Izaak Newton po prostu nie napisał równań. Dał nam zbiór zasad dotyczących faktycznego poruszania się wszechświata. Aż do roku 1687, kiedy opublikował Principia, fizyka była chaosem sprzecznych idei. Newton wprowadził w tym porządek. Sformułował trzy zasady, które nadal rządzą każdym obiektem mającym masę, od kubka do kawy zsuwającego się ze stołu po planetę krążącą wokół gwiazdy. Są to prawa ruchu i stanowią podstawę mechaniki klasycznej.
Nie potrzebujesz dyplomu z fizyki, aby zrozumieć pierwsze prawo. On jest najbardziej nieoczywisty.
Dlaczego obiekty się poruszają (lub pozostają nieruchome)
Pierwsza zasada Newtona jest często nazywana prawem bezwładności. Twierdzi, że ciało będące w spoczynku pozostaje w spoczynku, natomiast ciało w ruchu porusza się ze stałą prędkością i w tym samym kierunku, dopóki nie zadziała na nie niezrównoważona siła.
Pomyśl o krążku hokejowym na lodzie. Jeśli w niego uderzysz, będzie się ślizgał przez długi czas. Nie przestaje, bo „chce” przestać. Zatrzymuje się, ponieważ tarcie, siła zewnętrzna, przeciwstawia się jego ruchowi. W idealnej próżni, przy zerowym tarciu, ta podkładka będzie się ślizgać wiecznie. To jest bezwładność. Jest to właściwość materii polegająca na przeciwstawianiu się zmianom stanu ruchu.
Koncepcja ta zakłóca naszą codzienną intuicyjną percepcję. Żyjemy w świecie pełnym tarć. Drzwi się zamykają. Samochody zatrzymują się. Kulki toczą się aż do całkowitego zatrzymania. Zakładamy zatem, że zatrzymanie się jest stanem naturalnym. Newton odwrócił ten pomysł. Ruch jest tak naturalny jak bezruch. Nie potrzebujesz siły, aby utrzymać coś w ruchu. Wystarczy siła, aby zmienić sposób poruszania się.
Co to oznacza dla życia codziennego?
To nie jest tylko abstrakcyjna teoria. Właśnie dlatego pędzisz do przodu, gdy samochód nagle hamuje. Twoje ciało chce kontynuować poruszanie się z tą samą prędkością, co samochód. Pas bezpieczeństwa wywiera niezrównoważoną siłę, która Cię zatrzymuje. Dlatego właśnie trzeba pchać ciężkie pudło, aby je poruszyć, ale gdy się przesunie, utrzymanie go w ruchu wymaga mniejszego wysiłku (chociaż tarcie zawsze działa przeciwko tobie).
Zrozumienie bezwładności pomaga wyjaśnić wszystko, od tego, dlaczego astronauci unoszą się na orbicie, po to, dlaczego ogromna ciężarówka potrzebuje potężnego silnika, aby ją przemieszczać. Masa obiektu określa jego bezwładność. Im większa masa, tym większy opór przed zmianami. Pióro można łatwo przenosić. Pociąg – nie.
Pierwsze prawo wyznacza ramy. Definiuje punkt bazowy. Jeśli na obiekt nie działa siła wypadkowa, nic się nie zmienia. Stąd Newton buduje resztę swojego systemu.
Dlaczego Twoja filiżanka kawy pozostaje nieruchoma, mimo że Ziemia porusza się z prędkością 1000 km/h
Teraz wydaje nam się to oczywiste. Ale przez stulecia tak nie było.
Jeśli rzucisz piłkę, spadnie ona na ziemię. Jeśli popchniesz pudełko, a następnie przestaniesz pchać, pudełko się zatrzyma. Codzienne życie krzyczy, że ruch wymaga popchnięcia. Przestań pchać, a ruch się zatrzyma. To jest mechanika arystotelesowska. Odpowiada temu, co widzą nasze oczy. Ona jest intuicyjna.
Ona także jest nieprawdziwa.
Prawo bezwładności, często nazywane pierwszym prawem Newtona, odwraca tę logikę. Ciało pozostające w spoczynku pozostaje w spoczynku. Ciało będące w ruchu porusza się ze stałą prędkością po linii prostej. Jeśli nie działa na niego żadna siła. Nie potrzebujesz pchania, żeby się poruszać. Aby utrzymać pokój, nie jest potrzebne żadne pchnięcie.
W klasycznej mechanice Newtona nie ma istotnego rozróżnienia pomiędzy spoczynkiem i jednostajnym ruchem liniowym.
Tutaj ludzie najczęściej się mylą. „Śpiewać” to po prostu „ruch” widziany z innej perspektywy. Jeśli jedziesz pociągiem z prędkością 100 km/h i rzucisz monetę prosto w górę, wpadnie ona z powrotem do Twojej ręki. Widzisz jak wznosi się i opada. Osoba stojąca na platformie widzi ją opisującą parabolę. Obaj mają rację. Stan monety nie uległ zmianie. Obserwator się zmienił.
Udowodnił to Galileo Galilei. Nie tylko o tym myślał; toczył piłki po pochyłych płaszczyznach. Widział, jak przeszli na drugą stronę. Uświadomił sobie, że gdyby nie było tarcia, piłka nigdy nie przestałaby się unosić. Będzie się ruszał już zawsze. To był przełom. To nie był domysł. Taki był wniosek z eksperymentu.
Dlaczego było to takie ważne?
Wyobraź sobie, że Ziemia się kręci. Wyobraź sobie, że krąży wokół Słońca. Według zdrowego rozsądku ziemia powinna odlecieć od naszych stóp. Musimy poczuć wiatr. Musimy zostać w tyle.
Ale my tego nie czujemy.
Dlaczego nie czujemy ruchu Ziemi?
Ponieważ poruszamy się wraz z nim. Powietrze, ziemia i twoje ciało dzielą tę prędkość. Prawo bezwładności wyjaśnia, dlaczego świat wydaje się być nieruchomy. Podtrzymujemy nasz ruch. Ziemia wydaje nam się nieruchoma, ponieważ jesteśmy częścią tego systemu.
Nie zawsze było to akceptowane. Było to głównym tematem debaty naukowej. Ludzie sprzeciwiali się poglądowi, że nie potrzeba powodu, żeby dalej działać. Trzymali się poglądu Arystotelesa, ponieważ odpowiadał on codziennemu doświadczeniu. Tarcie i opór powietrza są wszędzie. Maskują prawdziwą naturę ruchu. Sformułowanie Newtona jasno to wyjaśniło: ciała zatrzymują się nie dlatego, że „chcą” się zatrzymać, ale dlatego, że podlegają działaniu niezrównoważonych sił, takich jak tarcie.
Kiedy Newton dopracował szczegóły, obraz stał się dokładny. Powierzchnia Ziemi nie porusza się po linii prostej ze stałą prędkością. Ona się kręci. Ten obrót powoduje niewielkie ugięcie. Doświadczamy ich jako efektu Coriolisa lub jako zmiany ciężaru pozornego. Jednak podstawowa zasada pozostaje aktualna. Bezwładność to podstawa.
Różnica między spoczynkiem a ruchem jednostajnym po linii prostej polega na iluzji perspektywy. Jest to ten sam stan ruchu obserwowany przez różnych obserwatorów. Porusza się wraz z cząstką. Drugi porusza się względem niego ze stałą prędkością. Ta równoważność jest podstawą mechaniki klasycznej. Bez tego reszta fizyki nie działa.
Jak drugie prawo Newtona wiąże siłę, masę i przyspieszenie
Drugie prawo Newtona definiuje ilościową zależność pomiędzy siłą a zmianą ruchu ciała. Twierdzi, że szybkość zmiany pędu ciała w czasie jest równa przyłożonej do niego sile, zarówno pod względem wielkości, jak i kierunku. Sam pęd jest wielkością wektorową obliczaną jako iloczyn masy i prędkości. Ponieważ ma kierunek, siła może zmienić wielkość tego impulsu, jego kierunek lub jedno i drugie.
W przypadku obiektów o stałej masie prawo upraszcza się do dobrze znanego równania F = ma. Tutaj siła i przyspieszenie są wielkościami wektorowymi. Jeżeli na ciało działa siła wypadkowa, to ono przyspiesza. Jeżeli nie ma przyspieszenia, to nie ma siły wypadkowej. Zasada ta jest jedną z najważniejszych w całej fizyce.
Co się stanie, gdy siły zderzą się w parze akcja-reakcja?
Trzecie prawo Newtona opisuje oddziaływanie między dwoma ciałami. Ustala, że na każde działanie istnieje równa i przeciwna reakcja.
Trzecie prawo Newtona: akcja i reakcja w praktyce
Trzecie prawo Newtona stwierdza, że siły zawsze występują parami. Kiedy ciało A działa na ciało B, ciało B działa na ciało A z taką samą siłą, ale w przeciwnym kierunku. To jest prawo akcji i reakcji. To nie jest tylko abstrakcja teoretyczna; mówimy o rzeczywistych interakcjach fizycznych.
Weźmy pod uwagę książkę leżącą na stole. Ciężar książki naciska na powierzchnię. W odpowiedzi stół naciska na książkę z identyczną siłą skierowaną do góry. Dlaczego? Ciężar książki powoduje lekkie odkształcenie stołu. Ta niewielka kompresja zamienia stół w tymczasową sprężynę, która odpycha ciężar. Ta równa i przeciwna reakcja utrzymuje książkę w spokoju.
Zasada ta dotyczy zarówno obiektów nieruchomych, jak i poruszających się. Jeżeli działa wypadkowa siła, obiekt przyspiesza (zgodnie z drugim prawem). Jeśli siły znoszą się wzajemnie, obiekt znajduje się w równowadze. Brak przyspieszenia? Nie ma siły wynikowej. Jest to bezpośrednia konsekwencja.
Od Kopernika do rewolucji naukowej
Newton opublikował te prawa w 1687 roku w Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, czyli „Zasady”. Ale nie zbudował wszystkiego od zera. Fundamenty położono w roku 1543, kiedy Mikołaj Kopernik jako centrum Wszechświata zaproponował Słońce, a nie Ziemię.
Między Kopernikiem a Newtonem postacie takie jak Galileusz, Johannes Kepler i Kartezjusz zniszczyły stary arystotelesowski obraz świata. Położyli podwaliny pod zrozumienie heliocentrycznego Wszechświata. „Zasady” Newtona zsyntetyzowały tę nową naukę. Sformułował swoje trzy prawa specjalnie po to, aby wyjaśnić, dlaczego orbity planet są elipsami, a nie idealnymi kołami. Udało mu się. Ale konsekwencje wykraczały daleko poza mechanikę niebieską. Całe to przejście od Kopernika do Newtona oznaczało rewolucję naukową.
Dlaczego prawa Newtona wciąż mają znaczenie
W XX wieku fizyka poszła dalej. Mechanika kwantowa i teoria względności stały się nowymi podstawowymi ramami. Prawa Newtona nie są już ostateczną prawdą.
Ale nadal działają. W przypadku przedmiotów codziennego użytku i prędkości Newton pozostaje dokładny. Wyjątkiem są przypadki skrajne: cząstki subatomowe, takie jak elektrony, lub obiekty poruszające się z prędkością bliską prędkości światła. W tych reżimach konieczna jest mechanika kwantowa lub teoria względności. W przypadku większych ciał i niższych prędkości te nowe teorie są uproszczone i zredukowane do praw Newtona. Nie zniszczyli starych zasad; je rozwinęli.
Czy zatem Newton jest przestarzały? Nie bardzo. To jest po prostu ograniczone. I w przypadku większości rzeczy, z którymi spotykasz się na co dzień, jego prawa są nadal aktualne.
