Zasady dynamiki Newtona - czy znasz je wszystkie?
Zasady dynamiki Newtona to trzy zasady, które określają związki między ruchem ciała a siłami, które na nie działają. Sformułowane zostały w 1687 roku przez angielskiego fizyka Isaaca Newtona. Pierwsza zasada Newtona określa pojęcie siły, druga pozwala mierzyć działanie siły, trzecia zaś głosi, że żadna siła nie może działać w izolacji. O zasadach dynamiki Newtona uczymy się w szkole podstawowej, a ich znajomość może przydać się na egzaminie ósmoklasisty lub na maturze. Jak brzmią zasady dynamiki Newtona?
1. Do czego służą zasady dynamiki Newtona?
Zasady dynamiki Newtona zastąpiły obowiązującą wcześniej fizykę Arystotelesa. Dzięki nim zniknęły takie pojęcia, jak absolutny spoczynek i absolutny ruch, który traktowany jest obecnie jako pewien stan, a nie jak sądzono wcześniej proces.
Zasady te stosujemy do punktów materialnych, będących idealizacją rzeczywistych ciał w taki znaczeniu, że kształt i wielkość obiektu są zaniedbane. Odpowiada to ciałom niewielkim w porównaniu do odległości między nimi. Odkształcenia oraz obrót ciała nie mają tutaj znaczenia.
W taki sposób nawet planeta może być potencjalnym punktem materialnym, jeśli analizujemy ruch orbitalny wokół gwiazdy. W oryginalnej postaci zasady te nie są odpowiednie do określania ruchu ciał rozciągłych (a przede wszystkim ciał odkształconych). Pewnym uogólnieniem zasad dynamiki Newtona dla sztywnych niepunktowych ciał są prawa ruchu Eulera.
2. Pierwsza zasada dynamiki Newtona
Jak brzmi pierwsza zasada dynamiki Newtona? Jeśli na ciało nie działa żadna siła lub działające siły równoważą się, to ciało to pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym.
Przykładowe zastosowania I zasady dynamiki Newtona:
- piłka, którą koszykarz rzucił do kosza, porusza się samoistnie, chociaż koszykarz wypuścił ją z rąk - jest dalej w ruchu, mimo że koszykarz już na nią nie działa;
- uderzony kijem hokejowym krążek porusza się ze stałą prędkością, chociaż nikt go nie popycha - prędkość się nie zmieni, jeśli zaniedbamy tarcie;
- jabłko, które leży na ziemi, nie porusza się poziomo, ponieważ nikt do nie przesuwa - pozostaje w spoczynku, ponieważ żadne ciało na niego nie działa.
Pierwsza zasada dynamiki Newtona nazywana jest także zasadą bezwładności. Bezwładność ta polega na tym, że jeśli chcemy zmienić stan ciała, np. wprawić go w ruch, zmienić lub zatrzymać prędkość, musi działać na nie pewną siłą inne ciało.
Spośród kilku ciał to, które ma największą bezwładność, najtrudniej jest zatrzymać lub wprawić w ruch, gdy jest w ruchu.
3. Druga zasada dynamiki Newtona
Jaka jest druga zasada dynamiki Newtona? Jeśli na ciało działa siła, porusza się ono ruchem jednostajnie przyspieszonym wprost proporcjonalnym do tej siły oraz odwrotnie proporcjonalnym do masy ciała.
F = m x a
gdzie:
F = siła;
a = przyspieszenie;
m = masa.
Z drugiej zasady dynamiki Newtona wynika, że:
- jeśli taka sama siła działa na ciała o różnych masach, to powstałe przyspieszenia są tym większe, im mniejszą masę ma dane ciało;
- jeśli różne siły działają na ciało o pewnej masie, to przyspieszenie jest tym większe, im większa jest wartość siły wypadkowej;
Dzięki drugiej zasadzie dynamiki Newtona możemy zdefiniować jednostkę siły:
wartości siły - 1N, jeśli ciało o masie 1 kg uzyskuje wskutek działania tej siły przyspieszenie 1m/s².
1N = 1kg x 1m/s²
4. Trzecia zasada dynamiki Newtona
Jak brzmi trzecia zasada dynamiki Newtona? Oddziaływanie dwóch ciał jest zawsze wzajemne. Jeśli jedno ciało działa pewną siłą na drugie, to drugie działa na pierwsze taką samą siłą co do wartości i kierunki, o przeciwnym zwrocie.
Zasada ta nazywana jest również zasadą akcji i reakcji. Wszystkim akcjom towarzyszy reakcja o takiej samej wartości oraz kierunki, jednak zwrócona przeciwnie.
Zastosowania trzeciej zasady dynamiki Newtona:
- w czasie podskoku nogi dziecka wywierają siłę na powierzchnię ziemi, ziemia zaś wywiera taką samą siłę w kierunku przeciwnym, która wyrzuca dziecko w powietrze;
- w czasie startu rakiety, paliwo spalane wywiera siłę na powierzchnię ziemi, a dalej na powietrze, taka sama siła powoduje, że może wznieść się wyżej.
5. Zastosowanie i ograniczenia zasad dynamiki Newtona
Opisywane zasady stworzyły podstawy mechaniki klasycznej. Służą do opisywania większości zjawisk fizycznych, za wyjątkiem zjawisk, w których uczestniczą ciała o bardzo małej masie (np. elektrony) lub takich, w których ciała poruszają się z prędkością bliską prędkości światła.
Na początku XX wieku zasady dynamiki Newtona zostały zastąpione szczegółową teorią względności Alberta Einsteina, pozwalając na opisanie także tych zjawisk.
