Wetenschap > Natuurkunde > Kracht >De eerste bewegingswet van Newton

De bewegingswetten van Newton zijn drie natuurkundige wetten die samen de basis hebben gelegd voor de klassieke mechanica. In dit artikel zullen we de eerste bewegingswet van Newton en het concept traagheid van een lichaam bespreken.

Stelling van de eerste bewegingswet van Newton:

Elk stoffelijk lichaam blijft in zijn rusttoestand of toestand van eenparige beweging in een rechte lijn, tenzij het wordt beïnvloed door een externe onevenwichtige kracht die de bewegingstoestand verandert. Deze wet wordt ook wel de wet van de traagheid genoemd.

Uitleg: Deze wet bestaat uit twee delen, het eerste deel geeft ons het begrip traagheid, terwijl het tweede deel ons helpt bij het definiëren van de kracht. Het eerste deel geeft aan dat als een lichaam in rust is, het niet uit zichzelf kan gaan bewegen. Evenzo, als het lichaam in staat van eenparige beweging is in een rechte lijn, kan het zijn snelheid niet verhogen of verlagen of kan het de richting niet uit zichzelf veranderen. Aldus heeft elk lichaam het onvermogen om de staat van rust of de staat van eenparige beweging langs een rechte lijn uit zichzelf te veranderen deze inherente eigenschap van een lichaam wordt traagheid van een lichaam genoemd. De traagheid van een lichaam hangt af van de massa van het lichaam. De massa is dus een maatstaf voor de traagheid van een lichaam.

Het tweede deel van de wet helpt ons bij het definiëren van de kracht. In het eerste deel hebben wij gezien dat een lichaam zijn bewegingstoestand niet uit zichzelf kan veranderen, maar dat daarvoor een externe fysische grootheid nodig is. Deze externe fysische grootheid die nodig is om de bewegingstoestand van een lichaam te veranderen, wordt kracht genoemd.

Concept van traagheid van een lichaam:

• De neiging van het lichaam om zich te verzetten tegen de verandering van de toestand van rust of van de toestand van eenparige beweging wordt traagheid van het lichaam genoemd.
• Als er geen onevenwichtige kracht op een lichaam werkt, dan blijft het lichaam in rust. Deze traagheid wordt ook wel de traagheid van rust genoemd.
• Als er geen onevenwichtige kracht op een lichaam werkt, dan blijft het lichaam in eenparige beweging langs een rechte lijn in eenparige beweging langs dezelfde rechte lijn. Deze traagheid wordt ook wel de traagheid van beweging genoemd.
• De neiging van een lichaam om met eenparige beweging in een lineaire richting te blijven bewegen wordt traagheid van richting genoemd.

Voorbeelden van traagheid van rust:

Voorbeeld: Een muntstuk wordt op een gladde kaart gelegd die als deksel op een glas dient. Als de kaart plotseling in horizontale richting wordt getrokken, valt de munt in het glas. (Traagheid van rust)

Uitleg: Als er horizontaal aan de kaart wordt getrokken, ontstaat er beweging door de trekkracht. Maar omdat er in horizontale richting geen kracht op de munt werkt. De munt die aanvankelijk door traagheid op de kaart rustte, blijft in rust. Hij komt dus los van de kaart. Nu er aan de onderkant geen steun meer is, valt het kaartje onder invloed van de zwaartekracht in het glas.

Meervoorbeelden van traagheid of rust:

• Een fietser die over een vlakke weg rijdt, komt niet meteen tot rust als hij stopt met trappen.

• Als men met een stok op de onderste munt van een stapel carambolemunten slaat, beweegt deze munt alleen maar weg, terwijl de rest van de stapel op de oorspronkelijke plaats blijft.
• Als een hangend tapijt met een stok wordt geslagen, beginnen de stofdeeltjes eruit te komen. Wanneer een tapijt met een stok wordt geslagen, wordt het tapijt in beweging gebracht. Maar door inertie blijven de stofdeeltjes in rust. Zo komen zij los van het tapijt.
• Bij het schudden of het geven van rukken aan de takken van een boom, vallen de vruchten naar beneden. Wanneer takken in één richting worden geschud, blijven de vruchten en bladeren als gevolg van de traagheid van rust op de oorspronkelijke plaats. Hierdoor breekt de stengel af en vallen ze naar beneden.
• Wanneer een kogel op een glazen ruit wordt afgevuurd, ontstaat er een gat in. Dit komt omdat alleen dat deel van het glas met de kogel meebeweegt, waar de kogel het glas raakt. Het overige deel blijft door de traagheid op zijn plaats. De kogel is dus in staat een gat in de glazen ruit te vormen door de traagheid van de ruit.
• Een goochelaar grist een tafelkleed van onder een volledig servies. Wanneer aan het tafelkleed wordt getrokken, wordt het in beweging gebracht, maar het servies blijft door de traagheid van rust op de tafel staan.
• Wanneer de stoptrein plotseling start of stopt, kunnen schuifdeuren van sommige coupés open of dicht gaan.

Voorbeeld van traagheid van beweging:

Voorbeeld: Wanneer een stilstaande bus in beweging komt, gaan de passagiers in de bus achterover leunen. Wanneer een bus die met gelijke snelheid rijdt, stopt, gaan de passagiers plotseling naar voren. (Traagheid van beweging)

Uitleg: Als de bus stilstaat, staan de passagiers ook stil. Als de bus gaat rijden, gaat het deel van het lichaam (het onderste deel) dat in contact is met de bus bewegen, maar door traagheid blijft het bovenste deel stilstaan en gaat hij dus achterover leunen. Als hij staat zal hij achterover vallen. Wanneer de bus met een gelijkmatige beweging in een rechte lijn rijdt, hebben de passagiers dezelfde beweging. Wanneer de bus stopt, stopt het deel van het lichaam (het onderste deel) dat in contact is met de bus, maar door de traagheid blijft het bovenste deel voorwaarts bewegen en dus beweegt hij voorwaarts. Als hij staat zal hij voorover vallen.

MeerVoorbeelden:

• Wanneer een passagier uit een rijdende trein springt valt hij naar beneden. Dat komt omdat, zodra de persoon de rijdende trein verlaat, zijn snelheid dezelfde is als die van de trein. Wanneer zijn voeten in contact komen met de grond, komt het onderste deel van zijn lichaam tot stilstand, maar het bovenste deel van het lichaam blijft met de oorspronkelijke snelheid voortbewegen. Hierdoor valt hij in voorwaartse richting. Om dit te vermijden moet hij in voorwaartse richting lopen tot zijn snelheid tot nul is gereduceerd.
• Een bal die door een persoon in een rijdende trein verticaal omhoog wordt gegooid, komt terug in zijn hand. De reden hiervoor is dat op het moment dat de bal werd gegooid, de bal samen met de persoon en de trein in beweging was als gevolg van de traagheid van de beweging. Dus gedurende de tijd dat de bal in de lucht blijft, bewegen zowel de persoon als de bal even ver vooruit. Hierdoor komt de bal bij zijn terugkeer weer terug in zijn hand.
• Artleten rennen voordat zij een grote sprong maken, om zijn snelheid, en daarmee zijn traagheid van beweging, te vergroten. De verhoogde bewegingstraagheid stelt hem in staat een langere afstand te springen.
• Atleten (verspringers / speerwerpers / kogelstoters) slagen er vaak niet in zichzelf voor de foutlijn tot stilstand te brengen, omdat door de bewegingstraagheid het bovenste deel van het lichaam van de atleet in voorwaartse richting blijft bewegen, terwijl het onderste deel tot stilstand komt. Aldus kan hij niet bij de breuklijn tot stilstand komen en deze overschrijden.

Voorbeeld van de traagheid van de richting :

Voorbeeld: Wanneer een voertuig een plotselinge bocht naar links maakt, wordt de persoon die in het voertuig zit naar rechts geduwd. (Traagheid van richting)

Uitleg: Wanneer een voertuig een scherpe bocht naar links maakt, verandert het van richting. Terwijl de inzittende de neiging heeft zich in de oorspronkelijke richting te bewegen als gevolg van traagheid. Hij wordt dus naar rechts geduwd.

Meer voorbeelden:

• Wanneer een bus een bocht omgaat, moeten de passagiers zich aan een steun vasthouden om te voorkomen dat ze gaan slingeren. Zowel de bus als de passagier zijn in beweging. Wanneer de bus van richting verandert, blijven de passagiers in dezelfde richting bewegen als gevolg van de traagheid van de richting. Als de passagiers zich niet aan een steun vasthouden, worden ze in die richting geslingerd.

Noten:

• Als een lichaam in rust is, dan is de nettokracht die op het lichaam werkt nul.
• Als een lichaam zich in een uniforme beweging in een rechte lijn beweegt, dan is de nettokracht die op het lichaam werkt nul.
• Als een lichaam noch in rust noch in eenparige beweging is, dan is de op het lichaam werkende nettokracht niet nul.
• Als een lichaam van richting verandert, dan is de op het lichaam werkende nettokracht niet nul.
• Als de nettokracht die op een lichaam werkt nul is, dan moet het lichaam in rust zijn of eenparig bewegen in een rechte lijn.
• Als de nettokracht die op een lichaam werkt niet nul is, dan is het lichaam noch in rust noch in eenparige beweging in een rechte lijn.

Stoppen van een bewegend voertuig:

Als de automotor wordt uitgezet of de remmen worden bediend om een auto tot stilstand te brengen, staat de auto niet in één keer stil. Soms moet een bestuurder een noodstop maken. Het tijdsinterval tussen het zien van het obstakel en het daadwerkelijk toepassen van de rem wordt de reactietijd of de denktijd genoemd. De afstand die de auto in deze periode aflegt, wordt de denkafstand genoemd. Het tijdsinterval tussen het remmen en het daadwerkelijk tot stilstand komen van de auto wordt de remtijd genoemd. De afstand die de auto in deze periode aflegt, wordt de remafstand genoemd. De som van de denkafstand en de remafstand wordt de remafstand genoemd. Om een ongeval te vermijden moet de remafstand dus kleiner zijn dan de afstand van het obstakel tot het punt waarop men het ziet.

Het oogsten van granen:

Door het oogsten wordt het graan gescheiden van het kaf. Wieden is een landbouwkundig proces waarbij het graan en het kaf van elkaar worden gescheiden. Graan heeft een grotere massa dan het kaf. De inertie van graan is dus groter dan die van kaf. Er is dus meer kracht nodig om hun bewegingsbaan te veranderen. Wanneer ze van een hoogte vallen bij een zachte wind, vallen ze door hun grotere traagheid gewoon verticaal naar beneden. De bolsterdeeltjes hebben een verwaarloosbare massa en een zeer verwaarloosbare traagheid. Er is dus weinig kracht nodig om hun bewegingsbaan te veranderen. Wanneer ze van een hoogte in een zachte wind vallen, worden ze over enige afstand meegevoerd in de richting van de wind. Zo worden het kaf en het graan gescheiden.

Bagage op het dak van de bus vastbinden:

Het is raadzaam de bagage met touwen op het dak van de bus vast te binden. Wanneer een rijdende bus (vooral met een hoge snelheid) op de weg plotseling stopt of plotseling van richting verandert, blijft de bagage op het dak als gevolg van de traagheid van beweging en richting in de beweging of in dezelfde bewegingsrichting. Als gevolg hiervan kan de bagage van het dak van de bus worden geslingerd, indien deze niet met het touw is vastgebonden.

Drogen van doeken door schudden:

Wanneer een natte doek wordt geschud, beginnen de waterdeeltjes er uit te komen. Wanneer de doek wordt geschud, wordt de doek in beweging gebracht. Maar door traagheid blijven de waterdeeltjes in rust. Zo komen ze los van de natte doek.

Iemand die in een auto zit, probeert de auto te verplaatsen door kracht uit te oefenen op de wanden. Zal de auto bewegen?

De eerste wet van Newton stelt: “Elk stoffelijk lichaam blijft in zijn toestand van rust of van eenparige beweging in een rechte lijn, tenzij het wordt beïnvloed door een externe, onevenwichtige kracht die de bewegingstoestand verandert.” Om een lichaam in rust te bewegen is dus een uitwendige onevenwichtige kracht nodig. In dit geval, is de kracht die door de persoon wordt uitgeoefend intern. Daarom zal de auto niet bewegen.

Voorbeelden waarbij een lage traagheid de voorkeur verdient en een voorbeeld waarbij een hoge traagheid de voorkeur verdient (aanbevolen):

De timmerman werkt met hout en spijkers. Om spijkers in hout te slaan, is minder kracht nodig. Daarom wordt een lage traagheid van de hamer aanbevolen. De hamer van de timmerman is dus een voorbeeld van een lage traagheid. Een smid werkt met ijzer en staal. Om de vorm van ijzer of staal te veranderen, is veel kracht nodig. Een hoge traagheid van de hamer wordt dus aanbevolen. De hamer van de smid is dus een voorbeeld van een hoge traagheid.

Vorig onderwerp: Concept van gebalanceerde en onevenwichtige kracht

Volgende Onderwerp Newtons tweede bewegingswet

Wetenschap > Natuurkunde > Kracht > Newtons eerste bewegingswet