Prima lege a lui Newton

Experiența sugerează că un obiect în repaus rămâne în repaus dacă este lăsat singur și că un obiect în mișcare tinde să încetinească și să se oprească dacă nu se depune un efort pentru a-l menține în mișcare. Cu toate acestea, prima lege a lui Newton oferă o explicație mai profundă a acestei observații.

PRIMA LEGE A MIȘCĂRII A LUI NEWTON

Un corp în repaus rămâne în repaus sau, dacă este în mișcare, rămâne în mișcare cu viteză constantă, dacă nu este acționat de o forță externă netă.

Observați utilizarea repetată a verbului „rămâne”. Ne putem gândi la această lege ca menținând status quo-ul de mișcare. Rețineți, de asemenea, expresia „viteză constantă;” aceasta înseamnă că obiectul menține o cale de-a lungul unei linii drepte, deoarece nici mărimea, nici direcția vectorului viteză nu se modifică. Putem folosi Figura 5.7 pentru a considera cele două părți ale primei legi a lui Newton.

((a) Un puc de hochei este prezentat în repaus; rămâne în repaus până când o forță exterioară, cum ar fi un baston de hochei, îi schimbă starea de repaus; (b) un puc de hochei este prezentat în mișcare; continuă în mișcare în linie dreaptă până când o forță exterioară îl face să-și schimbe starea de mișcare. Deși este alunecoasă, o suprafață de gheață oferă o oarecare frecare care încetinește pucul.)

În loc să contrazică experiența noastră, prima lege a lui Newton spune că trebuie să existe o cauză pentru ca orice modificare a vitezei (o modificare a mărimii sau a direcției) să aibă loc. Această cauză este o forță externă netă. Un obiect care alunecă pe o masă sau pe podea încetinește din cauza forței nete de frecare care acționează asupra obiectului. Dacă frecarea dispare, obiectul va încetini în continuare?

Ideea de cauză și efect este crucială pentru a descrie cu acuratețe ceea ce se întâmplă în diferite situații. De exemplu, luați în considerare ce se întâmplă cu un obiect care alunecă de-a lungul unei suprafețe orizontale aspre. Obiectul se oprește rapid. Dacă pulverizăm suprafața cu pudră de talc pentru a face suprafața mai netedă, obiectul alunecă mai departe. Dacă facem suprafața și mai netedă prin frecarea cu ulei lubrifiant, obiectul alunecă și mai departe. Extrapolând la o suprafață fără frecare și ignorând rezistența aerului, ne putem imagina obiectul alunecând în linie dreaptă la nesfârșit. Frecarea este astfel cauza încetinirii (în concordanță cu prima lege a lui Newton). Obiectul nu ar încetini dacă frecarea ar fi eliminată.

Luați în considerare o masă de hochei cu aer suflant (Figura 5.8). Când aerul este oprit, discul alunecă doar o mică distanță înainte ca frecarea să-l încetinească până la oprire. Cu toate acestea, atunci când aerul este pornit, creează o suprafață aproape fără frecare, iar pucul alunecă pe distanțe lungi fără a încetini. În plus, dacă știm suficient despre frecare, putem prezice cu exactitate cât de repede încetinește obiectul.

(O masă de hochei pe aer este utilă pentru a ilustra legile lui Newton. Când aerul este oprit, frecarea încetinește rapid pucul; dar când aerul este pornit, minimizează contactul dintre puc și masa de hochei, iar pucul alunecă departe pe masă.)

Prima lege a lui Newton este generală și poate fi aplicată la orice, de la un obiect care alunecă pe o masă la un satelit pe orbită până la sângele pompat din inimă. Experimentele au verificat că orice modificare a vitezei (viteză sau direcție) trebuie să fie cauzată de o forță externă. Ideea legilor general aplicabile sau universale este importantă – este o caracteristică de bază a tuturor legilor fizicii. Identificarea acestor legi este ca și cum ai recunoaște modele în natură din care pot fi descoperite modele suplimentare. Geniul lui Galileo, care a dezvoltat primul ideea pentru prima lege a mișcării, și Newton, care a clarificat-o, a fost să pună întrebarea fundamentală: „Care este cauza?” Gândirea în termeni de cauză și efect este fundamental diferită de abordarea tipică grecească antică, când întrebări precum „De ce un tigru are dungi?” s-ar fi răspuns în mod aristotelic, cum ar fi „Aceasta este natura fiarei”. Abilitatea de a gândi în termeni de cauză și efect este capacitatea de a face o legătură între un comportament observat și lumea înconjurătoare.

Gravitația și inerția

Indiferent de scara unui obiect, fie că este o moleculă sau o particulă subatomică, două proprietăți rămân valabile și deci de interes pentru fizică: gravitația și inerția. Ambele sunt legate de masă. În linii mari, masa este o măsură a cantității de materie din ceva. Gravitația este atracția unei mase către alta, cum ar fi atracția dintre tine și Pământ care îți ține picioarele pe podea. Mărimea acestei atracții este greutatea ta și este o forță.

Masa este, de asemenea, legată de inerție, capacitatea unui obiect de a rezista schimbărilor în mișcarea sa – cu alte cuvinte, de a rezista accelerației. Prima lege a lui Newton este adesea numită legea inerției. După cum știm din experiență, unele obiecte au mai multă inerție decât altele. Este mai dificil să schimbi mișcarea unui bolovan mare decât cea a unei mingi de baschet, de exemplu, deoarece bolovanul are mai multă masă decât mingea de baschet. Cu alte cuvinte, inerția unui obiect este măsurată prin masa acestuia.

Cadre de referință inerțiale

Mai devreme, am afirmat prima lege a lui Newton ca „Un corp în repaus rămâne în repaus sau, dacă este în mișcare, rămâne în mișcare cu viteză constantă, dacă nu este acționat de o forță externă netă.” De asemenea, poate fi afirmată ca „Fiecare corp rămâne în starea sa de mișcare uniformă în linie dreaptă, cu excepția cazului în care este obligat să schimbe acea stare de către forțele care acționează asupra lui”. Pentru Newton, „mișcare uniformă într-o linie dreaptă” însemna viteză constantă, care include cazul vitezei zero sau repaus. Prin urmare, prima lege spune că viteza unui obiect rămâne constantă dacă forța netă asupra acestuia este zero.

Prima lege a lui Newton este de obicei considerată a fi o afirmație despre cadrele de referință. Acesta oferă o metodă de identificare a unui tip special de cadru de referință: cadrul de referință inerțial. În principiu, putem face ca forța netă asupra unui corp să fie zero. Dacă viteza sa relativă la un cadru dat este constantă, atunci se spune că acel cadru este inerțial. Deci, prin definiție, un cadru de referință inerțial este un cadru de referință în care prima lege a lui Newton este valabilă. Prima lege a lui Newton se aplică obiectelor cu viteză constantă. Din acest fapt, putem deduce următoarea afirmație.

Cadru de referință inerțial

Un cadru de referință care se mișcă cu viteză constantă în raport cu un cadru inerțial este de asemenea inerțial. Un cadru de referință care accelerează în raport cu un cadru inerțial nu este inerțial.

Sunt cadrele inerțiale comune în natură? Se pare că, în cadrul erorii experimentale, un cadru de referință în repaus în raport cu cele mai îndepărtate stele, sau „fixe”, este inerțial. Toate cadrele care se mișcă uniform în raport cu acest cadru cu stea fixă sunt de asemenea inerțiale. De exemplu, un cadru de referință care nu se rotește atașat la Soare este, pentru toate scopurile practice, inerțial, deoarece viteza sa în raport cu stelele fixe nu variază cu mai mult de o parte în 10¹⁰. Pământul accelerează în raport cu stelele fixe deoarece se rotește pe axa sa și se învârte în jurul Soarelui; prin urmare, un cadru de referință atașat la suprafața sa nu este inerțial. Pentru majoritatea problemelor, totuși, un astfel de cadru servește ca o aproximare suficient de precisă a unui cadru inerțial, deoarece accelerația unui punct de pe suprafața Pământului în raport cu stelele fixe este destul de mică (< 3,4×10⁻² m/s²). Astfel, dacă nu se indică altfel, considerăm cadrele de referință fixate pe Pământ ca fiind inerțiale.

În cele din urmă, niciun cadru inerțial nu este mai special decât oricare altul. În ceea ce privește legile naturii, toate cadrele inerțiale sunt echivalente. În analiza unei probleme, alegem un cadru inerțial în detrimentul altuia pur și simplu pe baza confortului.

Sursa: Physics, University Physics (OpenStax), acces gratuit sub licență CC BY 4.0. Traducere și adaptare de Nicolae Sfetcu