Čo sú Newtonove zákony?

Newtonove slávne zákony pohybu sú tri. Tieto zákony položili základy Newtonovskej mechaniky, inak známej ako klasická mechanika. Newtonovská mechanika je pole, ktoré je zamerané na súbor zákonov, ktoré riadia správanie objektu po pôsobení síl na tento objekt.

Newtonove zákony pohybu

Tieto tri zákony boli v priebehu storočí napísané v mnohých rôznych formách, najmenej tri, ale možno ich stručne vyjadriť takto:

Prvý zákon uvádza, že objekt buď zostáva statický, alebo sa bude pohybovať konštantnou rýchlosťou, pokiaľ nie je ovplyvnený inou silou. Tento zákon predpokladá, že predmet je v zotrvačnom referenčnom rámci. Inerciálny referenčný rámec je taký, v ktorom sily pôsobiace na teleso, či už statické alebo stacionárne, majú čistú silu nula. Tento rám znamená, že toto telo zostane nepohyblivé alebo sa bude pohybovať konštantnou rýchlosťou.

Druhý zákon tiež predpokladá, že predmet je v zotrvačnom referenčnom rámci. Zákon uvádza, že súčet vektorov síl (označených F) na tele je ekvivalentný súčinu hmotnosti (označenej ako m) tohto telesa a jeho zrýchlenia (označeného a). Matematicky to znamená, že: F = m * a. Ďalším predpokladom je mať na pamäti, že hmotnosť sa nemení.

Tretí zákon pohybu je všeobecne známy. Keď jedna entita vyvíja silu (F) na iný objekt, potom druhé telo bude tiež tlačiť späť so silou, ktorá sa rovná F. Pri každej akcii existuje rovnaká a opačná reakcia.

História a prehľad

Tri zákony pohybu boli pôvodne zostavené nikto iný ako Isaac Newton, teda názov Newtonov zákon pohybu. Newton prvýkrát napísal pravidlá, ktorými sa riadi pohyb v roku 1687 vo svojom vydaní, Matematické princípy prirodzenej filozofie ( Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica in Latin).

Isaac Newton sa snažil vysvetliť, prečo sa objekty správajú tak, ako robia v pohybe, alebo prečo zostávajú tak, ako to robia, to znamená, že sú bez pohybu. Následne použil zákony spolu s inými zákonmi na vysvetlenie pohybu systémov, ako aj fyzických objektov.

Ďalšou kritickou vecou na Newtonových zákonoch je, že sú použiteľné pre objekty, ktoré sa považujú za jednobodové. Tento výraz znamená, že tvar a veľkosť objektu sa ignorujú, takže sa môže zamerať na jeho pohyb. Tento pohľad je aplikovateľný, ak sú objekty malé v porovnaní so vzdialenosťami, ktoré sú zahrnuté do analýzy. Tento spôsob umožňuje, aby bol akýkoľvek objekt, bez ohľadu na veľkosť, konceptualizovaný ako častica, ktorá sa má analyzovať.

Ako už bolo uvedené, tri zákony nestačia na vysvetlenie pohybového správania všetkých objektov. Nemohol napríklad vysvetliť Keplerove zákony pohybu planéty, kým spojil svoje zákony pohybu s iným zákonom, ktorý sa nazýva zákon univerzálnej gravitácie. Tieto zákony tiež nemôžu byť použité na vysvetlenie pohybu deformovateľných a tuhých telies. V skutočnosti to bolo v roku 1750, že Leonhard Euler zovšeobecnil Newtonove zákony pohybu tak, aby mohli byť aplikované na tuhé a deformovateľné objekty, ako aj na kontinuum. V Eulerových zákonoch, ktoré môžu byť odvodené z pôvodných Newtonových zákonov, sa predpokladá, že objekt je súborom diskrétnych častíc, z ktorých každý sa riadi Newtonovými zákonmi. Eulerove zákony však možno považovať za axiómy, ktoré opisujú pohybové zákony pre rozšírené entity, nezávisle od štruktúry častíc.

Ako už bolo uvedené, Newtonove zákony sú aplikovateľné len na množinu rámcov nazývaných zotrvačné referenčné rámce, ktoré sa niekedy nazývajú Newtonovské referenčné rámce. Došlo však k určitej diskusii učencov o prvom a druhom zákone. Jedna myšlienková škola tvrdí, že prvý newtonský zákon načrtáva, čo je inerciálny referenčný rámec, a tak druhý zákon je pravdivý, ak a len vtedy, ak je pozorovaný z inerciálneho rámca referenčného hľadiska. Keď sa vezmú do úvahy všetky tieto faktory, nie je možné určiť osobitosť týchto dvoch zákonov. Druhá myšlienková škola tvrdí, že prvý zákon je dôsledkom druhého zákona.

Ďalší aspekt týchto zákonov, ktoré treba mať na pamäti, je, že špeciálna relativita zastarala newtonovské zákony. To neznamená, že sú k ničomu. Zákony sú vhodné na aproximáciu správania pohybujúcich sa objektov, keď ich rýchlosť je nižšia ako rýchlosť svetla.

Tri zákony v detaile

Prvý zákon

Newtonov prvý zákon uvádza, že rýchlosť objektu v pohybe musí zostať konštantná, ak je čistá sila nulová. V tomto prípade sa sila vzťahuje na súčet vektorov všetkých síl, ktoré ovplyvňujú telo. Rýchlosť je vektorová veličina, pretože ukazuje rýchlosť tela, ako aj smer pohybu. To znamená, že konštantná rýchlosť opisuje konštantný smer a rýchlosť objektu.

Z hľadiska matematického vzorca sa stáva: ∑F = 0 ↔ d v / d t = 0. Vo vzorci v predstavuje rýchlosť, kým t predstavuje čas. Vzorec len dokazuje, že objekt, ktorý je nehybný, zostane týmto spôsobom, pokiaľ nie je ovplyvnený silou, a telo, ktoré sa pohybuje, nezmení svoju rýchlosť, pokiaľ nie je ovplyvnené silou. Tento druh pohybu sa nazýva jednotný pohyb. Dobrým spôsobom, ako to demonštrovať, je experiment s obrusom. Pokrmy umiestnené na vrchole obrusu zostanú tak, ako keby boli obrus odstránené šikovne a rýchlo. Nie je to trik, ale Newtonove zákony v akcii. Prirodzenou tendenciou pohybujúceho sa objektu je zostať taká, aká je. Ak chce niekto túto tendenciu zmeniť, musí sa na tento objekt aplikovať sila. Tento zákon tiež stanovuje referenčné rámce pre ostatné dva zákony.

Druhý zákon

Iný spôsob uvedenia druhého zákona je rýchlosť zmeny hybnosti objektu v priamom vzťahu k množstvu sily, ktorá je aplikovaná. Táto zmena hybnosti sa tiež vyskytuje v rovnakom smere ako aplikovaná sila.

Matematicky sa môže vyjadriť ako F = d p / dt = d (mv) / dt. P je súčin hmotnosti ( m ) a rýchlosti ( v ), zatiaľ čo t predstavuje čas. Vzorec je jedným zo spôsobov, ako to vyjadriť, je však možné ho vyjadriť aj v zmysle zrýchlenia objektu. Pri stanovovaní zákonov sa predpokladá, že hmotnosť je konštantná. Preto nie je potrebné zahrnúť ju do vzorca diferenciácie. Preto sa stáva: F = m ( dv / dt ). Pretože rýchlosť ( v ) vydelená časom ( t ) poskytuje zrýchlenie, vzorec sa teraz stáva F = m * a .

Hmotnosť získaná alebo stratená entitou tiež ovplyvní hybnosť objektu, ktorá by nebola dôsledkom vonkajšej sily a je potrebná iná rovnica. Tiež pri vyšších rýchlostiach je výpočet, že produkt hmoty objektu v pokoji a jeho rýchlosť sú nepresné.

impulz

Impulzy ( J ) sa uskutočňujú vtedy, keď sila ( F ) pôsobí na objekt v časovom intervale (Δt), pretože jeho matematické vyjadrenie je oveľa bližšie k Newtonovmu zneniu jeho druhého zákona. Pojem impulz sa väčšinou využíva pri analýze kolízií. Matematicky sa stáva: J = Δp = m * Av.

Pre systémy s premenlivou hmotnosťou, povedzme raketa, ktorá spaľuje palivo, druhý zákon nemožno uplatniť, pretože sú otvorené. Z tohto dôvodu je jeho hmotnosť funkciou jeho času nesprávna.

Newtonov tretí zákon

Posledný zákon o pohybe uvádza, že všetky sily, ktoré existujú medzi dvoma orgánmi, tak robia s rovnakou veľkosťou a v opačných smeroch. Napríklad, ak objekt 1 vyvíja silu veľkosti F 'na inom tele 2, potom Newtonov tretí zákon uvádza, že objekt 2 má pôsobiť silou -F₁, takže F that = - F₁. Výsledná celková sila sa rovná nule. To znamená, že F + + - (F =) = 0.

Tento zákon ukazuje, že všetky vytvorené sily sú priamym dôsledkom interakcie medzi rôznymi orgánmi. To tiež ukazuje, že sila nemôže existovať bez jej rovnocenného a opačného ekvivalentu na jej zrušenie. Smer a veľkosť sily môže určiť jedna zo síl. Napríklad objekt 1 môže byť jedinou silou, a tak sa nazýva „silou pôsobenia“, pričom sila z objektu 2 sa nazýva „reakčnou“ silou. Tieto dva názvy sú dôvodom, prečo sa tretí zákon niekedy nazýva zákon „akčná reakcia“. Občas je však nemožné zistiť, ktorá z dvoch síl je činnosťou a ktorá je reakciou. Je nemožné, aby jedna sila existovala bez druhej. Praktickým príkladom je, keď niekto chodí. Oni tlačia na zem, a zem tlačí späť.