Isaac Newton prostě ty rovnice nenapsal. Dal nám soubor pravidel, jak se vesmír ve skutečnosti pohybuje. Až do roku 1687, kdy vydal Principia, byla fyzika chaosem protichůdných myšlenek. Newton do toho vnesl řád. Zformuloval tři pravidla, kterými se stále řídí každý hmotný objekt, od hrnku na kávu sklouzávajícího ze stolu až po planetu obíhající kolem hvězdy. Toto jsou zákony pohybu a tvoří základ klasické mechaniky.
K pochopení prvního zákona nepotřebujete diplom z fyziky. Je nejnezřetelnější.
Proč se předměty stále pohybují (nebo zůstávají nehybné)
První Newtonův zákon se často nazývá zákon setrvačnosti. Uvádí, že těleso v klidu zůstává v klidu a těleso v pohybu pokračuje v pohybu konstantní rychlostí a ve stejném směru, dokud na něj nepůsobí nevyvážená síla.
Představte si hokejový puk na ledě. Pokud na něj narazíte, bude dlouho klouzat. Nepřestává, protože “chce” přestat. Zastaví se, protože tření, vnější síla, brání jeho pohybu. V dokonalém vakuu s nulovým třením by tato podložka klouzala navždy. To je setrvačnost. To je vlastnost hmoty odolávat změnám ve svém stavu pohybu.
Tento koncept narušuje naše každodenní intuitivní vnímání. Žijeme ve světě plném třenic. Dveře se zavírají. Auta zastavují. Kuličky se kutálejí, dokud se úplně nezastaví. Proto předpokládáme, že zastavení je přirozený stav. Newton tuto myšlenku obrátil. Pohyb je stejně přirozený jako klid. Nepotřebujete sílu, abyste něco udrželi v pohybu. Ke změně způsobu pohybu potřebujete pouze sílu.
Co to znamená pro každodenní život?
To není jen abstraktní teorie. To je důvod, proč spěcháte vpřed, když auto náhle zabrzdí. Vaše tělo chce pokračovat v pohybu stejnou rychlostí jako auto. Bezpečnostní pás poskytuje nevyváženou sílu, která vás zastaví. To je důvod, proč musíte na těžkou krabici tlačit, abyste ji uvedli do pohybu, ale jakmile klouže, je třeba ji udržet v pohybu méně úsilí (ačkoli tření vždy pracuje proti vám).
Pochopení setrvačnosti pomáhá vysvětlit vše od toho, proč se astronauti vznášejí na oběžné dráze, až po to, proč masivní nákladní automobil potřebuje k pohybu výkonný motor. Hmotnost objektu určuje, jak velkou setrvačnost má. Čím větší hmotnost, tím větší odpor vůči změnám. Pero se snadno pohybuje. Vlak – ne.
První zákon stanoví rámec. Definuje základní bod. Pokud na objekt nepůsobí žádná čistá síla, nic se nemění. Odtud Newton staví zbytek svého systému.
Proč váš šálek kávy zůstává nehybný, i když se Země pohybuje rychlostí 1000 km/h
Nyní se nám to zdá zřejmé. Ale po staletí tomu tak nebylo.
Pokud hodíte míč, spadne na zem. Pokud zatlačíte na krabici a poté přestanete tlačit, krabice se zastaví. Každodenní život křičí, že pohyb vyžaduje tlak. Přestaňte tlačit a pohyb se zastaví. To je aristotelská mechanika. Odpovídá tomu, co vidí naše oči. Je intuitivní.
Je také nepravdivá.
Zákon setrvačnosti, často nazývaný první Newtonův zákon, tuto logiku obrací. Tělo v klidu zůstává v klidu. Pohybující se těleso pokračuje v pohybu konstantní rychlostí po přímce. Pokud na něj nepůsobí žádná síla. Nepotřebujete tlačit, abyste se mohli pohybovat. K udržení klidu také není potřeba tlačit.
V klasické newtonovské mechanice není žádný důležitý rozdíl mezi klidovým a rovnoměrným lineárním pohybem.
Zde se lidé nejčastěji pletou. „Sing“ je prostě „pohyb“ viděný z jiné perspektivy. Pokud jedete ve vlaku jedoucím rychlostí 100 km/h a hodíte minci přímo nahoru, padne vám zpět do ruky. Vidíte, jak stoupá a klesá. Osoba stojící na plošině ji vidí, jak popisuje parabolu. Oba mají pravdu. Stav mince se nezměnil. Pozorovatel se změnil.
Galileo Galilei to dokázal. Nejen o tom přemýšlel; koulel koule po nakloněných rovinách. Sledoval, jak šplhají na druhou stranu. Uvědomil si, že pokud nedojde k žádnému tření, míč se nikdy nepřestane zvedat. Pohyboval by se navždy. Byl to průlom. Nebyl to odhad. To byl závěr z experimentu.
Proč to bylo tak důležité?
Představte si, že se Země točí. Představte si, že se točí kolem Slunce. Podle zdravého rozumu by nám země měla odletět od nohou. Musíme cítit vítr. Musíme zaostávat.
Ale my to necítíme.
Proč necítíme pohyb Země?
Protože s tím hýbeme. Vzduch, země a vaše tělo sdílejí tuto rychlost. Zákon setrvačnosti vysvětluje, proč se svět zdá být nehybný. Udržujeme svůj pohyb. Země se nám zdá nehybná, protože jsme součástí tohoto systému.
To nebylo vždy přijato. Toto bylo ústřední téma vědecké debaty. Lidé se bránili myšlence, že nepotřebujete důvod, abyste pokračovali. Lpěli na aristotelském pohledu, protože odpovídal každodenní zkušenosti. Tření a odpor vzduchu jsou všude. Maskují skutečnou povahu hnutí. Newtonova formulace to objasnila: tělesa se nezastaví proto, že se „chtějí“ zastavit, ale protože jsou vystavena nevyváženým silám, jako je tření.
Jakmile Newton vypracoval detaily, obraz se stal přesným. Zemský povrch se nepohybuje přímočaře konstantní rychlostí. Ona se točí. Tato rotace vytváří mírné výchylky. Prožíváme je jako Coriolisův efekt nebo jako změny zdánlivé hmotnosti. Ale základní princip zůstává platný. Setrvačnost je základní linií.
Rozdíl mezi klidem a rovnoměrným pohybem v přímce je iluze perspektivy. Je to stejný stav pohybu pozorovaný různými pozorovateli. Člověk se pohybuje s částicí. Druhý se vůči němu pohybuje konstantní rychlostí. Tato ekvivalence je základem klasické mechaniky. Bez toho zbytek fyziky nefunguje.
Jak druhý Newtonův zákon souvisí se silou, hmotností a zrychlením
Druhý Newtonův zákon definuje kvantitativní vztah mezi silou a změnou pohybu tělesa. Uvádí, že rychlost změny hybnosti tělesa v průběhu času se rovná síle, která na něj působí, a to jak ve velikosti, tak ve směru. Samotná hybnost je vektorová veličina, vypočítaná jako součin hmotnosti a rychlosti. Protože má směr, síla může změnit velikost tohoto impulsu, jeho směr nebo obojí.
Pro objekty s konstantní hmotností se zákon zjednodušuje na známou rovnici F = ma. Síla a zrychlení jsou zde vektorové veličiny. Působí-li na těleso síťová síla, zrychluje se. Není-li zrychlení, není výsledná síla. Tento princip je jedním z nejdůležitějších v celé fyzice.
Co se stane, když se síly srazí ve dvojici akce-reakce?
Třetí Newtonův zákon popisuje interakci mezi dvěma tělesy. Stanovuje, že pro každou akci existuje stejná a opačná reakce.
Třetí Newtonův zákon: Akce a reakce v praxi
Třetí Newtonův zákon říká, že síly se vždy vyskytují ve dvojicích. Když těleso A působí na těleso B, působí těleso B na těleso A stejnou silou, ale v opačném směru. To je zákon akce a reakce. Toto není jen teoretická abstrakce; mluvíme o skutečných fyzických interakcích.
Představte si knihu ležící na stole. Váha knihy tlačí na povrch. V reakci na to stůl tlačí na knihu stejnou silou směřující nahoru. Proč? Hmotnost knihy způsobuje mírnou deformaci stolu. Tato malá komprese promění stůl v dočasnou pružinu, která tlačí zpět proti váze. Tato stejná a opačná reakce drží knihu v klidu.
Tento princip platí pro stacionární i pohybující se objekty. Pokud existuje síťová síla, objekt se zrychluje (podle druhého zákona). Pokud se síly navzájem vyruší, je objekt v rovnováze. Žádné zrychlení? Neexistuje žádná výsledná síla. To je přímý důsledek.
Od Koperníka k vědecké revoluci
Newton publikoval tyto zákony v roce 1687 v Philosophiae Naturalis Principia Mathematica neboli „Principy“. Nestavěl ale vše od nuly. Základ byl položen v roce 1543, kdy Mikuláš Koperník navrhl za střed vesmíru Slunce, nikoli Zemi.
Mezi Koperníkem a Newtonem zničili postavy jako Galileo Galilei, Johannes Kepler a Descartes starý aristotelský obraz světa. Položili základ pro pochopení heliocentrického vesmíru. Newtonovy „Principy“ syntetizovaly tuto novou vědu. Své tři zákony formuloval speciálně proto, aby vysvětlil, proč jsou oběžné dráhy planet spíše elipsami než dokonalými kružnicemi. Uspěl. Ale následky šly daleko za nebeskou mechaniku. Celý tento posun od Koperníka k Newtonovi znamenal Vědeckou revoluci.
Proč na Newtonových zákonech stále záleží
Ve 20. století šla fyzika dále. Kvantová mechanika a teorie relativity se staly novým základním rámcem. Newtonovy zákony již nejsou konečnou pravdou.
Ale stále fungují. Pro běžné předměty a rychlosti zůstává Newton přesný. Výjimkou jsou extrémní případy: subatomární částice, jako jsou elektrony, nebo objekty pohybující se blízko rychlosti světla. V těchto režimech je nezbytná kvantová mechanika nebo teorie relativity. Pro větší tělesa a nižší rychlosti jsou tyto nové teorie zjednodušeny a zredukovány na Newtonovy zákony. Nezničili stará pravidla; rozšířili je.
Je tedy Newton zastaralý? Vlastně ne. Je to jen omezené. A pro většinu věcí, se kterými se denně setkáváte, jeho zákony stále platí.
