NEWTONS FÖRSTA LAG: FORMLER, EXPERIMENT OCH ÖVNINGAR - FYSISK - 2025

Den första lagen i Newton , även känd som tröghetslagen, föreslogs först av Isaac Newton, fysiker, matematiker, filosof, teolog, engelsk uppfinnare och alkemist. Denna lag säger följande: "Om ett objekt inte utsätts för någon kraft, eller om krafterna som verkar på det avbryter varandra, kommer det att fortsätta att röra sig med konstant hastighet i en rak linje."

I detta uttalande kommer nyckelordet att fortsätta. Om lagens lokaler är uppfyllda kommer objektet att fortsätta med sin rörelse som det hade gjort. Om inte en obalanserad kraft visas och ändrar rörelsetillståndet.

Förklaring av Newtons första lag. Källa: självgjord.

Detta innebär att om objektet är i vila fortsätter det att vila, utom om en kraft tar ut det ur det tillståndet. Det betyder också att om ett objekt rör sig med en fast hastighet i en rak riktning, kommer det att fortsätta att röra sig så. Det kommer bara att ändras när någon extern agent utövar en kraft på den och ändrar hastigheten.

Lagens bakgrund

Isaac Newton föddes i Woolsthorpe Manor (Storbritannien) den 4 januari 1643 och dog i London 1727.

Det exakta datumet då Sir Isaac Newton upptäckte sina tre dynamiklagar, inklusive den första lagen, är inte känt med säkerhet. Men det är känt att det var länge innan publiceringen av den berömda boken Matematiska principer för naturfilosofi, den 5 juli 1687.

Ordboken för Royal Spanish Academy definierar ordet tröghet på följande sätt:

"Kropps egendom för att upprätthålla sitt vilotillstånd eller rörelse om inte genom en styrkans handling."

Detta begrepp används också för att bekräfta att alla situationer förblir oförändrade eftersom inga ansträngningar har gjorts för att uppnå det, därför har ibland ordet tröghet en konnotation av rutin eller lathet.

Den pre-Newtonian vyn

Innan Newton var de dominerande idéerna de av den stora grekiska filosofen Aristoteles, som bekräftade att en kraft måste agera för att ett föremål ska hålla i rörelse. När kraften upphör, kommer också rörelsen att göra. Inte så, men även i dag tror många det.

Galileo Galilei, en lysande italiensk astronom och fysiker som bodde mellan 1564 och 1642, experimenterade och analyserade kroppens rörelse.

En av Galileos observationer var att en kropp som glider på en slät och polerad yta med en viss initial impuls, tar längre tid att stoppa och har mer rörelse i en rak linje, eftersom friktionen mellan kroppen och ytan är mindre.

Det är uppenbart att Galileo hanterade tröghetsidén, men han kom inte att formulera ett uttalande så exakt som Newton.

Nedan föreslår vi några enkla experiment som läsaren kan utföra och bekräfta resultaten. Observationer kommer också att analyseras i enlighet med den Aristotelianska rörelsesynen och den Newtonska åsikten.

Tröghetsförsök

Experiment 1

En låda drivs på golvet och därefter upphängs drivkraften. Vi observerar att rutan går en kort väg tills den stannar.

Låt oss tolka det tidigare experimentet och dess resultat, inom ramen för teorierna före Newton och sedan enligt den första lagen.

I den Aristoteliska visionen var förklaringen mycket tydlig: lådan stannade för att kraften som flyttade den avbröts.

I Newtonian-vyn kan lådan på golvet / marken inte fortsätta att röra sig med den hastighet som den hade för närvarande kraften var upphängd, eftersom mellan golvet och lådan finns en obalanserad kraft, vilket får hastigheten att minska tills ruta stannar. Det är friktionskraften.

I detta experiment uppfylls inte premisserna för Newtons första lag, så lådan stannade.

Experiment 2

Återigen är det lådan på golvet / marken. I denna möjlighet upprätthålls kraften på lådan på ett sådant sätt att den kompenserar eller balanserar friktionskraften. Detta händer när vi får rutan att följa med konstant hastighet och i en rak riktning.

Detta experiment motsäger inte den aristoteliska rörelsen: rutan rör sig med konstant hastighet eftersom en kraft utövas på den.

Det strider inte heller mot Newtons inställning, eftersom alla krafter som verkar på lådan är balanserade. Låt oss se:

• I horisontell riktning är kraften som utövas på lådan lika och i motsatt riktning mot friktionskraften mellan lådan och golvet.
• Så nettokraften i horisontell riktning är noll, det är därför lådan behåller sin hastighet och riktning.

Även i vertikal riktning balanseras krafterna, eftersom vikten på lådan som är en kraft som pekar vertikalt nedåt kompenseras exakt av kontakten (eller normal) kraften som marken utövar på lådan vertikalt uppåt.

Förresten, lådans vikt beror på jordens gravitationella drag.

Experiment 3

Vi fortsätter med lådan vilande på golvet. I vertikal riktning är krafterna balanserade, det vill säga den vertikala nettokraften är noll. Det skulle verkligen vara mycket förvånande om lådan rörde sig uppåt. Men i horisontell riktning finns det friktionskraft.

För att förutsättningen för Newtons första lag ska uppfyllas måste vi minska friktionen till dess minimala uttryck. Detta kan uppnås ganska grovt om vi letar efter en mycket slät yta till vilken vi sprayar silikonolja.

Eftersom silikonolja minskar friktionen till nästan noll, så när denna låda kastas horisontellt kommer den att bibehålla sin hastighet och riktning under lång tid.

Det är samma fenomen som inträffar med en skridskoåkare på en ishall eller med ishockeypucken när de drivs och släpps på egen hand.

I de beskrivna situationerna, där friktionen reduceras nästan till noll, är den resulterande kraften praktiskt taget noll och objektet upprätthåller sin hastighet, enligt Newtons första lag.

Enligt den aristoteliska uppfattningen kan detta inte hända, eftersom enligt denna naiva teori rörelse inträffar endast när det finns en nettokraft på det rörliga objektet.

Den frysta ytan kan betraktas som mycket låg friktion. Källa: Pixabay.

Newtons första lagförklaring

Tröghet och massa

Mass är en fysisk mängd som indikerar mängden materia som en kropp eller objekt innehåller.

Då är massan en materiell egenskap. Men materien består av atomer som har massa. Atomens massa koncentreras i kärnan. Det är protonerna och neutronerna i kärnan som praktiskt definierar atomens och materiens massa.

Massa mäts vanligtvis i kilogram (kg), den är basenheten i International System of Units (SI).

Prototypen eller referensen av kg är en platina- och iridiumcylinder som förvaras i Internationella byrån för vikter och åtgärder i Sèvres i Frankrike, även om den 2018 var kopplad till Planck-konstanten och den nya definitionen träder i kraft från och med 20 maj 2019.

Det händer att tröghet och massor är relaterade. Ju större massa, desto större tröghet har ett objekt. Det är mycket svårare eller dyrare när det gäller energi att ändra rörelsetillståndet för ett mer massivt objekt än ett mindre massivt objekt.

Exempel

Till exempel kräver det mycket mer kraft och mycket mer arbete att lyfta en 1 ton (1000 kg) låda från vila än en kilo (1 kg). Det är därför det ofta sägs att den första har mer tröghet än den andra.

På grund av förhållandet mellan tröghet och massa, insåg Newton att hastigheten ensam inte är representativ för rörelsetillståndet. Det är därför han definierade en kvantitet som kallas momentum eller momentum som betecknas med bokstaven p och är produkten av massan m och hastigheten v :

p = m v

Det djärva i p och v indikerar att de är fysiska fysiska mängder, det vill säga att de är mängder med storlek, riktning och känsla.

Å andra sidan är massan m en skalmängd, till vilken ett nummer tilldelas som kan vara större än eller lika med noll, men aldrig negativt. Hittills har inget objekt med negativ massa hittats i det kända universum.

Newton tog sin fantasi och abstraktion till det yttersta och definierade den så kallade fria partikeln. En partikel är en materiell punkt. Det är, det är som en matematisk punkt men med massa:

En fri partikel är den partikel som är så isolerad, så långt ifrån ett annat objekt i universum att ingenting kan utöva någon interaktion eller kraft på den.

Senare fortsatte Newton att definiera tröghetsreferenssystemen, som kommer att vara de där hans tre rörelselagar tillämpas. Här är definitionerna enligt dessa begrepp:

Tröghetsreferenssystem

Alla koordinatsystem som är fästa vid en fri partikel, eller som rör sig med konstant hastighet med avseende på den fria partikeln, kommer att vara ett tröghetsreferenssystem.

Newtons första lag (tröghetslag)

Om en partikel är fri, har den ett konstant momentum med avseende på en tröghetsreferensram.

Newtons första lag och fart. Källa: självgjord.

Lösta övningar

Övning 1

En hockeypuck på 160 gram går på ishallen i 3 km / h. Hitta sin fart.

Lösning

Skivans massa i kilogram är: m = 0,160 kg.

Hastighet i meter över sekund: v = (3 / 3,6) m / s = 0,8333 m / s

Mängden rörelse eller fart p beräknas enligt följande: p = m * v = 0,1333 kg * m / s,

Övning 2

Friktionen på den främre skivan betraktas som noll, så momentum bevaras så länge ingenting förändrar skivans raka kurs. Det är emellertid känt att två krafter verkar på skivan: skivans vikt och kontakten eller normalkraften som golvet utövar på den.

Beräkna värdet på normalkraften i newton och dess riktning.

Lösning

Eftersom momentum bevaras måste den resulterande kraften på hockeypucken vara noll. Vikten pekar vertikalt nedåt och är giltig: P = m * g = 0,16 kg * 9,81 m / s²

Normalkraften måste nödvändigtvis motverka vikten, så den måste peka vertikalt uppåt och dess storlek blir 1,57 N.

Artiklar av intresse

Exempel på Newtons lag i verkliga livet.

referenser

1. Alonso M., Finn E. Fysikvolym I: Mekanik. 1970. Fondo Educativo Interamericano SA
2. Hewitt, P. Konceptuell fysisk vetenskap. Femte upplagan. Pearson. 67-74.
3. Ung, Hugh. Universitetsfysik med modern fysik. 14: e Pearson. 105-107.