החוק הראשון של ניוטון: נוסחאות, ניסויים ותרגילים - גוּפָנִי - 2025

החוק הראשון של ניוטון , הידוע גם בשם חוק ההתמדה, הוצע לראשונה על ידי אייזק ניוטון, פיזיקאי, מתמטיקאי, פילוסוף, תיאולוג, ממציא אנגלי אלכימאי. חוק זה קובע את הדברים הבאים: "אם חפץ לא נתון לכוח כלשהו, ​​או אם הכוחות הפועלים עליו מבטלים זה את זה, הוא ימשיך לנוע במהירות קבועה בקו ישר."

בהצהרה זו מילת המפתח היא תמשיך. אם יתקיימו הנחות היסוד של החוק, האובייקט ימשיך בתנועתו כפי שהיה. אלא אם כן מופיע כוח לא מאוזן ומשנה את מצב התנועה.

הסבר על החוק הראשון של ניוטון. מקור: תוצרת עצמית.

המשמעות היא שאם החפץ במנוחה הוא ימשיך לנוח, למעט אם כוח מוציא אותו מאותה מדינה. זה גם אומר שאם חפץ נע במהירות קבועה בכיוון ישר, הוא ימשיך לנוע ככה. זה ישתנה רק כאשר איזה גורם חיצוני מפעיל עליו כוח וישנה את מהירותו.

רקע החוק

אייזק ניוטון נולד בוולסטורפה מנור (בריטניה) ב- 4 בינואר 1643 ונפטר בלונדון בשנת 1727.

לא ידוע התאריך המדויק בו גילה סר איזק ניוטון את שלושת חוקי הדינמיקה שלו, כולל החוק הראשון. אך ידוע שהיה הרבה לפני פרסום הספר המפורסם עקרונות מתמטיים של פילוסופיה טבעית, ב- 5 ביולי 1687.

מילון האקדמיה המלכותית הספרדית מגדיר את המילה אינרציה כדלקמן:

"רכושם של גופים לשמירה על מצב מנוחתם או תנועתם אם לא על ידי פעולת כוח."

מונח זה משמש גם כדי לאשר כי כל סיטואציה נותרה ללא שינוי מכיוון שלא נעשה מאמץ להשיג זאת, ולכן לעיתים המילה אינרציה יש קונוטציה של שגרה או עצלנות.

הנוף הקדם-ניוטוני

לפני ניוטון, הרעיונות השולטים היו אלה של הפילוסוף היווני הגדול אריסטו, שאישר כי כדי שאובייקט ימשיך לפעול, כוח צריך לפעול עליו. כאשר הכוח ייפסק, אז גם התנועה. לא כך, אבל גם כיום רבים חושבים כך.

גלילאו גליליי, אסטרונום ופיזיקאי איטלקי מבריק שחי בין 1564 ל -1642, ניסה וניתח את תנועת הגופות.

אחת התצפיות של גלילאו הייתה שגוף המחליק על משטח חלק ומלוטש עם דחף ראשוני מסוים, לוקח יותר זמן לעצור ויש לו יותר תנועה בקו ישר, מכיוון שהחיכוך בין הגוף למשטח פחות.

ניכר כי גלילאו טיפל ברעיון האינרציה, אך הוא לא בא לנסח הצהרה מדויקת כמו ניוטון.

להלן אנו מציעים כמה ניסויים פשוטים, שהקורא יכול לבצע ולתמוך בתוצאות. תצפיות ינותחו גם לפי השקפת התנועה האריסטוטלית והנוף הניוטוני.

ניסויי אינרציה

ניסוי 1

תיבה מונעת על הרצפה ואז הכוח המניע מושעה. אנו מבחינים שהתיבה נוסעת בשביל קצר עד שהיא נעצרת.

בואו לפרש את הניסוי הקודם ואת תוצאותיו, במסגרת התיאוריות שלפני ניוטון ואז על פי החוק הראשון.

בחזון האריסטוטלי ההסבר היה ברור מאוד: התיבה נעצרה מכיוון שהכוח שהניע אותה הושעה.

במבט הניוטוני, התיבה ברצפה / הקרקע אינה יכולה להמשיך לנוע במהירות שהייתה בה ברגע שהכוח הושעה, מכיוון שבין הרצפה לתיבה ישנו כוח לא מאוזן, הגורם למהירות הירידה עד אשר תיבת נעצרת. זהו כוח החיכוך.

בניסוי זה, לא מתקיימים הנחות החוק הראשון של ניוטון, ולכן התיבה נעצרה.

ניסוי 2

שוב זו הקופסה על הרצפה / הקרקע. בהזדמנות זו נשמר הכוח על התיבה, באופן שהוא מפצה או מאזן את כוח החיכוך. זה קורה כאשר אנו גורמים לתיבה לעקוב במהירות קבועה ובכיוון ישר.

ניסוי זה אינו סותר את השקפת התנועה האריסטוטלית: התיבה נעה במהירות קבועה מכיוון שמופעל עליה כוח.

זה גם לא סותר את גישתו של ניוטון, מכיוון שכל הכוחות הפועלים על התיבה מאוזנים. בוא נראה:

• בכיוון האופקי הכוח המופעל על התיבה שווה ובכיוון ההפוך לכוח החיכוך בין התיבה לרצפה.
• אז הכוח הנקי בכיוון האופקי הוא אפס, וזו הסיבה שהתיבה שומרת על מהירותה וכיוונה.

כמו כן בכיוון האנכי הכוחות מאוזנים, מכיוון שמשקל התיבה שהוא כוח שמצביע אנכית כלפי מטה מפוצה בדיוק על ידי כוח המגע (או הרגיל) שהאדמה מפעילה על התיבה אנכית כלפי מעלה.

אגב, משקל התיבה נובע מהמשיכה הכבדית של כדור הארץ.

ניסוי 3

אנו ממשיכים עם התיבה מונחת על הרצפה. בכיוון האנכי הכוחות מאוזנים, כלומר הכוח האנכי נטו הוא אפס. זה בהחלט יהיה מפתיע מאוד אם התיבה תנוע כלפי מעלה. אבל בכיוון האופקי יש כוח חיכוך.

כעת, בכדי שתתקיים הנחת היסוד של החוק הראשון של ניוטון, עלינו להפחית את החיכוך לביטויו המינימלי. ניתן להשיג זאת בצורה גסה למדי אם אנו מחפשים משטח חלק מאוד אליו אנו מרססים שמן סיליקון.

מכיוון ששמן סיליקון מוריד את החיכוך כמעט לאפס, כך שכאשר תיבה זו נזרקת אופקית, הוא ישמור על מהירותו וכיוונו לאורך זמן.

זו אותה תופעה שמתרחשת עם מחליק על משטח קרח, או עם פאק הוקי הקרח כאשר הם מונעים ומשוחררים בעצמם.

במצבים המתוארים, שבהם החיכוך מצטמצם כמעט לאפס, הכוח שהתקבל הוא למעשה אפס והחפץ שומר על מהירותו, על פי החוק הראשון של ניוטון.

בתפיסה האריסטוטלית זה לא יכול היה לקרות, מכיוון שעל פי התיאוריה הנאיבית הזו תנועה מתרחשת רק כאשר יש כוח נטו על האובייקט הנע.

המשטח הקפוא יכול להיחשב כחיכוך נמוך מאוד. מקור: Pixabay.

ההסבר הראשון של ניוטון

אינרציה ומסה

מסה היא כמות פיזית המציינת את כמות החומר שיש בגוף או בחפץ.

מסה אז היא תכונה מהותית של החומר. אבל החומר מורכב מאטומים שיש להם מסה. מסת האטום מרוכזת בגרעין. הפרוטונים והנויטרונים בגרעין הם המגדירים באופן מעשי את מסת האטום והחומר.

המסה נמדדת בדרך כלל בקילוגרמים (ק"ג), היא היחידה הבסיסית של מערכת היחידות הבינלאומית (SI).

אב-הטיפוס או הפניה לק"ג הוא גליל פלטינה ואירידיום שנשמר במשרד הבינלאומי למשקולות ומדדים בסברס בצרפת, אם כי בשנת 2018 הוא נקשר לקבוע פלאנק וההגדרה החדשה נכנסת לתוקף החל משנת 2018 20 במאי 2019.

ובכן, קורה שאינרציה ומסה קשורים זה בזה. ככל שהמסה גדולה יותר, יש לאובייקט אינרציה גדולה יותר. הרבה יותר קשה או יקר מבחינת האנרגיה לשנות את מצב התנועה של עצם מסיבי יותר מאשר פחות מסיבי.

דוגמא

לדוגמה, דרוש הרבה יותר כוח והרבה יותר עבודה כדי להרים קופסה של טון (1000 ק"ג) מנוחה מאשר תיבה של קילוגרם (1 ק"ג). זו הסיבה שלעתים קרובות נאמר שלראשון יש יותר אינרציה מהשנייה.

בשל הקשר בין האינרציה והמיסה, ניוטון הבין כי המהירות בלבד אינה מייצגת את מצב התנועה. זו הסיבה שהוא הגדיר כמות הידועה כמומנטום או מומנטום שמצוינת על ידי האות p והיא תוצר המסה m והמהירות v :

p = m v

המודגשים ב- p ו- v מעידים כי מדובר בכמויות פיזיקליות וקטוריות, כלומר מדובר בכמויות בעוצמה, כיוון וחוש.

מצד שני, המסה m היא כמות סקלרית, שאליה מוקצה מספר שיכול להיות גדול או שווה לאפס, אך לעולם לא שלילי. עד כה לא נמצא שום אובייקט של מסה שלילית ביקום הידוע.

ניוטון לקח את דמיונו והפשטתו עד הקצה והגדיר את החלקיק החופשי שנקרא. חלקיק הוא נקודה חומרית. כלומר, זה כמו נקודה מתמטית אבל עם מסה:

חלקיק חופשי הוא אותו חלקיק שהוא כל כך מבודד, כל כך רחוק מאובייקט אחר ביקום ששום דבר לא יכול להפעיל עליו שום אינטראקציה או כוח.

בהמשך ניוטון המשיך להגדיר את מערכות ההתייחסות האינרציאליות, שיהיו אלה בהן חלות שלושת חוקי התנועה שלו. להלן ההגדרות על פי מושגים אלה:

מערכת הפניה אינרציאלית

כל מערכת קואורדינטות המחוברת לחלקיק חופשי, או שזזה במהירות קבועה ביחס לחלקיק החופשי, תהיה מערכת הפניה אינרציאלית.

החוק הראשון של ניוטון (חוק האינרציה)

אם חלקיק חופשי, אז יש לו תנופה קבועה ביחס למסגרת התייחסות אינרציאלית.

החוק והמומנטום הראשון של ניוטון. מקור: תוצרת עצמית.

תרגילים שנפתרו

תרגיל 1

פאק הוקי של 160 גרם עובר על משטח הקרח במהירות של 3 קמ"ש. מצא את המומנטום שלה.

פִּתָרוֹן

מסת הדיסק בקילוגרמים הוא: m = 0.160 ק"ג.

מהירות מטרים על שנייה: v = (3 / 3.6) m / s = 0.8333 m / s

כמות התנועה או המומנטום p מחושבים כך: p = m * v = 0.1333 ק"ג * מטר / שניות,

תרגיל 2

החיכוך בדיסק הקדמי נחשב לאפס, ולכן המומנטום נשמר כל עוד שום דבר לא משנה את מהלכו הישר של הדיסק. עם זאת, ידוע ששני כוחות פועלים על הדיסק: משקל הדיסק והמגע או הכוח הנורמלי שהרצפה מפעילה עליו.

חשב את הערך של הכוח הנורמלי בניוטונים ואת כיוונו.

פִּתָרוֹן

מכיוון שנשמר המומנטום, הכוח המתקבל על פאק ההוקי חייב להיות אפס. המשקל מצביע אנכית כלפי מטה והוא תקף: P = m * g = 0.16 ק"ג * 9.81 m / s²

הכוח הנורמלי חייב בהכרח לנטרל את המשקל, ולכן עליו להפנות אנכית כלפי מעלה ועוצמתו תהיה 1.57 N.

מאמרי עניין

דוגמאות לחוק של ניוטון בחיים האמיתיים.

הפניות

1. Alonso M., Finn E. פיסיקה כרך א ': מכניקה. 1970. Fondo Educativo Interamericano SA
2. יואיט, פ. מדע פיזיקלי רעיוני. מהדורה חמישית. פירסון. 67-74.
3. צעיר, יו. פיזיקה אוניברסיטאית עם פיזיקה מודרנית. העיתון ה -14 פירסון. 105-107.