Tiede > Fysiikka > Fysiikka > Voima > Newtonin ensimmäinen liikelaki
Newtonin liikelait ovat kolme fysikaalista lakia, jotka yhdessä loivat perustan klassiselle mekaniikalle. Tässä artikkelissa käsittelemme Newtonin ensimmäistä liikelakia ja kappaleen inertian käsitettä.
Newtonin ensimmäisen liikelain sanamuoto:
Jokainen aineellinen kappale pysyy edelleen lepotilassaan tai tasaisen liikkeen tilassaan suorassa linjassa, ellei ulkoinen epätasapainoinen voima vaikuta siihen ja muuta liiketilaa. Tätä lakia kutsutaan myös inertiaalilaiksi.
Selitys: Ensimmäinen osa antaa meille käsitteen inertia, kun taas toinen osa auttaa meitä määrittelemään voiman. Ensimmäinen osa osoittaa, että jos kappale on levossa, se ei voi lähteä liikkeelle itsestään. Vastaavasti, jos kappale on tasaisessa liikkeessä suorassa linjassa, se ei voi lisätä tai vähentää nopeuttaan tai muuttaa suuntaa itsestään. Kukin kappale on siis kyvytön itse muuttamaan lepotilaa tai tasaisen liikkeen tilaa suoralla linjalla, ja tätä kappaleen luontaista ominaisuutta kutsutaan kappaleen inertiaominaisuudeksi. Kappaleen inertia riippuu kappaleen massasta. Massa on siis kappaleen inertian mitta.
Lain toinen osa auttaa meitä voiman määrittelyssä. Ensimmäisessä osassa olemme nähneet, että kappale ei voi muuttaa liiketilaansa itsestään, vaan siihen tarvitaan jokin ulkoinen fysikaalinen suure. Tätä ulkoista fysikaalista suureen, jota tarvitaan kappaleen liiketilan muuttamiseen, kutsutaan voimaksi.
Kappaleen inertia-käsite:
- Kappaleen taipumusta vastustaa lepotilan tai tasaisen liikkeen tilan muutosta kutsutaan kappaleen inertia-ajaksi.
- Jos kappaleeseen ei kohdistu epätasapainoista voimaa, niin lepotilassa oleva kappale pysyy levossa. Tätä inertiaa kutsutaan joskus lepotilan inertiaksi.
- Jos kappaleeseen ei kohdistu epätasapainoista voimaa, niin suoraa viivaa pitkin tasaisessa liikkeessä oleva kappale pysyy tasaisessa liikkeessä samaa suoraa viivaa pitkin. Tätä inertiaa kutsutaan joskus liikkeen inertiaksi.
- Kappaleen taipumusta jatkaa tasaista liikettä lineaarisessa suunnassa kutsutaan suunnan inertiaksi.
Esimerkkejä levon inertiasta:
Esim: Kolikko asetetaan sileälle kortille, joka toimii lasin kannena. Kun korttia vedetään yhtäkkiä vaakasuoraan, kolikko putoaa lasiin. (Levossa oleva inertia)
Erittely: Kun korttia vedetään vaakasuoraan, se saa liikettä vetovoiman vaikutuksesta. Mutta koska kolikkoon ei vaikuta mitään voimaa vaakasuunnassa. Kolikko, joka alun perin oli kortin päällä inertian vuoksi levossa, pysyy levossa. Näin se irtoaa kortista. Nyt alhaalla ei ole tukea kortti putoaa lasiin painovoiman vaikutuksesta.
Lisäesimerkkejä lepotilan inertiasta:
- Pyöräilijä, joka ajaa pitkin tasaista tietä, ei pysähdy välittömästi sen jälkeen, kun hän lopettaa polkemisen.
- Lyömällä lyöjällä karom-kolikkokasan pohjalla olevaa kolikkoa, tämä kolikko vain siirtyy pois, kun taas muu kasa pysyy alkuperäisessä paikassaan.
- Kun roikkuvaa mattoa lyödään kepillä, siitä alkaa irrota pölyhiukkasia. Kun mattoa lyödään kepillä, matto lähtee liikkeelle. Mutta inertian vuoksi pölyhiukkaset pysyvät paikoillaan. Näin ne irtoavat matosta.
- Tärisyttäessä tai annettaessa nykäyksiä puun oksille, hedelmät putoavat alas. Kun oksia ravistellaan yhteen suuntaan, hedelmät ja lehdet pysyvät inertian vuoksi alkuperäisessä asennossaan lepotilan inertian vuoksi. Tämä aiheuttaa varren katkeamisen ja ne putoavat alas.
- Kun luoti ammutaan lasi-ikkunaan, siihen syntyy reikä. Tämä johtuu siitä, että vain se osa lasista liikkuu luodin mukana, jossa luoti osuu lasiin. Jäljelle jäävä osa pysyy inertiasta johtuen paikallaan. Näin luoti pystyy muodostamaan reiän lasi-ikkunaan ikkunalasin inertian vuoksi.
- Taikuri nappaa pöytäliinan täyden astiaston alta. Kun pöytäliina vedetään, se lähtee liikkeelle, mutta pöytäastiat pysyvät levossa olevan inertian vuoksi pöydällä.
- Kun paikallisjuna lähtee liikkeelle tai pysähtyy äkillisesti, joidenkin osastojen liukuovet saattavat avautua tai sulkeutua.
Esimerkki liikkeen inertiasta:
Esimerkki: Kun paikallaan oleva bussi lähtee liikkeelle, bussissa olevat matkustajat kallistuvat taaksepäin samalla tavalla, kun tasaisella nopeudella liikkuva bussi pysähtyy yhtäkkiä, matkustajat liikkuvat eteenpäin. (Liikkeen inertia)
Erittely: Kun bussi on paikallaan, myös matkustajat ovat paikallaan. Kun bussi lähtee liikkeelle, bussin kanssa kosketuksissa oleva ruumiinosa (alaosa) lähtee liikkeelle, mutta inertian vuoksi yläosa pysyy paikallaan ja näin hän nojaa taaksepäin. Jos hän seisoo, hän kaatuu taaksepäin. Kun bussi liikkuu tasaisesti suorassa linjassa, matkustajat liikkuvat samalla tavalla. Kun bussi pysähtyy, kehon osa (alaosa), joka on kosketuksissa bussiin, pysähtyy, mutta inertian vuoksi yläosa liikkuu edelleen eteenpäin, ja näin ollen hän liikkuu eteenpäin. Jos hän seisoo, hän kaatuu eteenpäin.
Lisäesimerkkejä:
- Kun matkustaja hyppää ulos liikkuvasta junasta, hän kaatuu. Tämä johtuu siitä, että heti kun henkilö poistuu liikkuvasta junasta, hänen nopeutensa on sama kuin junan nopeus. Kun hänen jalkansa koskettavat maata, hänen ruumiinsa alaosa pysähtyy, mutta ruumiin yläosa jatkaa matkaansa alkuperäisellä nopeudella. Tämä saa hänet putoamaan eteenpäin. Välttääkseen tämän hänen on juostava eteenpäin, kunnes hänen nopeutensa vähenee nollaan.
- Pallo, jonka henkilö heittää pystysuoraan ylöspäin liikkuvassa junassa, palaa takaisin hänen käteensä. Syynä on se, että sillä hetkellä, kun pallo heitettiin, pallo oli liikkeen inertian vuoksi liikkeessä henkilön ja junan mukana. Joten sinä aikana, kun pallo pysyy ilmassa, sekä henkilö että pallo liikkuvat saman matkan eteenpäin. Tämä saa pallon palaamaan takaisin käteen palatessaan.
- Urheilijat juoksevat ennen pituushyppyä kasvattaakseen nopeuttaan ja sitä kautta liikkeen inertiaa. Lisääntynyt liikkeen inertian ansiosta hän pystyy hyppäämään pidemmän matkan.
- Urheilijat (pituushyppääjät / keihäänheittäjät / kuulantyöntäjät) eivät useinkaan onnistu pysäyttämään itseään ennen vikaviivaa, koska liikkeen inertian vuoksi urheilijan vartalon ylempi osa jatkaa liikkumista eteenpäin, kun taas alempi osa pysähtyy. Näin ollen hän ei välttämättä pysty pysähtymään vikaviivalle ja ylittää sen.
Esimerkki suunnan inertiasta :
Esimerkki: Kun ajoneuvo kääntyy äkillisesti vasemmalle, ajoneuvossa istuva henkilö työntyy oikealle. (Suunnan inertia)
Erittely: Kun ajoneuvo kääntyy jyrkästi vasemmalle, se muuttaa suuntaa. Kun taas ajoneuvon sisällä istuva henkilö pyrkii liikkumaan alkuperäiseen suuntaan inertian vuoksi. Näin ollen häntä työnnetään oikealle.
Lisäesimerkkejä:
- Kun linja-auto tekee mutkan mutkassa, matkustajien on pidettävä kiinni jostain tuesta, jotta he eivät heilahda. Bussi ja matkustaja ovat molemmat liikkeessä. Kun bussi muuttaa suuntaa, matkustajat jatkavat liikkumista samaan suuntaan suunnan inertian vuoksi. Jos matkustajat eivät pidä kiinni jostain tuesta joutuisivat heittelehtimään kyseiseen suuntaan.
Huomautukset:
- Jos kappale on levossa, kappaleeseen vaikuttava nettovoima on nolla.
- Jos kappale liikkuu tasaisessa liikkeessä suorassa linjassa, kappaleeseen vaikuttava nettovoima on nolla.
- Jos kappale ei ole levossa eikä tasaisessa liikkeessä, niin kappaleeseen vaikuttava nettovoima ei ole nolla.
- Jos kappale muuttaa suuntaa, niin kappaleeseen vaikuttava nettovoima ei ole nolla.
- Jos kappaleeseen vaikuttava nettovoima on nolla, niin kappale on levossa tai tasaisessa liikkeessä suorassa.
- Jos kappaleeseen vaikuttava nettovoima ei ole nolla, niin kappale ei ole levossa eikä tasaisessa liikkeessä suorassa.
Liikkuvan ajoneuvon pysäyttäminen:
Jos auton moottori sammutetaan tai jarrutetaan auton pysäyttämiseksi, auto ei pysähdy heti. Joskus kuljettajan on käytettävä hätäjarruja. Aikaväliä, joka kuluu esteen näkemisen ja jarrutuksen tosiasiallisen käyttämisen välillä, kutsutaan reagointiajaksi tai harkinta-ajaksi. Auton tänä aikana kulkemaa matkaa kutsutaan ajattelumatkaksi. Aikaväliä jarrujen käytön ja auton todellisen pysähtymisen välillä kutsutaan jarrutusajaksi. Auton tänä aikana kulkemaa matkaa kutsutaan jarrutusmatkaksi. Ajomatkan ja jarrutusmatkan summaa kutsutaan pysähtymismatkaksi. Onnettomuuden välttämiseksi pysähtymismatkan tulisi siis olla pienempi kuin esteen etäisyys sen havaitsemispisteestä.
Jyvien siivilöinti:
Siivilöinnillä jyvät erotetaan kuoresta. Niittäminen on maatalousprosessi, jossa jyvä ja kuori erotetaan toisistaan. Jyvällä on suurempi massa kuin kuorella. Näin ollen jyvän inertia on suurempi kuin kuoren. Näin ollen niiden liikeradan muuttamiseen tarvitaan enemmän voimaa. Kun jyvät pudotetaan korkealta loivassa tuulessa, ne putoavat suuremman inertiansa vuoksi vain pystysuoraan alas. Kuorihiukkasilla on häviävän pieni massa ja hyvin pieni inertia. Näin ollen niiden liikeradan muuttamiseen tarvitaan pieni voima. Kun ne pudotetaan korkealta loivassa tuulessa, ne kulkeutuvat tuulen suuntaan jonkin matkaa. Näin kuori ja vilja irtoavat toisistaan.
Matkatavarat bussin katolle sidotaan:
Matkatavarat on suositeltavaa sitoa köysillä bussin katolle. Kun bussin liikkuessa (erityisesti suurella nopeudella) tiellä yhtäkkiä pysähtyy tai vaihtaa yhtäkkiä suuntaa, matkatavarat katolla liikkeen ja suunnan inertiasta johtuen pysyvät edelleen liikkeessä tai samassa liikesuunnassa. Tämän seurauksena matkatavarat voivat heittäytyä ulos bussin katolta, jos niitä ei ole sidottu köydellä.
Liinojen kuivuminen ravistamalla:
Kun märkää liinaa ravistetaan, vesihiukkaset alkavat irrota siitä. Kun liinaa ravistetaan, kangas lähtee liikkeelle. Mutta inertian vuoksi vesihiukkaset pysyvät paikoillaan. Näin ne irtoavat märästä kankaasta. Näin liina voidaan kuivata aikaisemmin.
Autossa istuva henkilö yrittää liikuttaa autoa kohdistamalla voimaa sen seinämiin.Liikkuuko auto?
Newtonin ensimmäinen laki sanoo, että ”Jokainen aineellinen kappale pysyy edelleen lepotilassaan tai tasaisen liikkeen tilassaan suorassa linjassa, ellei siihen kohdistu ulkoista epätasapainoista voimaa, joka muuttaa liiketilaa”. Lepotilassa olevan kappaleen liikuttamiseen tarvitaan siis jokin ulkoinen epätasapainoinen voima. Tässä tapauksessa henkilön käyttämä voima on sisäinen. Näin ollen auto ei liiku.
Esimerkkejä, joissa pieni inertia on edullinen ja esimerkki, jossa suuri inertia on edullinen (suositeltava):
Puuseppä työskentelee puun ja naulojen kanssa. Naulojen lyömiseen puuhun tarvitaan vähemmän voimaa. Näin ollen vasaran pieni inertia on suositeltavaa. Näin ollen kirvesmiehen vasara on esimerkki pienestä inertiasta. Seppä työskentelee raudan ja teräksen kanssa. Raudan tai teräksen muodon muuttamiseen tarvitaan suuri voima. Näin ollen suositellaan vasaran suurta hitausvoimaa. Näin ollen sepän vasara on esimerkki suuresta inertiasta.
Edellinen Aihe: Seuraava aihe: Tasapainotetun ja epätasapainoisen voiman käsite
Seuraava aihe: Newtonin toinen liikelaki