חוקי התנועה של ניוטון

חוקי התנועה של ניוטון הם הבסיס למכניקה קלאסית ומתארים את הקשר בין אובייקט לכוחות הפועלים עליו.

לדוגמה, כאשר רקטה נחה על משטח השיגור לפני השיגור, הרקטה והקרקע מפעילות כוחות שווים ומנוגדים זה על זה. כדי להמריא, או כאשר הרקטה נמצאת בחלל, הגז המתרחב מהדלק הבוער דוחף את הרקטה ומניע אותה קדימה. עם זאת, פחות ברור שהרקטה דוחפת את הגז בו זמנית. תופעות פשוטות אלה מצייתות לחוקי התנועה של ניוטון, אם כי הכוחות הפועלים עשויים שלא להיות ברורים מכיוון שכוחות לא תמיד נראים לעין.

וידאו זה יציג את היסודות של חוקי התנועה של ניוטון, ולאחר מכן להדגים את הרעיון באמצעות סדרה של ניסויים המודדים את הכוחות בין עגלות דו גלגליות במצבים שונים.

חוקי התנועה של ניוטון מורכבים משלושה חוקים מרכזיים. החוק הראשון הוא הפשוט ביותר, וקובע כי חפץ במנוחה נשאר במנוחה, אלא אם כן פעל על ידי כוח. באופן דומה, אובייקט בתנועה נשאר בתנועה אלא אם כן פעל על ידי כוח. באופן ספציפי, אם כוחות הרשת באובייקט הם אפס, המהירות של האובייקט היא קבועה, בין אם המהירות היא אפס או לא. עם זאת, כוח מיושם, כגון בעיטה בכדור או פגיעה בקיר, גורם למהירות האובייקט להשתנות.

החוק השני של ניוטון קובע שקצב השינוי של מהירות האובייקטים, הנקרא תאוצה, הוא פרופורציונלי ישירות לכוח המוחל עליו. גורם המידתיות הוא המסה של האובייקט עצמו.

במילים אחרות, אם אובייקט מאיץ, יש עליו כוח נטו. חוק זה עולה בקנה אחד עם החוק הראשון, שבו קצב השינוי של מהירות העצם - התאוצה שלו - הוא אפס כאשר אין כוח נטו מוחל.

לבסוף, החוק השלישי של ניוטון קובע שכוחות של שני עצמים הפועלים זה על זה שווים בסדר גודל אך הפוכים בכיוון

התנהגות זו היא לעתים קרובות קשה להבין. לדוגמה, כאשר שני עצמים של מסות שונות מתנגשים, לעתים קרובות מניחים שהאובייקט המסיבי יותר מפעיל כוח גדול יותר מהעצם הפחות מסיבי. עם זאת, הכוחות שווים ומנוגדים.

החוק השלישי של ניוטון מתבטא בדרך כלל בביטוי, "על כל פעולה יש תגובה שווה והפוכה". ליתר דיוק, הכוחות בין שני עצמים אינטראקציה נקראים "זוגות פעולה-תגובת", אשר שווים בסדר גודל והפוך בכיוון.

אבל התגובות של האובייקטים- כלומר, התאוצות שלהם - לא יכול להיות שווה. הסיבה לכך היא שהאצה היא ביחס הפוך למסה על פי החוק השני של ניוטון.

שקול מה קורה כאשר משאית גדולה מאוד מתנגשת עם מכונית קטנה מאוד. אם פעולה ותגובה מתייחסות לכוחות ההשפעה ביניהם, אז אכן הפעולה מייצרת תגובה שווה והפוכה. אבל בגלל ההבדלים המשמעותיים בהמונים בין משאית למכונית, ההשפעות של כוחות אלה שונות מאוד. המכונית מתאוששת באופן קטסטרופלי בעוד המשאית הרבה יותר מסיבית בקושי משנה מסלול.

כעת, לאחר שהוצגו עקרונות חוקי התנועה של ניוטון, בואו נסתכל על התנהגותם של חפצים נעים, ונקשר את התנהגותם לחוק התנועה השלישי של ניוטון.

הניסויים הבאים משתמשים בעגלות דו-גלגליות, אשר מחליקות על מסלול חיכוך ארוך ונמוך.

כל עגלה מצוידת בחיישן כוח המחובר לממשק מחשב להקלטת נתונים. כל חיישן ממוקם כדי לפגוע בחיישן של העגלה האחרת במהלך התנגשות, או לדחוף או למשוך את החיישן של העגלה האחרת כשהם מחליקים על המסלול.

לפני תחילת ניסויי ההתנגשות, יש להגדיר את חיישני הכוח לפגיעה ולהגדירם לרמת הכוח הצפויה. ראשית, בורג פגוש גומי על הבוכנה של כל חיישן כוח. אתר את מתג השקופית בחלק העליון של חיישן הכוח. הגדר את המתג הזה למיקום 50 ניוטון עבור כל חיישן.

לחצן "איסוף", שנראה כמו חץ ירוק, מתחיל איסוף נתונים. לפני כל ניסוי, לחץ על הכפתור ליד החץ הירוק הזה כדי לאפס את חיישן הכוח.

אפס שני חיישני הכוח ואז לבדוק אותם כדי לוודא את הכיוון החיובי עבור כל מוגדר ימינה. לדחוף את החיישן עם הבוכנה שמצביעה ימינה. קריאת הכוח צריכה להיות חיובית.

לדחוף את החיישן עם הבוכנה שמצביע שמאלה. קריאת הכוח צריכה להיות שלילית. אם שתי קריאות הכוח שגויות, הפוך את מיקומי העגלות.

אם קריאה אחת בלבד שגויה, עבור לתפריט "ניסוי" ובחר "חיישני התקנה". בחרו את חיישן הכוח המתאים ובחרו 'כיוון הפוך'.

לאחר חיישני הכוח הוגדרו כראוי, המנגנון מוכן לניסוי הראשון, המשתמש בעגלות של מסה שווה. בחר עגלה אחת כדי להיות נייח בתחילת הבדיקה.

אפס שני חיישני הכוח ולאחר מכן לחץ על כפתור "איסוף" כדי להתחיל הקלטת נתונים. לדחוף ולשחרר את העגלה האחרת כך שהיא מחליקה בכוחות עצמה ומתנגשת עם העגלה הניוחה.

לאחר הפגיעה, המחשב מציג חלקה של "כוח לעומת זמן" שנרשמה על-ידי כל חיישן. סדרי הגודל של כוח השיא צריכים להיות בין 8 ל-20 ניוטון. אם כוח השיא נמצא מחוץ לטווח זה, חזור על הניסוי והתאם את הקושי שהעגלה נדחפת.

כאשר עגלות עם מסה שווה מתנגשות, חלקה זו מראה שהכוחות שהם חווים שווים ומנוגדים. מכיוון שהאצה שווה לכוח חלקי מסה, כל עגלה מאיצה באותו גודל, אך בכיוונים מנוגדים.

ניסוי ההתנגשות השני חוזר על הניסוי הראשון אך עם עגלות של מסה לא שוויונית. בחר עגלה אחת להיות נייח לטעון אותו עם משקול אחד או יותר אז יש לו 2 עד 3 פעמים את המסה של העגלה נעה.

אפס שני חיישני הכוח, לחץ על כפתור "איסוף" וחזר על ניסוי ההתנגשות על ידי לחיצה על העגלה ללא משקולות לתוך העגלה המשוקללת

כאשר העגלה הנעה הפחות מסיבית מתנגשת עם אחת מסיבית יותר, נייחת, הם ריבאונד עם מהירויות שונות מאוד. למרות המראה החיצוני, סדרי הגודל של הכוחות הם למעשה שווים, כפי שהעלילות מראות בבירור. התנהגות זו עשויה להיות מבלבלת אבל זה בגלל העגלה פחות מסיבית חווה תאוצה גדולה יותר מאשר אחד מסיבי יותר, שוב כי התאוצה שווה כוח מחולק על ידי מסה.

לאחר מכן, העבר את המשקולות מהעגלה הניויה לעגלה הנעה כדי להפוך את תפקידי העגלות. חזור על הניסוי עם העגלה נעה להיות מסיבי יותר ואת העגלה הנייחת להיות פחות מסיבי. אפס שני חיישני הכוח, ולחץ על כפתור "איסוף". חזור על הניסוי על ידי דחיפת העגלה המשוקללת לתוך אחד ללא משוקלל.

כמו בניסוי הקודם, שתי העגלות מתאוששות במהירויות שונות מאוד, בגלל המסות השונות שלהן. עם זאת, לכוחות הפגיעה עדיין יש סדרי גודל שווים. אז, לא משנה אם לעגלות יש מסות שוות או שונות, כוחות ההתנגשות תמיד שווים בסדר גודל והפוך בכיוון.

חוק התנועה השלישי של ניוטון חל לא רק על התנגשויות, אלא גם על כל המצבים שבהם שני עצמים מתקשרים.

החוק השלישי של ניוטון חל גם על אינטראקציות דחיפה ומשיכה בין שני אובייקטים. כדי לבחון תופעה זו, ניסוי העגלה שונה על ידי החלפת פגושי הגומי בחיישני הכוח בקרסים, ולאחר מכן חיבור העגלות יחד. התנאי המפעיל התהפך גם בתוכנת איסוף הנתונים.

כאשר עגלות של מסה שווה דחפו ומשכו את השני, הכוחות היו שווים ומנוגדים, למרות כיוון התנועה המשתנה. כאשר שתי עגלות של מסה לא שוויונית נדחפו ומשכו את התופעה עדיין נכונה.

פיזיקאים המנסים להבין היווצרות כוכב לכת חוקרים לעתים קרובות התנגשויות. בדוגמה זו, חלקיקי אבק היו מוכנים לדמות התנגשויות במערכת השמש המוקדמת. החלקיקים נפלו, וההתנגשות שלהם נרשמה.

החלקיקים המתנגשים הפעילו כוחות זה נגד זה, שהיו שווים בסדר גודלם וממול לכיוון. כאשר שני האובייקטים נותרו שלמים, כוחות הפגיעה גרמו להם להתאושש.

הרגע צפית בהקדמה של ג'וב לחוקי התנועה של ניוטון. עכשיו אתה צריך להבין את היסודות של שלושת החוקים, איך הם מתארים תנועה וכוחות על חפצים. תודה שצפיתם!