När du tittar på tennis eller någon annan sport, tittar du på en demonstration av fysik, bara med mer jubel än det typiska fysikexperimentet. Centralt i handlingen är de tre rörelselagarna som beskrivs 1687 av Sir Isaac Newton, Grand Slam-mästaren för preindustriell vetenskap. På många sätt är en tennismatch ett test av vilken spelare som manipulerar Newtons lagar med störst effekt.
Lagarna
Newtons första rörelselag kallas vanligtvis tröghetslagen: Ett objekt i ett tillstånd av enhetlig rörelse kommer att förbli i det rörelse såvida det inte stöter på en yttre kraft och ett objekt i vila kommer att förbli i vila såvida det inte påverkas av en yttre tvinga. Newtons andra lag definierar förhållandet mellan ett objekts massa, kraften som appliceras på det och accelerationen som resulterar: Kraft är lika med mass gånger acceleration, eller F = ma. Newtons tredje rörelselag kan vara den som de flesta känner mest till, bara för att de ser det citerade så ofta: För varje handling finns en lika och motsatt reaktion.
Den första lagen
I tennis är den mest uppenbara förekomsten av Newtons första lag bollens väg. När du slår bollen med din racket, går den iväg i en viss riktning. Om du spelade spelet i vakuumet i det intergalaktiska rymden, ljusår från alla kroppar som producerar gravitation, bollen skulle fortsätta i den riktningen mer eller mindre på obestämd tid, eftersom inga yttre krafter skulle verka på Det. På jorden arbetar dock två stora krafter: Luftmotstånd sänker bollens hastighet och tyngdkraften drar bollen mot marken.
Den andra lagen
När du kastade bort den där tennisbollen med din racket - i rymden eller på jorden - utövade du en kraft på den. Hur mycket kraft? Det är där Newtons andra lag kommer in: Force är lika med mass gånger acceleration. I denna ekvation mäts massa i kilogram och acceleration i en enhet som kallas "meter per sekund per sekund." Acceleration är inte samma sak som hastighet; snarare är det den hastighet som något påskyndar. Om ett objekt rör sig med 1 m per sekund, eller "m / s", och det påskyndar så att det en sekund senare rör sig med 2 m / s, steg det upp 1 m / s på en sekund - 1 m per sekund per sekund.
Nu tillbaka till den tennisboll du träffar: En tennisboll har en massa på cirka 56 g, eller 0,056 kg. Och låt oss säga att du lägger tillräckligt med zing på bollen den en tiondel av en sekund efter att du träffat den når den 100 mph, eller 44,7 m per sekund. Det är en accelerationshastighet på 447 m per sekund per sekund, eller m / s / s. Multiplicera 0,056 kg gånger 447 m / s / s så får du 25,032. Men 25.032 av vad? Kraft mäts i enheter som kallas, tillräckligt nog, Newton. Du slår bollen med 25.032 Newtons of force. Trevlig servering.
Den tredje lagen
Du serverar bollen, din motståndare returnerar serven och du går tillbaka till hennes volley. Du planterar foten på marken och skjuter av. Du trycker i en riktning - i en vinkel mot marken - och din kropp går i motsatt riktning, i en vinkel bort från marken. Kraften som du pressade ner i marken är den kraft med vilken du drivs framåt. Det är handling och reaktion. Du är Newtons tredje rörelselag, i rörelse.