W jaki sposób powiązane są siła i ruch?

Isaac Newton najlepiej opisał powiązania między siłą a ruchem w swoich trzech słynnych prawach, a poznanie ich jest kluczową częścią nauki fizyki. Mówią ci, co się dzieje, gdy siła jest przyłożona do masy, a także definiują kluczowe pojęcie siły. Jeśli chcesz zrozumieć związek między siłą a ruchem, najważniejsze do rozważenia są dwa pierwsze prawa Newtona i łatwo się z nimi uporać. Wyjaśniają, że jakakolwiek zmiana z ruchu na nieruchomość lub odwrotnie wymaga niezrównoważonej siły i że ilość ruchu jest proporcjonalna do wielkości siły i odwrotnie proporcjonalna do masy obiektu.

TL; DR (zbyt długi; Nie czytałem)

Jeśli nie ma siły lub jeśli jedyne siły są idealnie zrównoważone, obiekt albo pozostanie nieruchomy, albo będzie się poruszał z dokładnie tą samą prędkością. Tylko niezrównoważone siły powodują zmiany prędkości obiektu, w tym zmianę jego prędkości od zera (tj. stacjonarnej) do większej od zera (w ruchu).

Pierwsze prawo Newtona mówi, że obiekt pozostanie w spoczynku (nie w ruchu) lub w ruchu w dokładnie taką samą prędkość i dokładnie w tym samym kierunku, chyba że działa na nią „niezrównoważony” siła. Mówiąc prościej, mówi, że coś porusza się tylko wtedy, gdy coś innego na to pcha, i że rzeczy zatrzymują się, zmieniają kierunek lub zaczynają poruszać się szybciej, jeśli coś na to pcha.

Zrozumienie znaczenia „niezrównoważonej siły” wyjaśnia to prawo. Jeśli na obiekt działają dwie siły, jedna popychająca go w lewo, a druga w prawo, obiekt poruszy się tylko wtedy, gdy jedna z sił jest większa od drugiej. Jeśli mają dokładnie taką samą siłę, przedmiot pozostanie tam, gdzie jest.

Jednym ze sposobów, aby to sobie wyobrazić, jest myślenie o zestawie wag z odważnikami po obu stronach. Ciężarki są ściągane grawitacyjnie, a jedyną rzeczą, która wpływa na siłę przyciągania grawitacji, jest to, jaka jest ich masa. Jeśli po obu stronach masz taką samą masę, waga pozostaje nieruchoma. Waga porusza się tylko wtedy, gdy dosłownie sprawiasz, że jest niezrównoważona pod względem masy. Różnica mas oznacza, że ​​siły działające po obu stronach wagi są niezrównoważone, a więc waga się porusza.

Wyobrażenie sobie ciągłego ruchu z tą samą prędkością jest trudniejsze, ponieważ nie spotyka się tego w codziennym życiu. Pomyśl, co by się stało, gdybyś miał samochodzik-zabawkę na idealnie gładkiej (bez tarcia) powierzchni, a w pomieszczeniu nie było powietrza. Samochód pozostawałby nieruchomy, chyba że został popchnięty, jak opisano powyżej. Ale co się dzieje po pchnięciu? Nie ma tarcia z powierzchnią, które by ją spowolniło, ani powietrza, które by ją spowolniło. Powierzchnia równoważy siłę grawitacji (poprzez coś, co nazywa się „reakcją normalną”, związaną z trzecim prawem Newtona) i nie ma na nią żadnych sił działających z lewej lub prawej strony. W takiej sytuacji samochód poruszałby się po powierzchni z tą samą prędkością. Gdyby nawierzchnia była nieskończenie długa, samochód jechałby z tą prędkością w nieskończoność.

Drugie prawo Newtona definiuje pojęcie siły. Stwierdza, że ​​siła przyłożona do obiektu jest równa jego masie pomnożonej przez przyspieszenie wywołane przez siłę. W symbolach jest to:

Jednostką siły jest Newton – aby potwierdzić osobę, która ją zdefiniowała – co jest skróconym sposobem powiedzenia kilogram-metrów na sekundę do kwadratu (kg m/s²). Jeśli masz masę 1 kg i chcesz ją przyspieszyć o 1 m/s na sekundę, musisz przyłożyć siłę 1 N.

Napisanie prawa Newtona w następujący sposób pomaga wyjaśnić związek między siłą a ruchem:

Przyspieszenie po lewej stronie mówi nam, jak bardzo coś się porusza. Prawa strona pokazuje, że większa siła prowadzi do większego ruchu, jeśli masa obiektu jest taka sama. Jeśli przyłożona jest określona siła, to równanie pokazuje również, że wielkość przyspieszenia zależy od masy, którą próbujesz przesunąć. Większy, cięższy obiekt porusza się mniej niż mniejszy, lżejszy obiekt poddany pchnięciu o tej samej wielkości. Jeśli kopniesz piłkę nożną, poruszy się ona o wiele bardziej niż w przypadku kopnięcia piłki do kręgli z taką samą siłą.