출처: 앤드류 더피, 박사, 물리학과, 보스턴 대학, 보스턴, 석사
이 실험은 상호 작용하는 두 개체와 관련된 다양한 상황에서 검사합니다.
먼저 실험에서는 두 개체가 충돌하는 동안 서로 적용되는 힘을 검사합니다. 오브젝트는 가변 질량이 있는 바퀴달린 카트입니다. 이 실험의 목적은 두 번째 카트가 첫 번째 카트가 첫 번째 에 다시 발휘하는 힘과 동일한 크기와 이 두 힘이 다른 크기를 갖는 경우와 동일한 크기인 경우를 발견하는 것입니다.
둘째, 한 카트가 두 번째 수레를 밀거나 당길 때 두 오브젝트가 서로 가하는 힘을 검사합니다. 다시 말하지만, 두 세력의 진도가 같고 크기가 다른 상황을 탐구하는 데 초점을 맞추고 있습니다.
이 실험의 주요 목표는 뉴턴의 세 번째 법칙을 탐구하는 것입니다.
이 장치는 두 개의 카트로 구성되어 있으며, 각각 위에 힘 센서가 장착되어있습니다(그림 1). 힘 센서는 전용 컴퓨터 인터페이스를 통해 컴퓨터에 연결됩니다. 각 힘 센서는 충돌 또는 푸시/풀 상황에서 다른 힘 센서가 가하는 힘을 측정합니다.
그림 1. 기본 설정입니다. 장치의 주요 구성 요소는 두 개의 바퀴달린 카트이며, 각각 위에 힘 센서가 장착되어 있고 컴퓨터 인터페이스가 있습니다.
1. 충돌 상황
세 번째 충돌에서 충돌 전에 이동하는 카트는 고정 카트의 질량의 2-3배를 가져야 합니다. 한 카트에서 다른 카트로 여분의 무게(들)를 전송하여 이를 달성하십시오. 충돌을 수행하고 데이터를 수집하는 과정을 반복합니다.
2. 상황을 밀고 당기는 상황
뉴턴의 움직임법칙은 고전 역학의 기초이며 물체와 그 에 작용하는 세력 사이의 관계를 설명합니다.
예를 들어 로켓이 발사 전에 발사대에 쉬고 있을 때 로켓과 지면은 서로 동등한 반대의 힘을 발휘합니다. 이륙하거나 로켓이 우주에 있을 때, 불타는 연료에서 팽창하는 가스가 로켓을 밀어내고 앞으로 추진합니다. 그러나 로켓이 동시에 가스를 밀어붙인다는 것은 덜 명백합니다. 이러한 간단한 현상은 뉴턴의 운동 법칙에 순종하지만, 힘이 항상 보이지 않기 때문에 직장에서의 힘이 분명하지 는 않을 수 있습니다.
이 비디오는 뉴턴의 동작 법칙의 기초를 소개한 다음 다양한 상황에서 두 개의 바퀴달린 카트 사이의 힘을 측정하는 일련의 실험을 통해 개념을 보여줍니다.
뉴턴의 동의법칙은 세 가지 주요 법률로 구성됩니다. 첫 번째 법은 가장 간단하며, 힘에 의해 행동하지 않는 한, 휴식에 개체가 휴식 에 남아 있음을 말한다. 마찬가지로, 모션 오브젝트는 힘에 의해 행동하지 않는 한 동작으로 유지됩니다. 특히 오브젝트의 순 힘이 0인 경우 속도가 0인지 아닌지 여부는 개체의 속도가 일정합니다. 그러나 공을 걷어차거나 벽에 부딪히는 것과 같은 적용된 힘이 물체의 속도가 바뀝니다.
뉴턴의 두 번째 법에 따르면 가속이라고 불리는 물체 속도의 변화 속도는 적용된 힘에 직접적으로 비례한다고 명시되어 있습니다. 비례성 계수는 개체 자체의 질량입니다.
즉, 개체가 가속화되면 순 힘이 있습니다. 이 법은 물체의 속도 변화의 속도 -의 가속 – 순 힘이 적용되지 않을 때 0인 첫 번째 법과 일치합니다.
마지막으로, 뉴턴의 세 번째 법은 서로 행동하는 두 물체의 힘이 크기가 같지만 방향에 반대한다고 명시하고 있습니다.
이 동작은 종종 이해하기 어렵다. 예를 들어 서로 다른 질량의 두 오브젝트가 충돌할 때 더 많은 거대한 물체가 덜 거대한 오브젝트보다 더 큰 힘을 발휘한다고 가정합니다. 그러나 힘은 같고반대입니다.
뉴턴의 세 번째 법은 일반적으로 문구와 함께 표현된다, “모든 행동에 대한 동등하고 반대의 반응이있다.” 구체적으로 두 상호 작용하는 개체 사이의 힘을 “액션 반응 쌍”이라고 하며, 이는 크기와 방향반대입니다.
그러나 객체의 응답즉, 가속도는 같지 않을 수 있습니다. 이는 가속화가 뉴턴의 제2법칙에 따라 질량에 반비례하기 때문이다.
매우 큰 트럭이 매우 작은 자동차와 충돌 할 때 무슨 일이 일어나는지 생각해 보십시오. 행동과 반응이 그들 사이의 충격 힘을 참조하는 경우, 실제로 행동은 동등하고 반대의 반응을 생성않습니다. 그러나 트럭과 자동차 사이의 질량의 상당한 차이 때문에, 이러한 힘의 효과는 매우 다르다. 훨씬 더 거대한 트럭이 코스를 거의 변경하지 않지만 자동차는 치명적으로 반등합니다.
뉴턴의 운동 법칙의 원칙이 제시되었으므로, 움직이는 물체의 행동을 살펴보고 뉴턴의 세 번째 운동 법칙과 그들의 행동을 관련시키자.
다음 실험은 길고 낮은 마찰 트랙에서 미끄러지는 두 개의 바퀴 달린 카트를 사용합니다.
각 카트에는 데이터 기록을 위해 컴퓨터 인터페이스에 연결된 힘 센서가 장착되어 있습니다. 각 센서는 충돌 중에 다른 카트의 센서를 공격하거나 트랙에서 슬라이드할 때 다른 카트의 센서를 밀거나 당길 수 있도록 배치됩니다.
충돌 실험을 시작하기 전에 충격을 위해 힘 센서를 설치하고 예상되는 수준의 힘에 맞게 구성해야 합니다. 먼저 고무 범퍼를 각 힘 센서의 플런저에 나사로 고정합니다. 힘 센서 위에 슬라이드 스위치를 찾습니다. 각 센서에 대해 이 스위치를 50 뉴턴 위치로 설정합니다.
녹색 화살표처럼 보이는 “수집” 버튼은 데이터 수집을 시작합니다. 각 실험 전에 이 녹색 화살표 옆의 버튼을 눌러 힘 센서를 0으로 설정합니다.
그런 다음 두 힘 센서가 모두 0으로 확인되어 각 센서의 양수 방향이 오른쪽에 정의되었는지 확인합니다. 오른쪽 을 가리키는 플런저로 센서를 밀어 넣습니다. 힘 읽기는 긍정적이어야 합니다.
왼쪽 포인트 플런저와 센서에 밀어 넣습니다. 힘 판독은 부정적이어야 합니다. 두 힘 판독값이 잘못된 경우 카트의 위치를 반전합니다.
하나의 판독값만 잘못하면 “실험” 메뉴로 이동하여 “설정 센서”를 선택합니다. 적절한 힘 센서를 선택하고 “역방향”을 선택합니다.
힘 센서를 올바르게 구성한 후, 장치는 동일한 질량의 카트를 사용하는 첫 번째 실험에 대한 준비가 되어 있습니다. 테스트 시작 시 고정할 수 있는 카트 하나를 선택합니다.
그런 다음 두 힘 센서가 모두 0인 경우 “수집” 버튼을 눌러 데이터 레코딩을 시작합니다. 다른 카트를 밀고 놓아 서 자체적으로 슬라이드를 하고 고정 된 카트와 충돌합니다.
충격 후 컴퓨터는 각 센서에 의해 기록된 “힘 대 시간”의 플롯을 표시합니다. 피크 힘의 크기는 8과 20 뉴턴 사이여야합니다. 피크 힘이 이 범위 밖에 있으면 실험을 반복하고 카트가 푸시되는 정도를 조정합니다.
질량이 동일한 수레가 충돌할 때 이 플롯은 그들이 경험하는 힘이 동일하고 반대임을 보여줍니다. 가속은 질량으로 분할된 힘과 같기 때문에 각 수레는 동일한 크기이지만 반대 방향으로 가속합니다.
두 번째 충돌 실험은 첫 번째 실험을 반복하지만 불평등한 질량의 카트로 반복됩니다. 하나의 카트를 고정하고 하나 이상의 가중치로 로드하여 움직이는 카트의 질량을 2~3배 나에 추가로 로드합니다.
제로 양면 센서, “수집” 버튼을 누르고 가중치 없이 카트를 가중치 없이 카트를 가중치가 가중된 카트에 밀어 충돌 실험을 반복합니다.
덜 거대한 움직이는 카트가 더 거대하고 고정된 카트와 충돌하면 매우 다른 속도로 반등합니다. 외관에도 불구하고, 플롯이 명확하게 보여 주듯이, 힘의 크기는 실제로 동일합니다. 이 동작은 혼란스러울 수 있지만 가속이 질량으로 분할된 힘과 같기 때문에 대규모 카트가 더 큰 가속을 경험하기 때문입니다.
다음으로, 고정 카트에서 움직이는 카트로 가중치를 전송하여 카트의 역할을 반전시면 됩니다. 움직이는 카트가 더 거대하고 고정 된 수레가 덜 거대하다는 실험을 반복하십시오. 두 개의 힘 센서를 0으로 하고 “수집” 버튼을 누릅니다. 가중치가 있는 카트를 가중치가 없는 카트로 밀어 실험을 반복합니다.
이전 실험과 마찬가지로 두 카트는 서로 다른 질량 때문에 매우 다른 속도로 반등합니다. 그러나 충격력은 여전히 크기가 동일합니다. 따라서 수레에 질량이 같든 다른지 여부에 관계없이 충돌 력은 항상 크기가 같으며 방향반대입니다.
뉴턴의 세 번째 동작 법칙은 충돌뿐만 아니라 두 개체가 상호 작용하는 모든 상황에도 적용됩니다.
뉴턴의 세 번째 법칙은 두 개체 간의 밀고 당기는 상호 작용에도 적용됩니다. 이 현상을 검사하기 위해 수레 실험은 힘 센서의 고무 범퍼를 후크로 교체한 다음 카트를 함께 연결하여 수정했습니다. 데이터 수집 소프트웨어에서도 트리거링 조건이 반전되었습니다.
동등한 질량의 수레가 다른 쪽을 밀고 당겼을 때, 힘의 변화하는 방향에도 불구하고 힘은 동등하고 반대였다. 불평등한 덩어리의 두 개의 수레가 밀려당겨졌을 때 현상은 여전히 사실입니다.
행성 형성을 이해하려고 물리학자들은 종종 충돌을 연구합니다. 이 예에서는 초기 태양계의 충돌을 시뮬레이션하기 위해 먼지 입자가 준비되었습니다. 입자가 떨어졌고 충돌이 기록되었습니다.
충돌하는 입자는 서로 힘을 가졌고, 이는 크기가 같고 방향이 반대되었습니다. 두 물체가 그대로 유지되면 충격력이 반등했습니다.
당신은 단지 뉴턴의 운동의 법칙에 조브의 소개를 보았다. 이제 세 법칙의 기본 사항, 개체에 대한 움직임과 힘을 설명하는 방법을 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다!
뉴턴의 세 번째 법칙에 따르면 두 개체가 상호 작용할 때마다 두 번째 개체는 첫 번째 개체가 두 번째 개체가 발휘하는 힘과 반대로 크기와 반대되는 첫 번째 개체에 힘을 발휘한다고 명시합니다. 이것은 상태하는 것은 간단하지만 받아들이기 어려울 수 있습니다. 예를 들어, 더 큰 오브젝트가 더 작은 오브젝트에 가해지는 힘이 더 큰 오브젝트에 다시 가해지는 힘보다 크다고 가정하는 경우가 많습니다.
그림 2. 첫 번째 충돌의 결과. 수레에서 경험한 힘은 같고 반대입니다.
그림 3. 두 번째 충돌의 결과. 수레에서 경험한 힘은 같고 반대입니다.
그림 4. 세 번째 충돌의 결과. 수레에서 경험한 힘은 같고 반대입니다.
그림 5. 첫 번째 밀기/당기기 상황의 결과. 수레에서 경험한 힘은 같고 반대입니다.
그림 6. 두 번째 밀기/당기기 상황의 결과. 수레에서 경험한 힘은 같고 반대입니다.
그림 7. 세 번째 밀기/당기기 상황의 결과. 수레에서 경험한 힘은 같고 반대입니다.
이 실험에서 해결된 개념, 즉 모든 상호 작용에서 한 개체가 다른 개체에 적용되는 힘은 크기가 같으며 첫 번째 개체에 다시 적용되는 힘과 방향의 반대는 많은 응용 프로그램이 있습니다. 예를 들어, (1) 태양이 지구에 적용되는 중력은 지구가 태양에 적용되는 중력과 동등하고 반대입니다. (2) 지구가 달에 적용되는 중력력은 달이 지구에 적용되는 중력과 동등하고 반대이다. (3) 지구가 사과에 가해지는 중력은 사과가 지구에 적용되는 중력과 동등하고 반대이다. (4) 거리에서 자동차와 트럭 사이의 충돌이나 두 축구 선수 사이의 충돌에서, 힘은 대중이 비교하는 방법에 상관없이, 항상 동등하고 반대입니다. (5) 사람이 바닥에 서 있거나 의자에 앉으면, 바닥이나 의자옆에 의해 그 사람에게 가해지는 힘은 사람이 바닥이나 의자에 가하는 힘과 는 다정합니다.
Newton’s laws of motion are the basis for classical mechanics and describe the relationship between an object and the forces acting upon it.
For example, when a rocket is at rest on the launchpad before launch, the rocket and the ground exert equal-and-opposite forces on one another. To take off, or when the rocket is in space, the expanding gas from the burning fuel pushes against the rocket and propels it forward. Less apparent, however, is that the rocket pushes against the gas at the same time. These simple phenomena obey Newton’s laws of motion, though the forces at work may not be obvious because forces are not always visible.
This video will introduce the basics of Newton’s laws of motion, and then demonstrate the concept through a series of experiments measuring the forces between two wheeled carts in various situations.
Newton’s laws of motion consist of three key laws. The first law is the most simple, and states that an object at rest stays at rest, unless acted upon by a force. Similarly, an object in motion stays in motion unless acted upon by a force. Specifically, if the net forces on the object are zero, the velocity of the object is constant, whether the velocity is zero or not. However, an applied force, such as kicking the ball or hitting the wall, causes the velocity of the object to change.
Newton’s second law states that the rate of change of an objects velocity, called acceleration, is directly proportional to the force applied to it. The proportionality factor is the mass of the object itself.
In other words, if an object is accelerating, there is a net force on it. This law is consistent with the first law, where the rate of change of an object’s velocity-its acceleration- is zero when there is no net force applied.
Finally, Newton’s third law states that the forces of two objects acting upon each other are equal in magnitude but opposite in direction
This behavior is often hard to understand. For example, when two objects of different masses collide, it is often assumed that the more massive object exerts a larger force than the less massive object. However, the forces are equal and opposite.
Newton’s third law is commonly expressed with the phrase, “for every action there is an equal and opposite reaction.” To be specific, the forces between two interacting objects are called “action-reaction pairs,” which are equal in magnitude and opposite in direction.
But the responses of the objects-that is, their accelerations-may not be equal. This is because acceleration is inversely proportional to mass according to Newton’s second law.
Consider what happens when a very large truck collides with a very small car. If action and reaction refer to the impact forces between them, then indeed the action does produce an equal and opposite reaction. But because of the significant differences in masses between truck and car, the effects of these forces are very different. The car rebounds catastrophically while the much more massive truck hardly changes course.
Now that the principles of Newton’s laws of motion have been presented, let’s take a look at the behavior of moving objects, and relate their behavior to Newton’s third law of motion.
The following experiments use two wheeled carts, which slide on a long, low friction track.
Each cart is equipped with a force sensor connected to a computer interface for recording data. Each sensor is positioned to strike the sensor of the other cart during a collision, or to push or pull on the sensor of the other cart as they slide on the track.
Before starting the collision experiments, the force sensors must be set up for impact and configured for the expected level of force. First, screw a rubber bumper onto the plunger of each force sensor. Locate the slide switch on top of the force sensor. Set this switch to the 50 Newton position for each sensor.
The “Collect” button, which looks like a green arrow, starts data collection. Before each experiment, press the button next to this green arrow to zero the force sensor.
Zero both force sensors then check them to make sure the positive direction for each is defined to the right. Push in the sensor with the plunger that points right. The force reading should be positive.
Push in the sensor with the plunger that points left. The force reading should be negative. If both force readings are wrong, then reverse the positions of the carts.
If only one reading is wrong, then go to the “Experiment” menu, and select “Setup Sensors.” Choose the appropriate force sensor and select “Reverse Direction.”
After the force sensors have been configured correctly, the apparatus is ready for the first experiment, which uses carts of equal mass. Choose one cart to be stationary at the start of the test.
Zero both force sensors then press the “Collect” button to start data recording. Push and release the other cart so it slides on its own and collides with the stationary cart.
After impact, the computer displays a plot of the “force vs. time” recorded by each sensor. Magnitudes of peak force should be between 8 and 20 Newtons. If the peak force is outside this range, then repeat the experiment and adjust how hard the cart is pushed.
When carts with equal mass collide, this plot shows that the forces they experience are equal and opposite. Because acceleration equals force divided by mass, each cart accelerates with the same magnitude, but in opposite directions.
The second collision experiment repeats the first experiment but with carts of unequal mass. Choose one cart to be stationary and load it with one or more weights so it has 2 to 3 times the mass of the moving cart.
Zero both force sensors, press the “Collect” button and repeat the collision experiment by pushing the cart without weights into the weighted cart
When the less massive moving cart collides with the more massive, stationary one, they rebound with very different speeds. Despite appearances, the magnitudes of the forces are actually equal, as the plots clearly show. This behavior may be confusing but it is because the less massive cart experiences greater acceleration than the more massive one, again because acceleration equals force divided by mass.
Next, transfer the weights from the stationary cart to the moving cart to reverse the roles of the carts. Repeat the experiment with the moving cart being more massive and the stationary cart being less massive. Zero both force sensors, and press the “Collect” button. Repeat the experiment by pushing the weighted cart into the un-weighted one.
As with the previous experiment, the two carts rebound with very different speeds, because of their different masses. However, the impact forces still have equal magnitudes. So, regardless of whether the carts have equal or different masses, the collision forces are always equal in magnitude and opposite in direction.
Newton’s third law of motion applies not only to collisions, but also to all situations where two objects interact.
Newton’s third law also applies to the pushing and pulling interactions between two objects. To examine this phenomenon, the cart experiment was modified by replacing the rubber bumpers on the force sensors with hooks, and then hooking the carts together. The triggering condition was also reversed in the data collection software.
When carts of equal mass pushed and pulled the other, the forces were equal and opposite, despite the changing direction of motion. When two carts of unequal mass were pushed and pulled the phenomenon still holds true.
Physicists trying to understand planet formation often study collisions. In this example, dust particles were prepared to simulate collisions in the early solar system. The particles were dropped, and their collision recorded.
The colliding particles exerted forces against each other, which were equal in magnitude and opposite in direction. When both objects remained intact, the impact forces caused them to rebound.
You’ve just watched JoVE’s introduction to Newton’s laws of motion. You should now understand the basics of the three laws, how they describe motion and forces on objects. Thanks for watching!
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