астроном і фізик, який жив між 1564 і 1642 роками, експериментував і аналізував рух тіл.

Одним із спостережень Галілея було те, що тіло, яке ковзає по гладкій та відполірованій поверхні з певним початковим імпульсом, займає більше часу, щоб зупинитися, і має більше руху по прямій лінії, оскільки тертя між тілом і поверхнею менше.

Очевидно, що Галілей керувався ідеєю інерції, але він не прийшов сформулювати твердження так точно, як Ньютон.

Нижче ми пропонуємо кілька простих експериментів, за допомогою яких читач може провести та підтвердити результати. Спостереження також будуть проаналізовані відповідно до арістотелівського погляду на рух та ньютонівського погляду.

Експерименти з інерцією

Експеримент 1

Коробка висувається на підлогу, після чого рушійна сила припиняється. Ми спостерігаємо, що коробка проходить коротку стежку, поки не зупиниться.

Інтерпретуємо попередній експеримент та його результат у рамках теорій перед Ньютоном, а потім відповідно до першого закону.

В арістотелівському баченні пояснення було дуже зрозумілим: ящик зупинився, оскільки сила, що рухала його, була призупинена.

У ньютонівському баченні ящик на підлозі / землі не може продовжувати рухатися зі швидкістю, яку він мав у момент припинення дії сили, оскільки між підлогою та коробкою виникає неврівноважена сила, що призводить до зменшення швидкості до коробка зупиняється. Це сила тертя.

У цьому експерименті приміщення першого закону Ньютона не виконані, тому ящик зупинився.

Експеримент 2

Знову це коробка на підлозі / землі. У цій можливості сила на коробці підтримується таким чином, щоб вона компенсувала або врівноважувала силу тертя. Це відбувається, коли ми отримуємо коробку, щоб слідкувати з постійною швидкістю і в прямому напрямку.

Цей експеримент не суперечить арістотелівському погляду на рух: ящик рухається з постійною швидкістю, оскільки на нього діє сила.

Це також не суперечить підходу Ньютона, оскільки всі сили, що діють на коробку, врівноважені. Подивимось:

• У горизонтальному напрямку сила, що чиниться на коробку, дорівнює і в зворотному напрямку силі тертя між коробкою і підлогою.
• Тож сила сітки в горизонтальному напрямку дорівнює нулю, тому коробка підтримує свою швидкість і напрямок.

Також у вертикальному напрямку сили врівноважуються, оскільки вага коробки, яка є силою, спрямована вертикально вниз, точно компенсується контактною (або нормальною) силою, яку земля чинить на коробку вертикально вгору.

До речі, вага ящика обумовлений гравітаційним потягом Землі.

Експеримент 3

Продовжуємо, лежачи на підлозі ящик. У вертикальному напрямку сили врівноважені, тобто чиста вертикальна сила дорівнює нулю. Звичайно, це було б дуже дивно, якби коробка рухалася вгору. Але в горизонтальному напрямку діє сила тертя.

Тепер, щоб передумови першого закону Ньютона були виконані, нам потрібно звести тертя до його мінімального вираження. Цього можна досягти досить приблизно, якщо шукати дуже гладку поверхню, на яку ми розбризкуємо силіконове масло.

Оскільки силіконова олія знижує тертя майже до нуля, тож, коли цю коробку відкидають горизонтально, вона довго зберігатиме свою швидкість та напрямок.

Це те саме явище, яке відбувається з фігуристкою на ковзанці або з шайбою з хокею, коли вони приводяться в рух і звільняються самостійно.

У описаних ситуаціях, в яких тертя знижується майже до нуля, результуюча сила практично дорівнює нулю, і об'єкт підтримує свою швидкість, згідно з першим законом Ньютона.

На арістотелівський погляд цього не могло статися, оскільки згідно з цією наївною теорією рух відбувається лише тоді, коли на рухомий об’єкт діє чиста сила.

Замерзлу поверхню можна вважати дуже низьким тертям. Джерело: Pixabay.

Перше пояснення закону Ньютона

Інертність і маса

Маса - це фізична величина, яка вказує на кількість речовини, яке містить тіло або предмет.

Маса тоді є внутрішньою властивістю матерії. Але матерія складається з атомів, які мають масу. Маса атома зосереджена в ядрі. Саме протони і нейтрони в ядрі практично визначають масу атома і речовини.

Маса, як правило, вимірюється в кілограмах (кг), це основна одиниця Міжнародної системи одиниць (СІ).

Прототип або посилання на кг - це платиновий і іридієвий циліндр, який зберігається в Міжнародному бюро ваг і мір в Севрі у Франції, хоча в 2018 році він був пов'язаний з постійною Планка, і нове визначення набуває чинності з 20 травня 2019 року.

Ну, буває, що інерція та маса пов'язані. Чим більша маса, тим більшу інертність має предмет. Енергетично змінити стан руху більш масивного об'єкта набагато складніше або витратніше, ніж менш масивного.

Приклад

Наприклад, для підйому однотонної коробки (1000 кг) з відпочинку, ніж для одного кілограма (1 кг), потрібно набагато більше сил і набагато більше роботи. Ось чому часто кажуть, що перший має більше інерційності, ніж другий.

Завдяки взаємозв'язку між інерцією та масою, Ньютон зрозумів, що швидкість одна не є репрезентативною для стану руху. Ось чому він визначив величину, відому як імпульс або імпульс, що позначається буквою p і є добутком маси m та швидкості v :

p = m v

Жирне значення p і v вказують на те, що вони є векторними фізичними величинами, тобто це величини з величиною, напрямком і сенсом.

З іншого боку, маса m - скалярна величина, якій присвоюється число, яке може бути більшим або рівним нулю, але ніколи не від'ємне. Наразі у відомому Всесвіті не знайдено жодного об'єкта негативної маси.

Ньютон підніс свою фантазію та абстракцію до крайності, визначивши так звану вільну частинку. Частинка - матеріальна точка. Тобто це як математичний момент, але з масою:

Вільна частинка - це така частинка, яка є настільки ізольованою, настільки далекою від іншого предмета у Всесвіті, що ніщо не може на неї впливати ніякої взаємодії чи сили.

Пізніше Ньютон продовжував визначати інерційні системи відліку, які будуть тими, в яких застосовуються його три закони руху. Ось визначення за цими поняттями:

Інерціальна система відліку

Будь-яка система координат, приєднана до вільної частинки, або яка рухається з постійною швидкістю відносно вільної частинки, буде інерціальною системою відліку.

Перший закон Ньютона (закон інерції)

Якщо частинка вільна, то вона має постійний імпульс щодо інерціальної системи відліку.

Перший закон і імпульс Ньютона. Джерело: саморобний.

Розв’язані вправи

Вправа 1

Шайба з хокею на 160 грам їде на ковзанку зі швидкістю 3 км / год. Знайдіть його імпульс.

Рішення

Маса диска в кілограмах становить: m = 0,160 кг.

Швидкість у метрах за секунду: v = (3 / 3,6) м / с = 0,8333 м / с

Величина руху або імпульсу p обчислюється так: p = m * v = 0,1333 кг * м / с,

Вправа 2

Тертя в передньому диску вважається нульовим, тому імпульс зберігається до тих пір, поки нічого не змінить прямий хід диска. Однак відомо, що на диск діють дві сили: вага диска і контактна або нормальна сила, яку на нього чинить підлога.

Обчисліть значення нормальної сили в ньютонах та її напрямок.

Рішення

Оскільки імпульс зберігається, результативна сила на шайбу хокею повинна дорівнювати нулю. Вага вказує вертикально вниз і діє: P = m * g = 0,16 кг * 9,81 м / с²

Нормальна сила обов'язково повинна протидіяти вазі, тому вона повинна спрямовуватися вертикально вгору і її величина становитиме 1,57 Н.

Статті, що цікавлять

Приклади закону Ньютона в реальному житті.

Список літератури

1. Алонсо М., Фінн Е. Фізика том I: Механіка. 1970. Fondo Educativo Interamericano SA
2. Хьюїт, П. Концептуальна фізична наука. П’яте видання. Пірсон. 67-74.
3. Молодий, Х'ю. Університетська фізика із сучасною фізикою. 14-е видання Пірсона. 105-107.