Når du ser på tennis eller annen sport, ser du en demonstrasjon av fysikk, bare med mer jubel enn det typiske fysikkeksperimentet. Sentralt i handlingen er de tre bevegelseslover som ble beskrevet i 1687 av Sir Isaac Newton, Grand Slam-mester for førindustriell vitenskap. På mange måter er en tenniskamp en test av hvilken spiller som manipulerer Newtons lover med størst effekt.
Lovene
Newtons første lov om bevegelse kalles ofte treghetsloven: Et objekt i en tilstand av ensartet bevegelse vil forbli i det bevegelse med mindre den møter en ytre kraft, og en gjenstand i ro vil forbli i ro med mindre den blir påvirket av en ekstern makt. Newtons andre lov definerer forholdet mellom et objekts masse, kraften som påføres det og akselerasjonen som resulterer: Kraft er lik masse ganger akselerasjon, eller F = ma. Newtons tredje bevegelseslov kan være den folk flest er kjent med, ikke bare fordi de ser det sitert så ofte: For hver handling er det en lik og motsatt reaksjon.
Den første loven
I tennis er den mest åpenbare forekomsten av Newtons første lov ballens vei. Når du slår ballen med racketen din, går den av i en bestemt retning. Hvis du spilte spillet i vakuumet til det intergalaktiske rommet, lysår fra ethvert tyngdeproduserende legeme, ballen ville fortsette i den retningen mer eller mindre på ubestemt tid, fordi ingen eksterne krefter ville virke inn den. På jorden er det imidlertid to store krefter som virker: Luftmotstand senker hastigheten på ballen og tyngdekraften trekker ballen mot bakken.
Den andre loven
Da du kastet den tennisballen med racketen din - i verdensrommet eller på jorden - utøvde du en kraft på den. Hvor mye kraft? Det er der Newtons andre lov kommer inn: Force er lik massetid akselerasjon. I denne ligningen måles masse i kilo og akselerasjon i en enhet kalt "meter per sekund per sekund." Akselerasjon er ikke det samme som hastighet; heller, det er hastigheten som noe påskynder. Hvis et objekt beveger seg med 1 m per sekund, eller "m / s", og det øker, slik at det ett sekund senere beveger seg med 2 m / s, øker det 1 m / s i løpet av det ene sekundet - 1 m per sekund per sekund.
Nå tilbake til den tennisballen du treffer: En tennisball har en masse på omtrent 56 g, eller 0,056 kg. Og la oss si at du setter nok zing på ballen en tidel av et sekund etter at du traff den, når den 100 mph, eller 44,7 m per sekund. Det er en akselerasjonshastighet på 447 m per sekund per sekund, eller m / s / s. Multipliser 0,056 kg ganger 447 m / s / s, og du får 25,032. Men 25.032 av hva? Kraft måles i enheter kalt, passende nok, Newton. Du slo ballen med 25.032 kraftmasse. Fin servering.
Den tredje loven
Du serverer ballen, motstanderen din returnerer serven, og du går for å returnere volleyen hennes. Du planter foten på bakken og skyver av. Du skyver i en retning - i en vinkel i bakken - og kroppen din går i motsatt retning, i en vinkel vekk fra bakken. Kraften du dyttet i bakken med, er kraften du kjøres fremover med. Det er handling og reaksjon. Du er Newtons tredje bevegelseslov, i bevegelse.