Πώς αλληλεπιδρούν οι νόμοι κινήσεων του Νεύτωνα με το τένις;

Όταν παρακολουθείτε τένις ή οποιοδήποτε άλλο άθλημα, παρακολουθείτε μια επίδειξη της φυσικής, με πιο ενθαρρυντικό από το τυπικό πείραμα φυσικής. Στο επίκεντρο της δράσης είναι οι τρεις νόμοι κίνησης που περιγράφονται το 1687 από τον Sir Isaac Newton, τον πρωταθλητή Grand Slam της προ-βιομηχανικής επιστήμης. Με πολλούς τρόπους, ένας αγώνας τένις είναι ένα τεστ του οποίου ο παίκτης χειρίζεται τους νόμους του Νεύτωνα με τον καλύτερο δυνατό τρόπο.

Ο πρώτος νόμος κίνησης του Νεύτωνα ονομάζεται συνήθως ο νόμος της αδράνειας: Ένα αντικείμενο σε κατάσταση ομοιόμορφης κίνησης θα παραμείνει σε αυτό κίνηση εκτός εάν συναντά μια εξωτερική δύναμη, και ένα αντικείμενο σε κατάσταση ηρεμίας θα παραμείνει σε ηρεμία εκτός εάν το αντιδράσει από εξωτερικό δύναμη. Ο δεύτερος νόμος του Νεύτωνα ορίζει τη σχέση μεταξύ της μάζας ενός αντικειμένου, της δύναμης που εφαρμόζεται σε αυτό και της επιτάχυνσης που προκύπτει: Η δύναμη ισούται με την επιτάχυνση της μάζας, ή το F = ma. Ο τρίτος νόμος κίνησης του Νεύτωνα μπορεί να είναι αυτός με τον οποίο οι περισσότεροι άνθρωποι είναι πιο εξοικειωμένοι, αν μόνο επειδή το βλέπουν τόσο συχνά: Για κάθε δράση υπάρχει μια ίση και αντίθετη αντίδραση.

Στο τένις, το πιο εμφανές παράδειγμα του πρώτου νόμου του Νεύτωνα είναι η πορεία της μπάλας. Όταν χτυπάτε τη μπάλα με τη ρακέτα σας, κατευθύνεται προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Αν παίζατε το παιχνίδι στο κενό του διαγαλαξιακού χώρου, έτη φωτός από οποιοδήποτε σώμα που παράγει βαρύτητα, η μπάλα θα συνεχιζόταν προς αυτή την κατεύθυνση περισσότερο ή λιγότερο επ 'αόριστον, επειδή δεν θα ενεργούσαν εξωτερικές δυνάμεις το. Στη Γη, ωστόσο, λειτουργούν δύο μεγάλες δυνάμεις: Η αντίσταση του αέρα επιβραδύνει την ταχύτητα της μπάλας και η βαρύτητα τραβά την μπάλα προς το έδαφος.

Όταν παραβιάσατε την μπάλα του τένις με τη ρακέτα σας - στο διάστημα ή στη Γη - ασκήσατε δύναμη πάνω της. Πόση δύναμη; Εκεί μπαίνει ο δεύτερος νόμος του Νεύτωνα: Η Δύναμη ισούται με την επιτάχυνση της μάζας. Σε αυτήν την εξίσωση, η μάζα μετράται σε χιλιόγραμμα και η επιτάχυνση σε μια μονάδα που ονομάζεται "μέτρα ανά δευτερόλεπτο ανά δευτερόλεπτο." Η επιτάχυνση δεν είναι το ίδιο με την ταχύτητα. μάλλον, είναι ο ρυθμός με τον οποίο κάτι επιταχύνεται. Εάν ένα αντικείμενο κινείται με 1 m ανά δευτερόλεπτο ή "m / s" και επιταχύνεται έτσι ώστε ένα δευτερόλεπτο αργότερα κινείται στα 2 m / s, τότε επιταχύνεται 1 m / s σε αυτό το δευτερόλεπτο - 1 m ανά δευτερόλεπτο ανά δευτερόλεπτο.

Τώρα πίσω σε αυτήν την μπάλα τένις που χτυπάτε: Μια μπάλα τένις έχει μάζα περίπου 56 g ή 0,056 kg. Και ας πούμε ότι βάλετε αρκετό zing στην μπάλα που το ένα δέκατο του δευτερολέπτου αφού το χτυπήσετε, φτάνει τα 100 mph ή 44,7 m ανά δευτερόλεπτο. Αυτός είναι ένας ρυθμός επιτάχυνσης 447 m ανά δευτερόλεπτο ανά δευτερόλεπτο, ή m / s / s. Πολλαπλασιάστε 0,056 kg φορές 447 m / s / s και λαμβάνετε 25,032. Αλλά 25.032 από τι; Η δύναμη μετριέται σε μονάδες που ονομάζονται, αρκετά κατάλληλα, Newtons. Χτυπήσατε την μπάλα με 25.032 Newtons δύναμης. Ωραίο σερβίρισμα.

Σερβίρετε την μπάλα, ο αντίπαλός σας επιστρέφει το σερβίς και πηγαίνετε για να επιστρέψετε το βόλεϊ. Φυτεύετε το πόδι σας στο έδαφος και σπρώχνετε. Σπρώχνετε προς μία κατεύθυνση - υπό γωνία προς το έδαφος - και το σώμα σας κινείται προς την αντίθετη κατεύθυνση, σε γωνία μακριά από το έδαφος. Η δύναμη με την οποία σπρώξατε στο έδαφος είναι η δύναμη με την οποία προωθείτε προς τα εμπρός. Αυτή είναι η δράση και η αντίδραση. Είστε ο τρίτος νόμος κίνησης του Νεύτωνα, σε κίνηση.