Hva er Newtons lover?
Newtons berømte bevegelseslover er tre i antall. Disse lovene lagde grunnlaget for newtonsk mekanikk, ellers kjent som klassisk mekanikk. Newtonian mekanikk er et felt som er fokusert på settet av lover som styrer oppførselen til et objekt etter at krefter virker på det objektet.
Newtons bevegelseslover
Disse tre lovene er skrevet i mange forskjellige former gjennom århundrene, minst tre, men de kan uttrykkes kort som følger:
Den første loven sier at et objekt enten forblir statisk eller vil fortsette å bevege seg med konstant hastighet, med mindre det påvirkes av en annen kraft. Denne loven antar at et objekt er i en inertiell referanseramme. En inertiell referanseramme er en hvor krefter som virker på en kropp, enten statisk eller stasjonær, har en netto kraft på null. Denne rammen betyr at denne kroppen vil forbli stasjonær eller fortsette å bevege seg med konstant hastighet.
Den andre loven forutsetter også at et objekt er i en inertieramme. Loven sier at vektorgruppen av kreftene (betegnet av F) på en kropp er ekvivalent med produktet av massen (betegnet av m) av den legemet og dens akselerasjon (betegnet med a). Matematisk sett betyr dette at: F = m * a. En annen antagelse å huske på er at masse ikke endres.
Den tredje loven om bevegelse er mer kjent. Når en enhet utøver en kraft (F) på en annen gjenstand, vil den andre kroppen også skyve tilbake med en kraft som er lik F. Med hver handling er det en lik og motsatt reaksjon.
Historie og oversikt
De tre lagers bevegelse ble opprinnelig satt sammen av ingen andre enn Isaac Newton, derav navnet Newtons bevegelseslover. Newton skrev først reglene for bevegelse i år 1687 i sin utgivelse, Matematiske prinsipper for naturfilosofi ( Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica på latin).
Isaac Newton forsøkte å forklare hvorfor objekter oppfører seg som de gjør mens de er i bevegelse eller hvorfor de forblir som de gjør, det vil si mens de er ubevegelige. Derfor brukte han lovene sammen med andre av hans lover for å forklare bevegelsene til systemer så vel som fysiske gjenstander.
En annen kritisk ting om Newtons lover er at de gjelder for gjenstander som anses som single point masser. Dette begrepet betyr at en objekts form og størrelse ignoreres slik at fokus kan være på bevegelsen. Denne visningen gjelder hvis objektene er små i forhold til avstandene som er involvert mens de analyseres. På denne måten kan ethvert objekt, uavhengig av størrelse, bli konseptualisert som en partikkel som skal analyseres.
Som nevnt tidligere er de tre lovene ikke nok til å forklare bevegelsesadferdene til alle objekter. For eksempel kunne han ikke forklare Keplers lover om planetarisk bevegelse før han kombinerte hans bevegelseslover med en annen av hans lov som heter loven om universell gravitasjon. Disse lovene kan heller ikke brukes til å forklare bevegelsen av deformerbare og stive legemer. Faktisk var det i år 1750 at Leonhard Euler generaliserte Newtons bevegelseslover slik at de kunne brukes på de stive og deformerbare gjenstandene, også antydet som et kontinuum. I Eulers lover, som kan utledes av de originale Newtons lover, antas det at en gjenstand er en samling av diskrete partikler som hver er regulert av Newtons lover. Eulers lover kan imidlertid antas å være aksiomer som beskriver bevegelsesloven for utvidede enheter, uavhengig av partikkelsens struktur.
Som tidligere nevnt, er Newtons lover bare gjeldende for et sett med rammer som kalles inertialreferanserammer, som noen ganger kalles newtonske referanserammer. Det har imidlertid vært en debatt blant forskere om første og andre lover. En tankegang argumenterer for at den første Newton-loven skisserer hva en inertiell referanseramme er og så den andre loven er sant hvis, og bare hvis det blir observert fra en inertiell ramme med referansepunkt. Når alle disse faktorene blir vurdert, er det umulig å bestemme spesielle av de to lovene. Den andre tankegangen hevder at den første loven er en konsekvens av den andre.
Et annet aspekt av disse lovene å huske på er at spesiell relativitet har utmattede newtonske lover. Det betyr ikke at de er ubrukelige. Loven er egnet for å tilnærme oppførselen til bevegelige objekter når deres hastigheter er under lysets lys.
De tre lovene i detalj
Den første loven
Newtons første lov sier at hastigheten til et objekt i bevegelse skal forbli konstant dersom nettoværmen er null. I dette tilfellet refererer kraft til vektorsammensetningen av alle krefter som påvirker den kroppen. Hastighet er en vektorkvantitet siden den viser kroppens hastighet og bevegelsesretningen. Dette betyr at konstant hastighet beskriver en konstant retning og hastighet på objektet.
For å si det i form av en matematisk formel blir det: ΣF = 0 ↔ d v / d t = 0. I formelen representerer v hastigheten mens t representerer tid tatt. Formelen viser bare at et objekt som er ubevisst vil forbli den måten, med mindre det påvirkes av en kraft, og en kropp som beveger seg, vil ikke endre dens hastighet med mindre den påvirkes av en kraft. Denne typen bevegelse kalles ensartet bevegelse. En god måte å demonstrere på dette er gjennom borddukeksperimentet. Retter plassert på toppen av duken vil forbli som de er når duken blir fjernet dyktig og rask. Det er ikke et triks, men Newtons lover i aksjon. En bevegelig gjenstands naturlige tendens er å forbli som den er. Hvis noen ønsker å endre denne tendensen, må det påføres kraft på det objektet. Denne loven inneholder også referansearmer for de to andre lovene.
Den andre loven
En annen måte å angi den andre loven på er at hastigheten på forandring av et objekts momentum er direkte i forhold til den kraft som brukes. Også denne forandringen av dens momentum skjer i samme retning av kraften som påføres.
Matematisk kan det uttrykkes som F = d p / d t = d (m v ) / d t. P er et produkt av masse ( m ) og hastighet ( v ) mens t representerer tiden som er tatt. Formelen er en måte å uttrykke dette på, men det er også mulig å uttrykke det når det gjelder akselerasjon av objektet. I lovens forstand antas det at massen er konstant. Derfor er det ikke nødvendig å inkludere det i differensieringsformelen. Derfor blir det: F = m (d v / d t ). Siden hastighet ( v ) delt med tid ( t ) gir akselerasjonen, blir formelen nå F = m * a .
Massen som er oppnådd eller tapt av enheten, vil også påvirke objektets momentum som ikke ville være en konsekvens av en utvendig kraft og en annen ligning blir nødvendig. Også ved høyere hastigheter, beregningen at produktet av objektets masse i ro og hastighet er unøyaktig.
Impuls
Impulser ( J ) finner sted når en kraft ( F ) virker på et objekt over et tidsintervall (Δt), da dens matematiske uttrykk er mye nærmere Newtons ordlyd av sin andre lov. Konseptet med impuls blir mest brukt ved analyse av kollisjoner. Matematisk blir det: J = A p = m * A v .
For systemer med variabel masse, si en rakett som brenner brennstoff, kan den andre loven ikke brukes fordi de er åpne. Som sådan, er det å gjøre sin masse en funksjon av sin tid feil.
Newtons tredje lov
Den siste loven om bevegelse sier at alle krefter som eksisterer blant to legemer gjør det med like stor styrke og i motstridende retninger. For eksempel, hvis en gjenstand 1 utøver en kraftstyrke F1 på en annen kropp 2, angir Newtons tredje lov at objekt 2 skal utøve en kraftstyrke -F1 slik at F1 = - F1. Den resulterende totale kraften tilsvarer null. Det er F1 + (- F1) = 0.
Denne loven viser at alle de genererte kreftene er en direkte konsekvens av samspillet mellom ulike organer. Det viser også at en styrke ikke kan eksistere uten dens lik og motsatte, tilsvarende å avbryte den. Kraftens retning og størrelse kan bestemmes av en av styrkene. For eksempel kan objekt 1 være den ene som utøver kraft, og så kalles den "action" kraften med kraften fra objekt 2 kalt "reaksjons" kraften. Disse to navnene er hvorfor den tredje loven noen ganger kalles "action-reaksjon" loven. Imidlertid er det til tider umulig å fastslå hvilken av de to kreftene som er handlingen, og hvilken er reaksjonen. Det er umulig for en kraft å eksistere uten den andre. Et praktisk eksempel på dette er når noen går. De skyver mot jorden, og jorden skyver tilbake.
