1.3. 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?

Już potrafisz: 

  • opisywać ruch jako zmianę położenia ciała względem układu odniesienia;
  • podawać definicję prędkości i obliczać jej wartość;
  • interpretować siłę jako miarę oddziaływania ciał na siebie;
  • interpretować masę jako ilość substancji zawartej w ciele;
  • odróżniać skutki statyczne i dynamiczne działania sił.

Nauczysz się: 

  • podawać siłę jako przyczynę zmiany rodzaju lub kierunku ruchu;
  • podawać treść pierwszej zasady dynamiki Newtona, czyli podawać warunki, jakie muszą być spełnione, aby ciało poruszało się ruchem jednostajnym prostoliniowym lub było w spoczynku;
  • podawać przykłady zjawiska bezwładności.

1. Co wprawia ciała w ruch?

Jak to się dzieje, że kamień stacza się z góry? Dlaczego nieruchome przedmioty zaczynają się poruszać?
Przyczyną tych zjawisk są skutki działania sił – oczywiste jest, że w celu przesunięcia szafy musimy działać na nią pewną siłą.
Siła ta musi pokonać siłę tarcia. A gdyby nie było tarcia? Czy łatwo jest poruszyć samochód? Czy łatwiej jest poruszyć samochód duży czy mały? Czy łatwiej jest poruszyć wiszący worek treningowy (taki dla bokserów) czy niewielki woreczek?
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.

Zapamiętaj

Przyczyną zmian prędkości ciała względem nieruchomego układu odniesienia jest działanie niezrównoważonej siły na to ciało.

Polecenie 1.3.1.

Zastanów się z kolegami i koleżankami, co się stanie, gdy na ciało poruszające się w poziomie dowolnym ruchem prostoliniowym nagle przestaną działać wszelkie siły?

2. 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.
Gdy ciało spoczywa, wszystkie działające na nie siły równoważą się. Wartość siły wypadkowej wynosi zero. Na ciało nie działa żadna niezrównoważona siła, a jego prędkość względem wybranego układu odniesienia równa jest zero.
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 i będziemy się również zajmować dokładniej na następnej lekcji, 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 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:
  1. a)
    siła grawitacji (skierowana pionowo w dół) i siła nośna (skierowana pionowo w górę);
  2. b)
    siła ciągu silników (zwrócona w tę stronę, w którą leci samolot) i siły oporu ruchu, zwrócone 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.
Przedstawione zjawisko nosi nazwę pierwszej zasady dynamiki, a sformułował ją na przełomie XVII i XVIII wieku sir Isaac Newton.

Reguła: 1.3.1Pierwsza zasada dynamiki Newtona

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.

Zadanie 1.3.1.

3. Bezwładność ciał

Wyobraźmy sobie, że jadący autobus nagle zaczyna hamować. Co się wtedy dzieje? Przedmioty, które nie są umocowane, zaczynają się poruszać w tę stronę, w którą jechał autobus. Dotyczy to także ludzi, przy czym niektórzy z nich mogą się nawet przewrócić. Podobnie jest, gdy pojazd rusza z dużym przyspieszeniem. Wtedy nieumocowane przedmioty i jadący pojazdem ludzie zaczynają poruszać się względem ścian pojazdu do tyłu, co powoduje, że również się przewracają.
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 bezwładnością.
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.

Zapamiętaj

Bezwładność jest siłą pojawiającą się w układach odniesienia, które przyspieszają, zwalniają lub zmieniają kierunek ruchu względem nieruchomego układu odniesienia.

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. Ten opór ciał wobec zmian stanu ruchu nazywa się bezwładnością (inercją). 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.

Praca domowa

Polecenie 1.3.2.

Problem 1.
Wymień przykłady praktycznego zastosowania bezwładności.
Problem 2.
Pocisk porusza się w lufie armaty w wyniku parcia gazów powstałych po spaleniu prochu. Wymień dwie siły działające na pocisk po opuszczeniu lufy. Czy jest wśród nich siła parcia gazów prochowych? Uzasadnij swoją odpowiedź.
Problem 3.
Przygotuj następujące pomoce: niewielki prostopadłościenny klocek, kulkę o podobnych rozmiarach i samochodzik mający obracające się kółka. Ustaw je w jednej linii wzdłuż linijki, a następnie przesuwaj linijkę tak, aby wszystkie te przedmioty znalazły się w ruchu. W pewnej chwili zatrzymaj linijkę. Jak będą się zachowywać wymienione przedmioty? Który z nich dotrze najdalej, a który pokona najkrótszą drogę? Dlaczego?
Problem 4.
Nazwij i narysuj siły działające na klocek podczas jego ruchu. Ile wynosiłaby wartość wypadkowej tych sił, gdyby nie było tarcia?

Zadanie podsumowujące lekcję

Zadanie 1.3.2.

Słowniczek

bezwładność

– inercja; właściwość materii polegająca na zachowaniu przez ciało swojego stanu: ruchu lub spoczynku, dopóki nie działają niezrównoważone siły .

siła nośna

– 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.

siły oporu ruchu

– wszystkie siły, które przeciwdziałają ruchowi poruszającego się ciała, np. tarcie lub opór powietrza.

Biogram

Biogram 

Isaac Newton
Data urodzenia 
25.12.1642
Miejsce urodzenia 
Woolsthorpe-by-Colsterworth, Anglia
Data śmierci 
20.3.1726
Miejsce śmierci 
Kensington, Anglia
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.