Ce sunt legile lui Newton?
Noile legi de mișcare ale lui Newton sunt trei în număr. Aceste legi au pus bazele mecanicii newtoniene, cunoscute și sub numele de mecanica clasică. Tehnica newtoniană este un câmp care se concentrează asupra setului de legi care guvernează comportamentul unui obiect după ce forțele acționează asupra acelui obiect.
Legile de mișcare ale lui Newton
Aceste trei legi au fost scrise în mai multe forme, de-a lungul secolelor, cel puțin trei, dar pot fi exprimate pe scurt, după cum urmează:
Prima lege afirmă că un obiect fie rămâne static, fie va continua să se miște cu o viteză constantă dacă nu este influențat de o altă forță. Această lege presupune că un obiect se află într-un cadru de referință inerțial. Un cadru de referință inerțial este cel în care forțele care acționează asupra unui corp, fie statice, fie staționare, au o forță netă de zero. Acest cadru înseamnă că acest corp va rămâne staționar sau va continua să se miște cu o viteză constantă.
A doua lege presupune, de asemenea, că un obiect se află într-un cadru de referință inerțial. Legea afirmă că totalitatea vectorilor forțelor (notate cu F) pe un corp este echivalentă cu produsul masei (marcat cu m) a acelui corp și accelerarea sa (notată cu litera a). Din punct de vedere matematic, aceasta înseamnă că: F = m * a. O altă ipoteză de reținut este că masa nu se schimbă.
A treia lege a mișcării este mai cunoscută. Atunci când o entitate exercită o forță (F) asupra unui alt obiect, atunci al doilea corp va împinge înapoi cu o forță care este egală cu F. Cu fiecare acțiune, există o reacție egală și opusă.
Istorie și prezentare generală
Cele trei legi ale mișcării au fost inițial realizate de nimeni altul decât Isaac Newton, de aici numele Legilor de mișcare ale lui Newton. Newton a scris mai întâi regulile care guvernează mișcarea în anul 1687, în publicația sa, Principiile matematice ale filosofiei naturale ( Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica în latină).
Isaac Newton a căutat să explice de ce obiectele se comportă așa cum fac în timp ce se află în mișcare sau de ce stau așa cum o fac, adică în timp ce sunt nemișcați. În consecință, el a folosit legile împreună cu alte legi ale sale pentru a explica mișcarea sistemelor, precum și a obiectelor fizice.
Un alt aspect critic legat de legile lui Newton este că ele sunt aplicabile obiectelor care sunt considerate mase de un singur punct. Acest termen înseamnă că forma și dimensiunea unui obiect sunt ignorate, astfel încât focalizarea să poată fi în mișcare. Această viziune este aplicabilă dacă obiectele sunt mici în comparație cu distanțele care sunt implicate în timp ce sunt analizate. Acest mod permite ca orice obiect, indiferent de dimensiune, să fie conceptualizat ca o particulă care trebuie analizată.
Așa cum am afirmat mai devreme, cele trei legi nu sunt suficiente pentru a explica comportamentul mișcării tuturor obiectelor. De exemplu, el nu a putut explica legile lui Kepler de mișcare planetară până când nu și-a combinat legile mișcării cu o altă lege a sa numită legea gravitației universale. De asemenea, aceste legi nu pot fi folosite pentru a explica mișcarea corpurilor deformabile și rigide. De fapt, în anul 1750 Leonhard Euler a generalizat legile de mișcare ale lui Newton, astfel încât acestea să poată fi aplicate obiectelor rigide și deformabile, presupuse și ca un continuum. În legile lui Euler, care pot fi derivate din legile originale ale lui Newton, un obiect este prezumat a fi o colecție de particule discrete care sunt fiecare guvernate de legile lui Newton. Cu toate acestea, legile lui Euler pot fi considerate a fi axiome care descriu legile mișcării pentru entități extinse, independente de structura particulelor.
După cum sa menționat anterior, legile lui Newton sunt aplicabile numai unui set de cadre numite cadre de referință inerțiale, care sunt uneori numite cadre de referință newtoniene. Cu toate acestea, au existat unele dezbateri între cercetători cu privire la prima și cea de-a doua lege. O școală de gândire susține că prima lege Newton subliniază ce este un cadru de referință inerțial și astfel a doua lege este adevărată dacă și numai dacă este observată dintr-un cadru inerțial dintr-un punct de referință. Atunci când toți acești factori sunt luați în considerare, este imposibil de determinat caracterul special al celor două legi. Cealaltă școală de gândire susține că prima lege este o consecință a celei de-a doua.
Un alt aspect al acestor legi de a păstra în minte este faptul că relativitatea specială a depășit legile newtoniene. Asta nu înseamnă că acestea sunt inutile. Legile sunt potrivite pentru aproximarea comportamentului obiectelor în mișcare atunci când viteza lor este sub cea a luminii.
Cele trei legi în detaliu
Prima lege
Prima lege a lui Newton afirmă că viteza unui obiect în mișcare rămâne constantă dacă forța netă este zero. În acest caz, forța se referă la sumarea vectorilor tuturor forțelor care afectează acel corp. Viteza este o cantitate vectorică deoarece arată viteza corpului și direcția de mișcare. Aceasta înseamnă că viteza constantă descrie o direcție constantă și viteza obiectului.
Pentru a pune în termeni de formula matematică, devine: ΣF = 0 ↔ d v / d t = 0. În formula, v reprezintă viteza în timp ce t reprezintă timpul necesar. Formula doar dovedește că un obiect care este nemișcat va rămâne în acest fel dacă nu este afectat de o forță și un corp care se mișcă nu-și va schimba viteza decât dacă este influențat de o forță. Acest tip de mișcare se numește mișcare uniformă. O modalitate bună de a demonstra acest lucru este prin experimentul de masă. Vasele plasate pe partea de sus a feței de masă vor rămâne așa cum sunt atunci când fetița de masă este îndepărtată cu îndemânare și rapiditate. Nu este un truc, ci legile lui Newton în acțiune. Tendința naturală a obiectului în mișcare este să rămână așa cum este. Dacă cineva dorește să modifice această tendință, atunci trebuie aplicată forța asupra acelui obiect. Această lege stabilește, de asemenea, cadrele de referință pentru celelalte două legi.
A doua lege
O altă modalitate de a stabili a doua lege este rata de schimbare a impulsului unui obiect în raport direct cu cantitatea de forță aplicată. De asemenea, această schimbare a impulsului său are loc în aceeași direcție cu forța aplicată.
Din punct de vedere matematic, acesta poate fi exprimat ca F = d p / d t = d (m v ) / d t. P este un produs de masă ( m ) și viteză ( v ), în timp ce t reprezintă timpul necesar. Formula este o modalitate de a exprima acest lucru, totuși este posibil să-l exprimăm și în ceea ce privește accelerarea obiectului. În afirmarea legilor, se presupune că masa este constantă. Prin urmare, nu este necesar să o includem în formula de diferențiere. Prin urmare, devine: F = m (d v / d t ). Deoarece viteza ( v ) împărțită la timpul ( t ) asigură accelerația, formula acum devine F = m * a .
Masa câștigată sau pierdută de entitate va afecta, de asemenea, impulsul obiectului care nu ar fi o consecință a unei forțe exterioare și o ecuație diferită devine necesară. De asemenea, la viteze mai mari, calculul că produsul masei obiectului în repaus și viteza sa este inexactă.
Impuls
Impulsurile ( J ) au loc când o forță ( F ) acționează asupra unui obiect într-un interval de timp (Δt), deoarece expresia sa matematică este mult mai apropiată de formularea celei de-a doua legi a lui Newton. Conceptul de impuls este utilizat în cea mai mare parte în timp ce se analizează coliziunile. Din punct de vedere matematic devine: J = Δ p = m * Δ v .
Pentru sistemele cu masă variabilă, spuneți o rachetă care arde combustibil, a doua lege nu poate fi aplicată deoarece este deschisă. Ca atare, a face ca masa să fie o funcție a timpului său este incorectă.
Legea treia a lui Newton
Ultima lege a mișcării afirmă că toate forțele care există între două corpuri fac acest lucru cu o mărime egală și în direcții opuse. De exemplu, dacă un obiect 1 exercită o forță de mărime F1 pe un alt corp 2, atunci al treilea lege al lui Newton afirmă că obiectul 2 va exercita o forță de mărime -F1, astfel încât F1 = - F1. Forța totală rezultată este egală cu zero. Aceasta este, F1 + (- F1) = 0.
Această lege arată că toate forțele generate sunt o consecință directă a interacțiunii dintre diferitele organisme. De asemenea, arata ca o forta nu poate exista fara echivalentul ei egal si opus sa o anuleze. Direcția și magnitudinea forței pot fi determinate de una dintre forțe. De exemplu, obiectul 1 poate fi forța exercitantă și astfel se numește forța "acțiune" cu forța din obiectul 2 numită forța "reacție". Aceste două nume sunt motivul pentru care a treia lege este uneori numită lege "acțiune-reacție". Cu toate acestea, uneori este imposibil să se stabilească care dintre cele două forțe este acțiunea și care este reacția. Este imposibil ca o forță să existe fără cealaltă. Un exemplu practic este atunci când cineva merge. Împingă împotriva pământului și pământul împinge înapoi.
