Kā Ņūtona kustības likumi mijiedarbojas ar tenisu?

Skatoties tenisu vai jebkuru citu sporta veidu, jūs skatāties fizikas paraugdemonstrējumu, tikai uzmundrinot vairāk nekā tipiskais fizikas eksperiments. Darbības centrā ir trīs kustības likumi, kurus 1687. gadā aprakstīja sers Īzaks Ņūtons, pirmsindustriālās zinātnes Grand Slam čempions. Daudzos veidos tenisa mačs ir pārbaudījums tam, kurš spēlētājs vislielākajā mērā manipulē ar Ņūtona likumiem.

Ņūtona pirmo kustības likumu parasti sauc par inerces likumu: Vienveidīgas kustības stāvoklī objekts paliks tajā kustība, ja vien tā nesaskaras ar ārēju spēku, un objekts, kas atrodas miera stāvoklī, paliks miera stāvoklī, ja vien uz to nerīkosies ārējs spēks. Ņūtona otrais likums nosaka saikni starp objekta masu, tam piemēroto spēku un iegūto paātrinājumu: Spēks ir vienāds ar paātrinājumu ar masu un F = ma. Ņūtona trešais kustības likums varētu būt tas, kas lielākajai daļai cilvēku ir vislabāk pazīstams, tikai tāpēc, ka redz to tik bieži citētu: Katrai darbībai ir vienāda un pretēja reakcija.

Tenisā acīmredzamākais Ņūtona pirmā likuma gadījums ir bumbas ceļš. Kad jūs uzsitat bumbu ar raketi, tā virzās noteiktā virzienā. Ja jūs spēlējāt spēli starpgalaktiskās telpas vakuumā, gaismas gadu attālumā no jebkura gravitāciju veidojoša ķermeņa, bumba turpinātu virzīties vairāk vai mazāk uz nenoteiktu laiku, jo uz to nedarbotos ārējie spēki to. Tomēr uz Zemes darbojas divi galvenie spēki: Gaisa pretestība palēnina bumbas ātrumu, un gravitācija velk bumbu pret zemi.

Kad jūs sasitāt šo tenisa bumbu ar raketi - kosmosā vai uz Zemes -, jūs uz to izdarījāt spēku. Cik daudz spēka? Tieši tajā parādās otrais Ņūtona likums: Spēks ir vienāds ar paātrinājumu masas reizēs. Šajā vienādojumā masu mēra kilogramos un paātrinājumu mēra vienībā, ko sauc par "metriem sekundē sekundē". Paātrinājums nav tas pats, kas ātrums; drīzāk tas ir ātrums, kādā kaut kas paātrinās. Ja objekts pārvietojas ar ātrumu 1 m sekundē jeb "m / s" un tas paātrinās tā, ka vienu sekundi vēlāk tas pārvietojas ar ātrumu 2 m / s, tad tas vienā sekundē paātrināja 1 m / s - 1 m sekundē sekundē.

Tagad atgriezīsimies pie tās tenisa bumbas, kuru trāpījāt: tenisa bumbas masa ir aptuveni 56 g jeb 0,056 kg. Pieņemsim, ka jūs bumbai uzliekat pietiekami daudz zinga, ka viena sekundes desmitdaļa pēc tam, kad esat to izdarījis, sasniedz 100 jūdzes stundā jeb 44,7 m sekundē. Tas ir paātrinājuma ātrums 447 m sekundē sekundē vai m / s / s. Reizinot 0,056 kg ar 447 m / s / s, iegūstat 25,032. Bet no kā 25.032? Spēks tiek mērīts vienībās, kuras tiek sauktas, attiecīgi, par Ņūtoniem. Jūs iesitat bumbu ar 25.032 Ņūtona spēku. Jauka serve.

Jūs pasniedzat bumbu, pretiniece atdod servi un jūs dodaties atgriezt viņas zoli. Jūs iestādāt kāju uz zemes un izstumjat. Jūs nospiežat vienā virzienā - leņķī zemē - un jūsu ķermenis iet pretējā virzienā, leņķī, kas atrodas prom no zemes. Spēks, ar kuru jūs iespiedāties zemē, ir spēks, ar kuru jūs virzāt uz priekšu. Tā ir darbība un reakcija. Jūs esat trešais Ņūtona kustības likums, kustībā.