NEWTONŮV PRVNÍ ZÁKON: VZORCE, EXPERIMENTY A CVIČENÍ - FYZICKÝ - 2025

První právo Newtona, také známý jako zákon setrvačnosti, byla poprvé navržena Isaac Newton, fyzik, matematik, filosof, teolog, anglický vynálezce a alchymista. Tento zákon uvádí následující: „Pokud předmět není vystaven žádné síle nebo pokud se síly, které na něj působí, vzájemně ruší, bude se nadále pohybovat konstantní rychlostí v přímce.“

V tomto prohlášení bude klíčové slovo pokračovat. Jsou-li splněny podmínky zákona, bude předmět pokračovat ve svém pohybu tak, jak měl. Pokud se neobjeví nevyvážená síla a nezmění stav pohybu.

Vysvětlení Newtonova prvního zákona. Zdroj: vlastní výroba.

To znamená, že pokud je objekt v klidu, bude pokračovat v klidu, s výjimkou případu, kdy ho síla z tohoto stavu odstraní. Znamená to také, že pokud se objekt pohybuje přímou rychlostí pevnou rychlostí, bude se tímto směrem pohybovat i nadále. Změní se pouze v případě, že na něj nějaký externí agent použije sílu a změní svou rychlost.

Souvislosti zákona

Isaac Newton se narodil ve Woolsthorpe Manor (Velká Británie) 4. ledna 1643 a zemřel v Londýně v roce 1727.

Přesné datum, kdy Sir Isaac Newton objevil své tři zákony dynamiky, včetně prvního zákona, není s jistotou známo. Je však známo, že to bylo dlouho před vydáním slavné knihy Matematické principy přírodní filozofie, 5. července 1687.

Slovník královské španělské akademie definuje slovo setrvačnost takto:

"Vlastnost těl udržovat jejich stav odpočinku nebo pohybu, ne-li působením síly."

Tento termín se také používá k potvrzení, že jakákoli situace zůstává nezměněna, protože nebylo vynaloženo žádné úsilí k dosažení tohoto cíle, proto někdy slovo setrvačnost má konotaci rutiny nebo lenivosti.

Před Newtonovský pohled

Před Newtonem byly převládajícími myšlenkami myšlenky velkého řeckého filozofa Aristotela, který prohlásil, že pro udržení objektu v pohybu musí na něj působit síla. Když síla přestane, bude to také pohyb. Ne tak, ale i dnes si to mnozí myslí.

Galileo Galilei, skvělý italský astronom a fyzik, který žil v letech 1564 až 1642, experimentoval a analyzoval pohyb těl.

Jedním z Galileových pozorování bylo, že tělo, které klouže na hladkém a leštěném povrchu s určitým počátečním impulsem, trvá déle, než se zastaví a má více pohybu v přímé linii, protože tření mezi tělem a povrchem je menší.

Je zřejmé, že Galileo zvládl myšlenku setrvačnosti, ale nepřišel formulovat prohlášení tak přesné jako Newton.

Níže uvádíme několik jednoduchých experimentů, které čtenář může provést a potvrdit výsledky. Pozorování budou také analyzována podle aristotelského pohledu na pohyb a newtonovského pohledu.

Experimenty setrvačnosti

Experiment 1

Krabice je tlačena na podlahu a poté je hnací síla pozastavena. Pozorujeme, že box cestuje krátkou cestou, dokud se nezastaví.

Interpretujme předchozí experiment a jeho výsledek, v rámci teorií před Newtonem a poté podle prvního zákona.

V aristotelské vizi bylo vysvětlení velmi jasné: skříňka se zastavila, protože síla, která ji pohnula, byla pozastavena.

Podle newtonovského pohledu se box na podlaze / zemi nemůže pohybovat rychlostí, kterou měl v okamžiku, kdy byla síla pozastavena, protože mezi podlahou a boxem existuje nevyvážená síla, která způsobí snížení rychlosti až do box se zastaví. Je to třecí síla.

V tomto experimentu nejsou splněny podmínky prvního Newtonova zákona, takže se box zastavil.

Experiment 2

Opět se jedná o krabici na podlaze / zemi. Při této příležitosti je síla na skříni udržována tak, že vyrovnává nebo vyvažuje třecí sílu. To se stane, když dostaneme krabici, aby sledovala konstantní rychlost a přímým směrem.

Tento experiment není v rozporu s aristotelským pohledem na pohyb: box se pohybuje konstantní rychlostí, protože na něj působí síla.

Rovněž to neodporuje Newtonovu přístupu, protože všechny síly působící na krabici jsou vyvážené. Uvidíme:

• V horizontálním směru je síla vyvíjená na krabici stejná a v opačném směru k třecí síle mezi krabicí a podlahou.
• Síťová síla v horizontálním směru je tedy nulová, a proto si box udržuje svou rychlost a směr.

Také ve vertikálním směru jsou síly vyvážené, protože hmotnost skříně, která je silou směřující svisle dolů, je přesně kompenzována dotykovou (nebo normální) silou, kterou země vyvíjí na skříň svisle nahoru.

Mimochodem, hmotnost boxu je způsobena gravitačním tahem Země.

Experiment 3

Pokračujeme s krabicí spočívající na podlaze. Ve vertikálním směru jsou síly vyrovnané, to znamená, že vertikální síla je nulová. Určitě by bylo velmi překvapivé, kdyby se krabice posunula nahoru. Ale v horizontálním směru je třecí síla.

Abychom splnili předpoklad prvního Newtonova zákona, musíme snížit tření na jeho minimální vyjádření. Toho lze dosáhnout poměrně zhruba, pokud hledáme velmi hladký povrch, na který stříkáme silikonový olej.

Protože silikonový olej snižuje tření téměř na nulu, takže když je tento box hozen horizontálně, bude si udržovat svou rychlost a směr po dlouhou dobu.

Je to stejný jev, který se vyskytuje s bruslařem na kluzišti nebo s pukem ledního hokeje, když jsou poháněni a uvolňováni sami.

V popsaných situacích, ve kterých je tření sníženo téměř na nulu, je výsledná síla prakticky nulová a předmět udržuje svou rychlost podle prvního Newtonova zákona.

V aristotelském pohledu se to nemohlo stát, protože podle této naivní teorie dochází k pohybu pouze tehdy, když na pohybující se objekt působí síla sítě.

Zamrzlý povrch lze považovat za velmi nízké tření. Zdroj: Pixabay.

Newtonovo vysvětlení prvního zákona

Inertie a masa

Hmota je fyzické množství, které udává množství hmoty, které tělo nebo předmět obsahuje.

Hmota je tedy vnitřní vlastností hmoty. Ale hmota je tvořena atomy, které mají hmotnost. Hmota atomu je soustředěna v jádru. Hmotu atomu a hmoty prakticky definují protony a neutrony v jádře.

Hmotnost se obecně měří v kilogramech (kg), je základní jednotkou mezinárodního systému jednotek (SI).

Prototyp nebo odkaz na kg je platinový a iridiový válec, který je veden u Mezinárodního úřadu pro váhy a míry ve Sèvres ve Francii, ačkoli v roce 2018 byl spojen s Planckovou konstantou a nová definice nabývá účinnosti od 20. května 2019.

Stává se, že setrvačnost a hmotnost souvisejí. Čím větší je hmotnost, tím větší je setrvačnost objektu. Je mnohem obtížnější nebo nákladnější z hlediska energie změnit stav pohybu hmotnějšího objektu než méně hmotného.

Příklad

Například zdvihnutí jedné tuny (1 000 kg) z klidu vyžaduje mnohem více síly a mnohem více práce než krabice o hmotnosti jednoho kilogramu (1 kg). Proto se často říká, že první má větší setrvačnost než druhá.

Kvůli vztahu mezi setrvačností a hmotou si Newton uvědomil, že rychlost sama o sobě není reprezentativní pro stav pohybu. To je důvod, proč definoval množství známé jako hybnost nebo hybnost, které je označeno písmenem p a je součinem hmoty ma rychlosti v:

p = m v

Tučně v p a V, ukazují, že jsou vektorové fyzikální veličiny, to znamená, že se množství se velikosti, směru a smyslu.

Na druhé straně hmotnost m je skalární veličina, ke které je přiřazeno číslo, které může být větší nebo rovno nule, ale nikdy záporné. Doposud nebyl ve známém vesmíru nalezen žádný objekt negativní hmoty.

Newton vzal svou fantazii a abstrakci do extrému a definoval takzvanou volnou částici. Částice je materiálním bodem. To znamená, že je to jako matematický bod, ale s hmotností:

Volná částice je ta částice, která je tak izolovaná, daleko od jiného objektu ve vesmíru, že na ni nemůže působit žádná interakce ani síla.

Později Newton dále definoval inerciální referenční systémy, které budou těmi, v nichž platí jeho tři zákony pohybu. Zde jsou definice podle těchto konceptů:

Inerciální referenční systém

Jakýkoli souřadný systém spojený s volnou částicí nebo pohybující se konstantní rychlostí vzhledem k volné částici bude inertním referenčním systémem.

Newtonův první zákon (zákon setrvačnosti)

Pokud je částice volná, pak má konstantní hybnost vzhledem k inerciálnímu referenčnímu rámci.

Newtonův první zákon a hybnost. Zdroj: vlastní výroba.

Řešená cvičení

Cvičení 1

160 g hokejový puk jde na kluziště rychlostí 3 km / h. Najděte jeho hybnost.

Řešení

Hmotnost disku v kilogramech je: m = 0,160 kg.

Rychlost v metrech za sekundu: v = (3 / 3,6) m / s = 0,8333 m / s

Velikost pohybu nebo hybnosti p se vypočítá takto: p = m * v = 0,1343 kg * m / s,

Cvičení 2

Tření na předním disku se považuje za nulové, takže hybnost je zachována, pokud nic nezmění přímý průběh disku. Je však známo, že na disk působí dvě síly: hmotnost disku a dotyk nebo normální síla, kterou na něj působí podlaha.

Vypočítá se hodnota normální síly v newtonech a její směr.

Řešení

Protože je zachována hybnost, musí být výsledná síla na hokejový puk nulová. Hmotnost směřuje svisle dolů a je platná: P = m * g = 0,16 kg * 9,81 m / s²

Normální síla musí nutně působit proti hmotnosti, takže musí směřovat svisle nahoru a její velikost bude 1,57 N.

Články zájmu

Příklady Newtonova zákona v reálném životě.

Reference

1. Alonso M., Finn E. Fyzika svazek I: Mechanika. 1970. Fondo Educativo Interamericano SA
2. Hewitt, P. Konceptuální fyzikální věda. Páté vydání. Pearson. 67-74.
3. Young, Hugh. Univerzitní fyzika s moderní fyzikou. 14. vydání, Pearson. 105-107.