Mitä ovat Newtonin lait?

Newtonin kuuluisat liikesäännöt ovat kolme. Nämä lait säätivät Newtonin mekaniikan, toisin sanoen klassisen mekaniikan, perustan. Newtonin mekaniikka on kenttä, joka keskittyy laitevalikoimaan, joka ohjaa kohteen käyttäytymistä sen jälkeen, kun voimat toimivat kyseisellä esineellä.

Newtonin liikelaki

Nämä kolme lakia on kirjoitettu vuosisatojen aikana monin eri tavoin, ainakin kolme, mutta ne voidaan esittää lyhyesti seuraavasti:

Ensimmäisessä laissa todetaan, että objekti joko pysyy staattisena tai jatkaa liikkumista vakionopeudella, ellei sitä muuta muuta voimaa. Tämä laki olettaa, että kohde on inertia-viitekehyksessä. Inertiaalinen viitekehys on sellainen, jossa staattiseen tai kiinteään kehoon vaikuttavien voimien nettovoima on nolla. Tämä kehys tarkoittaa, että tämä runko pysyy paikallaan tai liikkuu vakionopeudella.

Toinen laki olettaa myös, että kohde on inertia-viitekehyksessä. Laissa todetaan, että kehon vektorien kokonaismäärä (F: llä) on sama kuin sen ruumiin massan (merkitään m) ja sen kiihtyvyyden (merkitty a). Matemaattisesti tämä tarkoittaa, että: F = m * a. Toinen oletus pitää mielessä, että massa ei muutu.

Kolmas liikelaki on tunnetumpi. Kun yksi kokonaisuus käyttää voimaa (F) toisella esineellä, niin toinen runko myös työntää takaisin voimalla, joka on yhtä suuri kuin F. Jokaisessa toiminnassa on sama ja vastakkainen reaktio.

Historia ja yleiskatsaus

Kolme lainsäädäntöaloitetta koottiin aluksi yhdenkään muun kuin Isaac Newtonin johdosta, jolloin nimi oli Newtonin liikelaki. Newton kirjoitti ensimmäistä kertaa vuonna 1687 liikettä koskevat säännöt julkaisussaan Luonnonfilosofian matemaattiset periaatteet ( Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica latinaksi).

Isaac Newton pyrki selittämään, miksi esineet käyttäytyvät niin kuin ne liikkuvat tai miksi he pysyvät tavalla, jota he tekevät, toisin sanoen liikkumatta. Näin ollen hän käytti lakeja yhdessä muun lain kanssa selittääkseen järjestelmien liikettä sekä fyysisiä esineitä.

Toinen kriittinen asia Newtonin lainsäädännössä on, että niitä voidaan soveltaa kohteisiin, joita pidetään yhden pisteen massina. Tämä termi tarkoittaa, että objektin muoto ja koko jätetään huomiotta, jotta tarkennus voi olla sen liikkeellä. Tämä näkymä soveltuu, jos kohteet ovat pieniä verrattuna etäisyyksiin, jotka ovat mukana analysoinnin aikana. Tällä tavoin voidaan minkä tahansa kohteen koosta riippumatta konseptoida analysoitavaksi hiukkaseksi.

Kuten edellä todettiin, nämä kolme lakia eivät riitä selittämään kaikkien esineiden liikekäyttäytymistä. Esimerkiksi hän ei voinut selittää Keplerin planeettatoiminnan lakeja, ennen kuin hän yhdisti liikkeensa lain toisen lain mukaan, jota kutsuttiin universaalisen gravitaation laiksi. Näitä lakeja ei myöskään voida käyttää selittämään deformoituvien ja jäykkien kappaleiden liikettä. Itse asiassa Leonhard Euler yleistyi vuonna 1750 Newtonin liikelakia niin, että niitä voitaisiin soveltaa myös jäykkiin ja deformoituviin esineisiin. Eulerin laeissa, jotka voidaan johtaa alkuperäisistä Newtonin laeista, objektin oletetaan olevan erillisiä hiukkasia, joita kukin ohjaa Newtonin lait. Eulerin lakeja voidaan kuitenkin olettaa olevan aksiomeja, jotka kuvaavat laajennettujen kokonaisuuksien liikelakia riippumatta hiukkasten rakenteesta.

Kuten aiemmin on todettu, Newtonin lakeja voidaan soveltaa vain kehysten joukossa, joita kutsutaan inertiaviitekehyksiksi, joita kutsutaan joskus Newtonin viitekehyksiksi. Tiedemiehet ovat kuitenkin keskustelleet ensimmäisestä ja toisesta lainsäädännöstä. Yksi ajatuskoulu väittää, että ensimmäinen Newtonin laki kuvaa, mitä inertiaalinen viitekehys on, ja näin ollen toinen laki on totta, jos ja vain, jos se havaitaan inertia-viitekehyksestä. Kun kaikki nämä tekijät otetaan huomioon, on mahdotonta määrittää näiden kahden lain erityispiirteitä. Toinen ajatuskoulu väittää, että ensimmäinen laki on seurausta toisesta.

Näiden lakien toinen näkökohta pitää mielessä, että erityinen suhteellisuus on vanhentunut Newtonin lakia. Tämä ei tarkoita sitä, että ne ovat hyödyttömiä. Lainsäädäntö soveltuu liikkuvien kohteiden käyttäytymisen lähentämiseen, kun niiden nopeudet ovat valon alapuolella.

Kolme lakia yksityiskohtaisesti

Ensimmäinen laki

Newtonin ensimmäinen laki toteaa, että liikkuvan kohteen nopeuden on pysyttävä vakiona, jos nettovoima on nolla. Tällöin voima viittaa vektorin summaamiseen kaikista voimista, jotka vaikuttavat kyseiseen kehoon. Nopeus on vektorin määrä, koska se osoittaa sekä kehon nopeuden että sen liikkeen suunnan. Tämä tarkoittaa sitä, että vakionopeus kuvaa esineen vakion suunnan ja nopeuden.

Matemaattisen kaavan mukaan se muuttuu: ∑F = 0 ↔ d v / d t = 0. Kaavassa v edustaa nopeutta, kun t edustaa aikaa. Kaava vain osoittaa, että liikkumaton kohde pysyy tällöin paitsi, jos voima vaikuttaa siihen, ja liikkuva elin ei muuta sen nopeutta, ellei siihen ole vaikutusta. Tällaista liikettä kutsutaan yhtenäiseksi liikkeeksi. Hyvä tapa osoittaa tämä on pöytäliina-kokeilun avulla. Pöytäliinan päälle sijoitetut astiat pysyvät sellaisina kuin ne ovat, kun pöytäliina poistetaan taitavasti ja nopeasti. Se ei ole temppu vaan Newtonin laki toiminnassa. Liikkuvan kohteen luonnollinen taipumus on pysyä sellaisena kuin se on. Jos joku haluaa muuttaa tätä suuntausta, kyseiseen kohteeseen on sovellettava voimaa. Tämä laki sisältää myös viitekehyksen kahdelle muulle laitokselle.

Toinen laki

Toinen tapa esittää toinen laki on kohteen nopeuden muutosnopeus suoraan suhteessa sovellettavan voiman määrään. Myös tämä muutos sen vauhdissa tapahtuu samaan suuntaan kuin sovellettu voima.

Matemaattisesti se voidaan ilmaista F = d p / dt = d (m v ) / dt. P on massan ( m ) ja nopeuden ( v ) tuote, kun taas t edustaa aikaa. Kaava on yksi tapa ilmaista tätä, mutta on myös mahdollista ilmaista se kohteen kiihtyvyyden kannalta. Lain määrittelyssä oletetaan, että massa on vakio. Siksi sitä ei tarvitse sisällyttää erottelumenetelmään. Siksi siitä tulee: F = m (d v / d t ). Koska nopeus ( v ) jaettuna ajallisesti ( t ) antaa kiihtyvyyden, kaava muuttuu nyt F = m * a .

Yksikön saavuttama tai hävinnyt massa vaikuttaa myös kohteen vauhtiin, joka ei olisi ulkoisen voiman seuraus, ja erilainen yhtälö on välttämätön. Myös suuremmilla nopeuksilla lasketaan, että kohteen massan leveys ja sen nopeus ovat epätarkkoja.

Impulssi

Impulssit ( J ) tapahtuvat, kun voima ( F ) vaikuttaa objektiin aikavälillä (Δt), koska sen matemaattinen ilme on paljon lähempänä Newtonin toisen lain sanamuotoa. Impulssin käsitettä käytetään enimmäkseen törmäysten analysoinnissa. Matemaattisesti se muuttuu: J = Δ p = m * Δ v .

Vaihtelevan massan järjestelmissä, esimerkiksi polttoainetta polttava raketti, toista lakia ei voida soveltaa, koska ne ovat auki. Sellaisenaan sen massan asettaminen sen ajaksi on virheellinen.

Newtonin kolmas laki

Viimeisessä liikettä koskevassa laissa todetaan, että kaikki kahden elimen väliset voimat tekevät niin suuruusluokkaa ja vastakkaisiin suuntiin. Jos esimerkiksi kohde 1 käyttää suuruusluokkaa F2 toisella rungolla 2, niin Newtonin kolmas laki toteaa, että objektin 2 on käytettävä voimakkuus -F2, niin että F2 = - F2. Tuloksena oleva kokonaisvoima on nolla. Tämä tarkoittaa, F + + - (F) = 0.

Tämä laki osoittaa, että kaikki syntyneet voimat ovat suora seuraus eri elinten vuorovaikutuksesta. Se osoittaa myös, että voima ei voi olla olemassa ilman, että sen vastaava ja vastakkainen vastaava peruuttaa sen. Voima voi määrittää voiman suunnan ja suuruuden. Esimerkiksi objekti 1 voi olla yksi voimaa käyttävä voima, joten sitä kutsutaan "toiminta" -voimaksi, jonka voimaa objektista 2 kutsutaan "reaktiovoimaksi". Nämä kaksi nimeä ovat, miksi kolmatta lakia kutsutaan joskus "toiminta-reaktio" -laiksi. Toisinaan on kuitenkin mahdotonta selvittää, mikä näistä kahdesta voimasta on toiminta ja mikä on reaktio. Yksi voima ei ole mahdollista ilman toista. Käytännön esimerkki tästä on, kun joku kävelee. He työntävät maata vasten, ja maa työntää takaisin.