PRIMA LEGE A LUI NEWTON: FORMULE, EXPERIMENTE ȘI EXERCIȚII - FIZIC - 2025

Prima lege a lui Newton , de asemenea , cunoscut sub numele de legea inerției, a fost propus pentru prima dată de Isaac Newton, fizician, matematician, filozof, teolog, inventator engleză și alchimist. Această lege prevede următoarele: "Dacă un obiect nu este supus vreunei forțe sau dacă forțele care acționează asupra acestuia se anulează reciproc, atunci va continua să se miște cu viteză constantă în linie dreaptă."

În această afirmație, cuvântul cheie este va continua. Dacă premisele legii sunt îndeplinite, atunci obiectul va continua cu mișcarea ei așa cum a fost. Dacă nu apare o forță dezechilibrată și schimbă starea de mișcare.

Explicarea primei legi a lui Newton. Sursa: realizată de sine.

Aceasta înseamnă că, dacă obiectul este în repaus, va continua să se odihnească, cu excepția cazului în care o forță îl scoate din acea stare. Înseamnă, de asemenea, că, dacă un obiect se mișcă cu o viteză fixă ​​într-o direcție dreaptă, va continua să se deplaseze astfel. Se va schimba doar atunci când un agent extern exercită o forță asupra acestuia și își schimbă viteza.

Contextul legii

Isaac Newton s-a născut în Woolsthorpe Manor (Marea Britanie) la 4 ianuarie 1643 și a murit la Londra în 1727.

Data exactă în care Sir Isaac Newton a descoperit cele trei legi ale dinamicii sale, inclusiv prima lege, nu este cunoscută cu certitudine. Dar se știe că a fost cu mult înainte de publicarea celebrei cărți Principiile matematice ale filozofiei naturale, la 5 iulie 1687.

Dicționarul Academiei Regale Spaniole definește cuvântul inerție după cum urmează:

"Proprietatea corpurilor de a-și menține starea de repaus sau mișcare, dacă nu prin acțiunea unei forțe."

Acest termen este folosit și pentru a afirma că orice situație rămâne neschimbată, deoarece nu s-a depus niciun efort pentru realizarea acestuia, prin urmare, uneori, cuvântul inerție are o conotație de rutină sau lene.

Opinia pre-newtoniană

Înainte de Newton, ideile predominante au fost cele ale marelui filosof grec Aristotel, care a afirmat că pentru ca un obiect să rămână în mișcare, o forță trebuie să acționeze asupra lui. Când forța încetează, atunci mișcarea se va întâmpla. Nu este așa, dar chiar și astăzi mulți cred acest lucru.

Galileo Galilei, un strălucit astronom și fizician italian care a trăit între 1564 și 1642, a experimentat și a analizat mișcarea corpurilor.

Una dintre observațiile lui Galileo a fost că un corp care alunecă pe o suprafață netedă și lustruită cu un anumit impuls inițial, durează mai mult pentru a se opri și are mai multe călătorii în linie dreaptă, întrucât frecarea dintre corp și suprafață este mai mică.

Este evident că Galileo s-a ocupat de ideea de inerție, dar nu a venit să formuleze o afirmație la fel de precisă ca Newton.

Mai jos vă propunem câteva experimente simple, pe care cititorul le poate realiza și corobora rezultatele. De asemenea, observațiile vor fi analizate în funcție de viziunea aristotelică a mișcării și de opinia newtoniană.

Experimente de inerție

Experimentul 1

O cutie este propulsată pe podea și apoi forța motrică este suspendată. Observăm că caseta parcurge o cale scurtă până se oprește.

Să interpretăm experimentul anterior și rezultatul acestuia, în cadrul teoriilor anterioare lui Newton și apoi conform primei legi.

În viziunea aristotelică explicația a fost foarte clară: cutia s-a oprit deoarece forța care o mișca era suspendată.

În viziunea newtoniană, cutia de pe podea / sol nu poate continua să se miște cu viteza pe care a avut-o în momentul în care forța a fost suspendată, deoarece între podea și cutie există o forță dezechilibrată, ceea ce face ca viteza să scadă până la cutia se oprește. Este forța de frecare.

În acest experiment, premisele primei legi a lui Newton nu sunt îndeplinite, astfel că caseta s-a oprit.

Experimentul 2

Din nou este cutia de pe podea / sol. În această oportunitate, forța de pe cutie este menținută, astfel încât să compenseze sau să echilibreze forța de frecare. Acest lucru se întâmplă atunci când facem ca cutia să urmeze cu viteză constantă și într-o direcție dreaptă.

Acest experiment nu contravine viziunii aristotelice asupra mișcării: cutia se mișcă cu viteză constantă, deoarece se exercită o forță asupra ei.

De asemenea, nu contrazice demersul lui Newton, deoarece toate forțele care acționează asupra cutiei sunt echilibrate. Sa vedem:

• În direcția orizontală, forța exercitată pe cutie este egală și în sens opus forței de frecare dintre cutie și podea.
• Deci forța netă în direcția orizontală este zero, de aceea cutia își menține viteza și direcția.

De asemenea, în direcția verticală forțele sunt echilibrate, deoarece greutatea cutiei care este o forță orientată vertical în jos este compensată exact de forța de contact (sau normală) pe care solul o exercită pe cutie vertical în sus.

Apropo, greutatea cutiei se datorează atragerii gravitaționale a Pământului.

Experimentul 3

Continuăm cu cutia sprijinită pe podea. În direcția verticală forțele sunt echilibrate, adică forța verticală netă este zero. Cu siguranță ar fi foarte surprinzător dacă cutia s-ar muta în sus. Dar în direcția orizontală există forță de frecare.

Acum, pentru ca premisa primei legi a lui Newton să fie îndeplinită, trebuie să reducem frecarea la expresia ei minimă. Acest lucru poate fi obținut destul de aproximativ dacă căutăm o suprafață foarte netedă pe care pulverizăm ulei de silicon.

Deoarece uleiul de silicon reduce frecarea la aproape zero, deci atunci când această cutie este aruncată pe orizontală, își va menține viteza și direcția pentru o lungă perioadă de timp.

Este același fenomen care se întâmplă cu un patinator pe un patinoar sau cu pucul de hochei pe gheață atunci când sunt propulsate și eliberate de unul singur.

În situațiile descrise, în care frecarea este redusă aproape la zero, forța rezultată este practic zero și obiectul își menține viteza, în conformitate cu prima lege a lui Newton.

În viziunea aristotelică acest lucru nu s-a putut întâmpla, deoarece, conform acestei teorii naive, mișcarea se produce numai atunci când există o forță netă asupra obiectului în mișcare.

Suprafața înghețată poate fi considerată frecare foarte scăzută. Sursa: Pixabay.

Explicația primei legi a lui Newton

Inerție și masă

Masa este o cantitate fizică care indică cantitatea de materie pe care o conține un corp sau un obiect.

Masa este atunci o proprietate intrinsecă a materiei. Dar materia este formată din atomi, care au masă. Masa atomului este concentrată în nucleu. Protonii și neutronii din nucleu sunt cei care definesc practic masa atomului și a materiei.

Masa este, în general, măsurată în kilograme (kg), este unitatea de bază a sistemului internațional de unități (SI).

Prototipul sau referința de kg este un cilindru de platină și iridiu, care este păstrat la Oficiul Internațional pentru Greutăți și Măsuri din Sèvres în Franța, deși în 2018 a fost legat de constanta Planck, iar noua definiție intră în vigoare începând cu 20 mai 2019.

Ei bine, se întâmplă că inerția și masa sunt legate. Cu cât este mai mare masa, cu atât este mai mare inerția unui obiect. Este mult mai dificil sau costisitor din punct de vedere al energiei să schimbați starea de mișcare a unui obiect mai masiv decât unul mai puțin masiv.

Exemplu

De exemplu, este nevoie de multă forță și de mult mai multă muncă pentru a ridica o cutie de o tonă (1000 kg) din repaus decât o cutie de un kilogram (1 kg). De aceea, se spune adesea că primul are mai multă inerție decât al doilea.

Datorită relației dintre inerție și masă, Newton și-a dat seama că numai viteza nu este reprezentativă pentru starea de mișcare. De aceea, el a definit o cantitate cunoscută sub numele de moment sau moment care este notată de litera p și este produsul masei m și viteza v :

p = m v

Cu caractere aldine în p și v indică faptul că sunt cantități fizice vectoriale, adică sunt cantități cu magnitudine, direcție și sens.

Pe de altă parte, masa m este o cantitate scalară, căreia i se atribuie un număr care poate fi mai mare sau egal cu zero, dar niciodată negativ. Până în prezent nu a fost găsit niciun obiect de masă negativă în universul cunoscut.

Newton și-a dus imaginația și abstracția la extrem, definind așa-numita particulă liberă. O particulă este un punct material. Adică este ca un punct matematic, dar cu masă:

O particulă liberă este acea particulă care este atât de izolată, atât de departe de un alt obiect din univers, încât nimic nu poate exercita vreo interacțiune sau forță asupra sa.

Mai târziu, Newton a continuat să definească sistemele de referință inerțiale, care vor fi cele în care se aplică cele trei legi ale mișcării. Iată definițiile conform acestor concepte:

Sistem de referință inerțial

Orice sistem de coordonate atașat la o particulă liberă sau care se mișcă cu viteză constantă în raport cu particulele libere, va fi un sistem de referință inerțială.

Prima lege a lui Newton (legea inerției)

Dacă o particulă este liberă, atunci are un impuls constant în raport cu un cadru de referință inerțial.

Prima lege și impulsul lui Newton. Sursa: realizată de sine.

Exerciții rezolvate

Exercitiul 1

Un puc de hochei de 160 de grame merge pe patinoar cu 3 km / h. Găsiți-i impulsul.

Soluţie

Masa discului în kilograme este: m = 0,160 kg.

Viteza în metri peste secundă: v = (3 / 3.6) m / s = 0.8333 m / s

Cantitatea de mișcare sau moment p este calculată după cum urmează: p = m * v = 0,1333 kg * m / s,

Exercițiul 2

Fricțiunea din discul anterior este considerată nulă, deci impulsul este păstrat atât timp cât nimic nu modifică cursul drept al discului. Cu toate acestea, se știe că două forțe acționează asupra discului: greutatea discului și forța de contact sau normală pe care podeaua o exercită.

Calculați valoarea forței normale în newton și direcția acesteia.

Soluţie

Din moment ce se păstrează impulsul, forța rezultată pe pucul de hochei trebuie să fie zero. Greutatea se orientează vertical în jos și este valabilă: P = m * g = 0,16 kg * 9,81 m / s²

Forța normală trebuie să contracareze în mod necesar greutatea, deci trebuie să fie orientată vertical în sus, iar mărimea sa va fi de 1,57 N.

Articole de interes

Exemple de legi ale lui Newton în viața reală.

Referințe

1. Alonso M., Finn E. Volumul fizicii I: Mecanică. 1970. Fondo Educativo Interamericano SA
2. Hewitt, P. Știința fizică conceptuală. A cincea ediție. Pearson. 67-74.
3. Tânăr, Hugh. Universitatea de fizică cu fizică modernă. Ediția a 14-a Pearson. 105-107.