Pierwsza zasada dynamiki Newtona. Bezwładność ciał
Dlaczego niektóre ciała tak łatwo wprawić w ruch, a w przypadku innych jest to prawie niemożliwe? Które ciało łatwiej zatrzymać? To o większej czy o mniejszej masie? Dlaczego tak jest?
czym jest ruch;
jak brzmi definicja prędkości i jak obliczyć jej wartość;
jaka wielkość fizyczna jest miarą wzajemnego oddziaływania ciał;
czego miarą jest masa ciała;
jak odróżniać skutki statyczne i dynamiczne działania sił.
Ich opracowanie znajdziesz materiałach Trzecia zasada dynamiki Newtona – wzajemne oddziaływanie ciałTrzecia zasada dynamiki Newtona – wzajemne oddziaływanie ciał oraz Wpływ oporów ruchu na poruszające się ciałaWpływ oporów ruchu na poruszające się ciała.
co jest przyczyną zmian ruchu ciał;
podawać treść pierwszej zasady dynamiki Newtona, czyli podawać warunki, jakie muszą być spełnione, aby ciało poruszało się ruchem jednostajnym prostoliniowym lub było w spoczynku;
posługiwać się pojęciem: bezwładność ciała.
Co wprawia ciała w ruch?
Rozważ poniższe sytuacje i wskaż przyczynę zmian stanu ciał w każdej z nich:
jesteś na boisku i chcesz „podać” koledze piłkę; co robisz?
chcesz zmienić umeblowanie pokoju, np. przesunąć biurko bliżej okna; co robisz?
chcesz pomóc wnieść zakupy do domu; co robisz?
Zapewne domyśliłeś się, że wspólną odpowiedzią na te pytania jest: muszę zadziałać pewną siłą.
Przesuwając przedmioty po podłodze, na przykład przesuwając biurko czy szafę, musimy zadziałać siłą, która musi przynajmniej zrównoważyć siłę tarcia, która w tym przesuwaniu nam przeszkadza.
Czy łatwo jest przepchnąć samochód? Zadanie to do najłatwiejszych nie należy. Ale jak myślisz, z którym poszłoby łatwiej - niewielkim „maluchem” czy znacznie większym minivanem? Czy łatwiej jest poruszyć wiszący worek treningowy (taki, na jakim ćwiczą bokserzy) czy niewielki woreczek?
Jak zmienić prędkość ruchu?
Aby zmienić prędkość podczas jazdy na deskorolce, należy podziałać na nią pewną siłą. Jej działanie może przyspieszyć lub opóźnić, a nawet zatrzymać ruch deskorolki.
Aby zmienić kierunek ruchu toczącej się piłki, również musimy podziałać na nią siłą.
Przyczyną zmian prędkości ciała względem nieruchomego układu odniesienia jest działanie niezrównoważonej siły na to ciało.
Zastanów się z kolegami i koleżankami, co się stanie, gdy na ciało poruszające się w poziomie dowolnym ruchem prostoliniowym nagle przestaną działać wszelkie siły?
Pierwsza zasada dynamiki Newtona
Działanie niezrównoważonej siły (siły wypadkowej różnej od zera) powoduje zmianę prędkości poruszającego się ciała. Obserwujemy jednak i takie ciała, które poruszają się ze stałą prędkością lub też pozostają w spoczynku względem wybranego układu odniesienia.
Dlaczego samochód może poruszać się ze stałą prędkością pomimo tego, że jego silnik cały czas pracuje i wytwarza siłę napędową? Dlaczego prędkość samochodu nie rośnie?
Podobnie jest ze spadochroniarzem. Opada on ruchem jednostajnym (poza początkowym odcinkiem drogi). Wiemy jednak, że kamień spadający swobodnie porusza się ruchem przyspieszonym. Dlaczego w takim razie spadochroniarz porusza się z prędkością o stałej wartości?
Przyczyną tego zjawiska są opory ruchu. Zagadnieniem tym zajmowaliśmy się już wcześniej w materiale dotyczącym wpływu oporów ruchu na poruszające się ciaławpływu oporów ruchu na poruszające się ciała i będziemy się również zajmować dokładniej w materiale drugiej zasady dynamiki Newtonadrugiej zasady dynamiki Newtona, dlatego też teraz ograniczymy się do stwierdzenia, że wartość siły oporu powietrza lub wody zależy od prędkości ruchu ciała w tych ośrodkach. Podczas opadania wartość prędkości spadochroniarza wzrasta i rośnie też siła oporu stawianego mu przez powietrze. Gdy siły się zrównoważą, dalszy ruch odbywa się już ze stałą wartością prędkości.
Siła napędowa silnika samochodu równoważona jest przez siły przeciwdziałające jego ruchowi, np. siłę tarcia toczących się po powierzchni jezdni opon lub siły oporu powietrza. Noszą one wspólną nazwę sił oporu ruchusił oporu ruchu. Siła wypadkowa działająca na jadący po linii prostej z prędkością o stałej wartości samochód, będąca sumą siły napędowej i sił oporu ruchu, równa jest zeru.
Dlaczego lecący po linii prostej samolot może poruszać się ze stałą prędkością?
Na lecący samolot działają łącznie cztery siły, które muszą parami się równoważyć:
siła grawitacji (skierowana pionowo w dół) i siła nośnasiła nośna (skierowana pionowo w górę);
siła ciągu silników (zwrócona w tę stronę, w którą leci samolot) i siła oporów ruchu zwrócona przeciwnie do zwrotu prędkości samolotu.
Gdy zostanie spełniony warunek ich równowagi, tzn. siła wypadkowa działająca na samolot wyniesie zero, to będzie on się poruszał z prędkością o stałej wartości, kierunku i zwrocie.
Przedstawioną sytuację opisuje pierwsza zasada dynamiki, a sformułował ją na przełomie i wieku sir Isaac NewtonIsaac Newton.
Jeżeli na ciało nie działa żadna siła lub działające siły się równoważą, to ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym względem nieruchomego układu odniesienia.
Oceń prawdziwość poniższych zdań.
| Prawda | Fałsz | |
| Jadący samochód porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym, gdy siła grawitacji równoważy siłę tarcia. | □ | □ |
| Jadący samochód porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym, gdy siłę tarcia równoważy siła napędzająca samochód. | □ | □ |
| Stojący na parkingu samochód nie porusza się, ponieważ działające na niego siły równoważą się. | □ | □ |
Bezwładność ciał
Wyobraźmy sobie, że jadący autobus nagle zaczyna hamować. Co się wtedy dzieje? Przedmioty, które nie są przymocowane, zaczynają się poruszać w tę stronę, w którą jechał autobus. Dotyczy to także ludzi. Niektórzy utrzymają równowagę przez trzymanie się barierki czy uchwytu, ale niektórzy mogą się przewrócić. Podobnie jest podczas ruszania z dużym przyspieszeniem. Wtedy nieumocowane przedmioty i jadący pojazdem ludzie zaczynają poruszać się względem ścian pojazdu do tyłu, co powoduje, że również się przewracają.
Film dostępny pod adresem /preview/resource/RQZIBtuktHkEe
Materiał przedstawiający autobus ruszający z przystanku.
Ciała pasażerów ruszającego z miejsca pojazdu przejawiają tendencję do pozostania w stanie, w którym znajdowały się dotąd. Jednak stopy na skutek występowania siły tarcia między podłogą a podeszwami obuwia „odjeżdżają” wraz z autobusem. Pasażerowie przewracają się do tyłu pojazdu.
Co stanie się w czasie hamowania autobusu? Ciała będą kontynuować swój ruch z prędkością, jaką miał on przed rozpoczęciem hamowania. Ich stopy związane są jednak siłami tarcia z podłogą pojazdu. Możemy wówczas zaobserwować, że pasażerowie, czasem nawet gwałtownie, przemieszczają się w stronę przodu autobusu, a nawet przewracają się.
Oba powyższe przykłady pokazują, że ciała mają tendencję do zachowania istniejącego stanu – spoczynku bądź ruchu jednostajnego prostoliniowego. Do utrzymania tego stanu nie jest potrzebne oddziaływanie zewnętrzne. Wynika z tego pewna właściwość ciał zwana bezwładnościąbezwładnością.
Aby zmienić stan ruchu ciała, tzn. zmniejszyć lub zwiększyć prędkość, zatrzymać lub zmienić kierunek jego ruchu (gdy w ruchu się znajduje) lub wprawić w ruch (gdy spoczywa), wymagane jest działanie siły niezrównoważonej.
Bezwładność to skłonność ciała do pozostania w spoczynku, gdy wcześniej ciało nie poruszało się lub pozostania w ruchu, gdy wcześniej ciało poruszało się.
Podsumowanie
Przyczyną zmian prędkości ciała względem nieruchomego układu odniesienia jest działanie na to ciało niezrównoważonej siły.
Ciała spoczywające dążą do przebywania w stanie spoczynku, ciała poruszające się – do utrzymania tego ruchu bez zmiany prędkości. Cecha ciała polegająca na tym, że ciało dąży do zachowania stanu spoczynku lub stanu ruchu jednostajnego prostoliniowego nazywa się bezwładnością. Bezwładność uwidacznia się w układach odniesienia, które przyspieszają, zwalniają lub zmieniają kierunek ruchu względem nieruchomego układu odniesienia.
Masa jest miarą ilości materii w danym przedmiocie. Jest miarą bezwładności – oporu, jaki stawia ten przedmiot, gdy chcemy go poruszyć, zatrzymać lub zmienić w jakiś sposób jego ruch.
Pierwsza zasada dynamiki Newtona głosi, że jeżeli na ciało nie działa żadna siła lub działające siły się równoważą, to ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym względem nieruchomego układu odniesienia.
Wymień przykłady praktycznego zastosowania bezwładności.
Pocisk porusza się w lufie armaty w wyniku parcia gazów powstałych po spaleniu prochu. Spośród poniższych wybierz te siły, które działają na pocisk po opuszczeniu lufy.
Jaki opór stawia siła tarcia w zależności od kształtu przedmiotu?
niewielki, prostopadłościenny klocek
kulka o rozmiarze zbliżonym do rozmiaru klocka
samochodzik z obracającymi się kółkami
linijka (bądź prosty patyk)
Ustaw klocek, kulkę i samochodzik wzdłuż jednej linii wzdłuż linijki. Zacznij przesuwać linijkę tak, aby wprawić w ruch wszystkie trzy przedmioty. W pewnej chwili zatrzymaj linijkę. Jak zachowają się przedmioty? Który dotrze najdalej, a który zatrzyma się najszybciej?
Klocek leży na stole. W pewnym momencie Krzyś zaczął go popychać, wprawiając przedmiot w ruch. Narysuj i opisz siły działające na klocek podczas ruchu. W jakiej sytuacji klocek poruszałby się ruchem jednostajnym prostoliniowym?
Siła reakcji ma 1. większą wartość niż, 2. mniejszą wartość niż, 3. taką samą wartość jak, 4. większą wartość niż, 5. taką samą wartość jak, 6. mniejszą wartość niż siła ciężkości klocka.
Zadanie podsumowujące lekcję
Słownik
inaczej inercja; właściwość materii polegająca na zachowaniu przez ciało swojego stanu: ruchu lub spoczynku, dopóki działające siły równoważą się.
jedna z sił działających w ośrodku (powietrzu, cieczy) na poruszające się w tym ośrodku ciało. Siła ta jest zależna od kształtu ciała i wartości prędkości ciała.
wszystkie siły, które przeciwdziałają ruchowi poruszającego się ciała, np. tarcie lub opór powietrza.
Biogram
Isaac Newton
Fizyk, astronom i matematyk angielski, profesor uniwersytetu w Cambridge. Sformułował podstawy mechaniki klasycznej (trzy zasady dynamiki). Innymi epokowymi odkryciami Newtona są: prawo powszechnego ciążenia i uzasadnienie praw Keplera. Był zwolennikiem korpuskularnej teorii światła (zgodnie z którą światło ma postać cząstek). Jest wraz z Leibnizem twórcą rachunku różniczkowego i całkowego.