כיצד חוקי התנועה של ניוטון מתקשרים עם הטניס?

כשאתה צופה בטניס, או בכל ענף ספורט אחר, אתה צופה בהפגנה של פיזיקה, רק מעודדת יותר מניסוי הפיזיקה האופייני. המרכזי בפעולה הם שלושת חוקי התנועה שתוארו בשנת 1687 על ידי סר אייזק ניוטון, אלוף הגראנד סלאם של המדע הקדם תעשייתי. במובנים רבים, משחק טניס הוא מבחן של איזה שחקן עושה מניפולציות על חוקי ניוטון.

חוק התנועה הראשון של ניוטון נקרא בדרך כלל חוק האינרציה: אובייקט במצב של תנועה אחידה יישאר בזה תנועה אלא אם כן היא נתקלת בכוח חיצוני, ואובייקט במנוחה יישאר במנוחה אלא אם כן יפעל על ידי חיצוני כּוֹחַ. החוק השני של ניוטון מגדיר את הקשר בין מסת האובייקט, הכוח המופעל עליו והתאוצה המתקבלת: כוח שווה למסה כפול תאוצה, או F = ma. חוק התנועה השלישי של ניוטון עשוי להיות זה שרוב האנשים מכירים ביותר, ולו משום שהם רואים אותו מובא בתדירות כה גבוהה: לכל פעולה יש תגובה שווה והפוכה.

בטניס, המקרה הברור ביותר של החוק הראשון של ניוטון הוא דרך הכדור. כשאתה מכה את הכדור עם המחבט שלך, הוא יוצא לכיוון מסוים. אם היית משחק במשחק בחלל החלל הבין-גלקטי, שנות אור מכל גוף שמייצר כוח משיכה, הכדור ימשיך בכיוון זה פחות או יותר ללא הגבלת זמן, מכיוון שלא יפעלו כוחות חיצוניים זה. אולם בכדור הארץ שני כוחות עיקריים פועלים: התנגדות אוויר מאטה את מהירות הכדור וכוח המשיכה מושך את הכדור לעבר הקרקע.

כשזרקת את כדור הטניס הזה עם המחבט שלך - בחלל או בכדור הארץ - הפעלת עליו כוח. כמה כוח? לשם נכנס החוק השני של ניוטון: כוח שווה תאוצה המונית. במשוואה זו מסה נמדדת בקילוגרמים ותאוצה ביחידה הנקראת "מטרים לשנייה לשנייה". האצה היא לא אותו דבר כמו מהירות; אלא, זה הקצב שבו משהו מזרז. אם אובייקט נע ב -1 מ 'לשנייה, או "m / s", והוא מאיץ כך ששנייה אחת אחר כך הוא נע ב -2 m / s, אז הוא האיץ 1 m / s באותה שנייה - 1 מ 'לשנייה לשנייה.

עכשיו חזור לכדור הטניס ההוא בו אתה מכה: כדור טניס משקלו הוא כ 56 גרם, או 0.056 ק"ג. ובואו נגיד שהנחתם מספיק זינג על הכדור שעשירית שנייה אחרי שפגעתם בו, הוא מגיע ל -100 קמ"ש, או 44.7 מ 'לשנייה. זהו קצב האצה של 447 מ 'לשנייה לשנייה, או m / s / s. הכפל 0.056 ק"ג פעמים 447 m / s / s ותקבל 25.032. אבל 25.032 ממה? הכוח נמדד ביחידות הנקראות, כראוי, ניוטונים. אתה מכה בכדור עם 25.032 ניוטון כוח. הגשה נחמדה.

אתה מגיש את הכדור, היריב שלך מחזיר את ההגשה ואתה הולך להחזיר לה מטח. אתה שותל את הרגל על ​​הקרקע ודוחף. אתה דוחף לכיוון אחד - בזווית לקרקע - וגופך הולך בכיוון ההפוך, בזווית הרחק מהקרקע. הכוח שאיתו דחפתם לקרקע הוא הכוח שאליו מונעים קדימה. זו פעולה ותגובה. אתה חוק התנועה השלישי של ניוטון, בתנועה.