ПЕРВЫЙ ЗАКОН НЬЮТОНА: ФОРМУЛЫ, ЭКСПЕРИМЕНТЫ И УПРАЖНЕНИЯ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2025

Первый закон Ньютона , также известный как закон инерции, впервые был предложен Исаак Ньютон, физик, математик, философ, богослов, английский изобретатель и алхимика. Этот закон гласит следующее: «Если объект не подвергается воздействию какой-либо силы или если действующие на него силы компенсируют друг друга, то он будет продолжать двигаться с постоянной скоростью по прямой».

В этом заявлении ключевое слово будет continue. Если посылки закона выполнены, то объект продолжит свое движение, как и раньше. Если только не появится неуравновешенная сила и не изменит состояние движения.

Объяснение первого закона Ньютона. Источник: самодельный.

Это означает, что если объект находится в состоянии покоя, он будет продолжать покоиться, за исключением случаев, когда сила выводит его из этого состояния. Это также означает, что если объект движется с фиксированной скоростью в прямом направлении, он будет продолжать двигаться в этом направлении. Он изменится только тогда, когда какой-то внешний агент применит к нему силу и изменит его скорость.

Справочная информация о законе

Исаак Ньютон родился в поместье Вулсторп (Великобритания) 4 января 1643 года и умер в Лондоне в 1727 году.

Точная дата, когда сэр Исаак Ньютон открыл свои три закона динамики, включая первый закон, с достоверностью неизвестна. Но известно, что это было задолго до публикации знаменитой книги «Математические основы естественной философии» 5 июля 1687 года.

Словарь Королевской испанской академии определяет слово инерция следующим образом:

«Свойство тел поддерживать состояние покоя или движения, если не под действием силы».

Этот термин также используется для подтверждения того, что любая ситуация остается неизменной, потому что для ее достижения не было предпринято никаких усилий, поэтому иногда слово инерция имеет оттенок рутины или лени.

Доньютоновский взгляд

До Ньютона преобладающими идеями были идеи великого греческого философа Аристотеля, утверждавшего, что для того, чтобы объект оставался в движении, на него должна действовать сила. Когда сила прекратится, прекратится и движение. Не так, но даже сегодня многие так думают.

Галилео Галилей, блестящий итальянский астроном и физик, живший между 1564 и 1642 годами, экспериментировал и анализировал движение тел.

Одно из наблюдений Галилея заключалось в том, что тело, которое скользит по гладкой и полированной поверхности с определенным начальным импульсом, требует больше времени для остановки и имеет больший ход по прямой, так как трение между телом и поверхностью меньше.

Очевидно, что Галилей имел дело с идеей инерции, но он не пришел к тому, чтобы сформулировать такое утверждение, как Ньютон.

Ниже мы предлагаем несколько простых экспериментов, которые читатель может провести и подтвердить результаты. Наблюдения также будут проанализированы в соответствии с аристотелевским взглядом на движение и ньютоновским взглядом.

Инерционные эксперименты

Эксперимент 1

Коробку опускают на пол, а затем движущая сила приостанавливается. Мы замечаем, что коробка проходит короткий путь, пока не остановится.

Давайте интерпретируем предыдущий эксперимент и его результат в рамках теорий до Ньютона, а затем в соответствии с первым законом.

В видении Аристотеля объяснение было очень ясным: ящик остановился, потому что сила, которая его двигала, была приостановлена.

В ньютоновском видении коробка на полу / земле не может продолжать движение со скоростью, которая была в момент приостановки силы, потому что между полом и коробкой существует неуравновешенная сила, которая вызывает снижение скорости до коробка останавливается. Это сила трения.

В этом эксперименте условия первого закона Ньютона не выполняются, поэтому ящик остановился.

Эксперимент 2

Опять же, это ящик на полу / земле. В этой возможности сила на коробке сохраняется таким образом, что она компенсирует или уравновешивает силу трения. Это происходит, когда мы заставляем коробку двигаться с постоянной скоростью в прямом направлении.

Этот эксперимент не противоречит аристотелевской точке зрения на движение: ящик движется с постоянной скоростью, потому что на него действует сила.

Это также не противоречит подходу Ньютона, поскольку все силы, действующие на ящик, уравновешены. Посмотрим:

• В горизонтальном направлении сила, действующая на коробку, равна силе трения между коробкой и полом и противоположна ей.
• Таким образом, результирующая сила в горизонтальном направлении равна нулю, поэтому коробка сохраняет свою скорость и направление.

Также в вертикальном направлении силы уравновешиваются, потому что вес ящика, который представляет собой силу, направленную вертикально вниз, точно компенсируется контактной (или нормальной) силой, которую земля оказывает на ящик вертикально вверх.

Кстати, вес ящика обусловлен гравитационным притяжением Земли.

Эксперимент 3

Продолжаем с ящиком, лежащим на полу. В вертикальном направлении силы уравновешены, то есть чистая вертикальная сила равна нулю. Было бы, конечно, очень удивительно, если бы коробка двигалась вверх. Но в горизонтальном направлении есть сила трения.

Теперь, чтобы выполнить предпосылку первого закона Ньютона, нам нужно свести трение к его минимальному выражению. Этого можно достичь довольно грубо, если мы ищем очень гладкую поверхность, на которую мы распыляем силиконовое масло.

Поскольку силиконовое масло снижает трение почти до нуля, поэтому, когда этот ящик брошен горизонтально, он будет сохранять свою скорость и направление в течение длительного времени.

То же самое происходит с фигуристом на катке или с хоккейной шайбой, когда они двигаются и выпускаются сами по себе.

В описанных ситуациях, когда трение уменьшается почти до нуля, результирующая сила практически равна нулю и объект сохраняет свою скорость в соответствии с первым законом Ньютона.

С точки зрения Аристотеля этого не могло произойти, потому что согласно этой наивной теории движение происходит только тогда, когда на движущийся объект действует действующая сила.

Замерзшая поверхность может считаться очень низким трением. Источник: Pixabay.

Объяснение Первого закона Ньютона

Инерция и масса

Масса - это физическая величина, которая указывает количество вещества, содержащегося в теле или объекте.

Таким образом, масса - это внутреннее свойство материи. Но материя состоит из атомов, обладающих массой. Масса атома сосредоточена в ядре. Именно протоны и нейтроны в ядре практически определяют массу атома и вещества.

Масса обычно измеряется в килограммах (кг), это основная единица Международной системы единиц (СИ).

Прототипом или эталоном кг является цилиндр из платины и иридия, который хранится в Международном бюро мер и весов в Севре во Франции, хотя в 2018 году он был привязан к постоянной Планка, и новое определение вступает в силу с 20 мая 2019.

Что ж, бывает, что инерция и масса связаны. Чем больше масса, тем большую инерцию имеет объект. С точки зрения энергии изменить состояние движения более массивного объекта гораздо труднее или дороже, чем менее массивного.

пример

Например, чтобы поднять коробку массой 1 тонну (1000 кг) из состояния покоя, требуется гораздо больше силы и больше работы, чем коробку массой 1 кг (1 кг). Вот почему часто говорят, что у первого больше инерции, чем у второго.

Из-за связи между инерцией и массой Ньютон понял, что сама по себе скорость не является репрезентативной для состояния движения. Вот почему он определил величину, известную как импульс или импульс, которая обозначается буквой p и является произведением массы m и скорости v :

p = m v

Жирным шрифтом p и v обозначено, что это векторные физические величины, то есть это величины, имеющие величину, направление и смысл.

С другой стороны, масса m является скалярной величиной, которой присваивается число, которое может быть больше или равно нулю, но никогда не может быть отрицательным. Пока что в известной Вселенной не было найдено ни одного объекта с отрицательной массой.

Ньютон довел свое воображение и абстракцию до крайности, определив так называемую свободную частицу. Частица - это материальная точка. То есть это как математическая точка, но с массой:

Свободная частица - это та частица, которая настолько изолирована, настолько далеко от другого объекта во Вселенной, что ничто не может оказать на нее никакого взаимодействия или силы.

Позже Ньютон определил инерциальные системы отсчета, к которым будут применяться его три закона движения. Вот определения в соответствии с этими понятиями:

Инерциальная система отсчета

Любая система координат, прикрепленная к свободной частице или движущаяся с постоянной скоростью относительно свободной частицы, будет инерциальной системой отсчета.

Первый закон Ньютона (закон инерции)

Если частица свободна, то она имеет постоянный импульс относительно инерциальной системы отсчета.

Первый закон Ньютона и импульс. Источник: самодельный.

Решенные упражнения

Упражнение 1

Хоккейная шайба весом 160 грамм идет по катку со скоростью 3 км / ч. Найдите ее импульс.

Решение

Масса диска в килограммах: m = 0,160 кг.

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

Величина движения или импульс p рассчитывается следующим образом: p = m * v = 0,1333 кг * м / с,

Упражнение 2.

Трение в переднем диске считается нулевым, поэтому импульс сохраняется до тех пор, пока ничто не изменяет прямой курс диска. Однако известно, что на диск действуют две силы: вес диска и сила контакта или нормальная сила, которую пол оказывает на него.

Вычислите значение нормальной силы в ньютонах и ее направление.

Решение

Поскольку импульс сохраняется, результирующая сила на хоккейной шайбе должна быть равна нулю. Вес указывает вертикально вниз и действительно: P = m * g = 0,16 кг * 9,81 м / с².

Нормальная сила должна обязательно противодействовать весу, поэтому он должен указывать вертикально вверх, а его величина будет 1,57 Н.

Интересные статьи

Примеры закона Ньютона в реальной жизни.

Ссылки

1. Алонсо М., Финн Э. Физический том I: Механика. 1970. Fondo Educativo Interamericano SA
2. Хьюитт П. Концептуальная физика. Издание пятое. Пирсон. 67-74.
3. Янг, Хью. Университетская физика с современной физикой. 14-е изд. Пирсон. 105-107.