Pengantar Praktis ke 3 Hukum Gerak Newton

Setiap hukum gerak yang dikembangkan Newton memiliki interpretasi matematika dan fisik yang signifikan yang diperlukan untuk memahami gerakan di alam semesta kita. Penerapan hukum gerak ini benar-benar tidak terbatas.

Pada dasarnya, hukum-hukum Newton menentukan cara perubahan gerak, khususnya cara perubahan gerak tersebut terkait dengan gaya dan massa.

Sir Isaac Newton (1642-1727) adalah seorang ahli fisika Inggris yang, dalam banyak hal, dapat dipandang sebagai fisikawan terhebat sepanjang masa. Meskipun ada beberapa pendahulu catatan, seperti Archimedes, Copernicus, dan GalileoNewton yang benar-benar mencontohkan metode penyelidikan ilmiah yang akan diadopsi sepanjang zaman.

Selama hampir seabad, Deskripsi Aristoteles tentang alam semesta fisik telah terbukti tidak memadai untuk menggambarkan sifat gerakan (atau gerakan alam, jika Anda mau). Newton mengatasi masalah tersebut dan menghasilkan tiga aturan umum tentang pergerakan benda yang dijuluki "tiga hukum gerak Newton."

Pada 1687, Newton memperkenalkan tiga hukum dalam bukunya "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica" (Matematika) Principles of Natural Philosophy), yang umumnya disebut sebagai "Principia." Di sinilah ia juga diperkenalkan -nya teori gravitasi universal, dengan demikian meletakkan seluruh dasar mekanika klasik dalam satu volume.

• Hukum Gerak Newton yang pertama menyatakan bahwa agar gerak suatu benda berubah, suatu gaya harus bertindak atasnya. Ini adalah konsep yang umumnya disebut inersia.
• Hukum Kedua Newton tentang Gerak mendefinisikan hubungan antara akselerasi, gaya, dan massa.
• Hukum Ketiga Newton tentang Gerak menyatakan bahwa setiap kali suatu gaya bekerja dari satu objek ke objek lain, ada gaya yang sama yang bekerja kembali pada objek aslinya. Jika Anda menarik tali, tali itu juga menarik Anda kembali.

• Diagram benda bebas adalah cara Anda melacak kekuatan yang berbeda bertindak pada suatu objek dan, karenanya, menentukan akselerasi akhir.
• Vektor matematika digunakan untuk melacak arah dan besarnya kekuatan dan percepatan yang terlibat.
• Persamaan variabel digunakan dalam kompleks fisika masalah.

Setiap tubuh terus dalam keadaan istirahat, atau gerakan seragam dalam garis lurus, kecuali dipaksa untuk mengubah keadaan itu dengan kekuatan yang terkesan padanya.
- Pertama Newton Hukum Gerak, diterjemahkan dari "Principia"

Ini kadang-kadang disebut Hukum Inersia, atau hanya inersia. Pada dasarnya, ini membuat dua poin berikut:

• Objek yang tidak bergerak tidak akan bergerak sampai a memaksa bertindak atasnya.
• Objek yang bergerak tidak akan mengubah kecepatan (atau berhenti) sampai suatu gaya bertindak di atasnya.

Poin pertama tampaknya relatif jelas bagi kebanyakan orang, tetapi yang kedua mungkin perlu dipikirkan. Semua orang tahu bahwa hal-hal tidak terus bergerak selamanya. Jika saya menggeser keping hoki di sepanjang meja, itu melambat dan akhirnya berhenti. Tetapi menurut hukum Newton, ini karena gaya bekerja pada keping hoki dan, tentu saja, ada kekuatan gesekan antara tabel dan keping. Gaya gesekan itu berada di arah yang berlawanan dengan gerakan keping. Kekuatan inilah yang menyebabkan objek melambat hingga berhenti. Dengan tidak adanya (atau tidak adanya virtual) gaya seperti itu, seperti pada meja hoki udara atau gelanggang es, gerakan keping itu tidak terhalang.

Berikut ini cara lain untuk menyatakan Hukum Pertama Newton:

Suatu benda yang digerakkan tanpa gaya total bergerak pada kecepatan konstan (yang mungkin nol) dan nol percepatan.

Jadi tanpa kekuatan total, objek terus melakukan apa yang dilakukannya. Penting untuk mencatat kata-katanya kekuatan total. Ini berarti total gaya pada objek harus berjumlah hingga nol. Sebuah benda yang duduk di lantai saya memiliki gaya gravitasi yang menariknya ke bawah, tetapi ada juga a kekuatan normal mendorong ke atas dari lantai, sehingga gaya totalnya nol. Karenanya, itu tidak bergerak.

Untuk kembali ke contoh keping hoki, pertimbangkan dua orang memukul keping hoki persis sisi berlawanan pada persis waktu dan dengan yang sama persis kekuatan identik. Dalam kasus langka ini, keping tidak akan bergerak.

Karena kecepatan dan gaya keduanya jumlah vektor, arahan penting untuk proses ini. Jika gaya (seperti gravitasi) bergerak ke bawah pada suatu objek dan tidak ada gaya ke atas, objek akan mendapatkan percepatan vertikal ke bawah. Namun, kecepatan horizontal tidak akan berubah.

Jika saya melempar bola dari balkon saya dengan kecepatan horizontal 3 meter per detik, itu akan mengenai tanah dengan horizontal kecepatan dari 3 m / s (mengabaikan kekuatan hambatan udara), meskipun gravitasi memberikan gaya (dan karenanya percepatan) dalam arah vertikal. Jika bukan karena gravitasi, bola akan tetap berada dalam garis lurus... setidaknya, sampai menabrak rumah tetangga saya.

Akselerasi yang dihasilkan oleh gaya tertentu yang bekerja pada benda berbanding lurus dengan besarnya gaya dan berbanding terbalik dengan massa benda.
(Diterjemahkan dari "Principia")

Formulasi matematis dari hukum kedua ditunjukkan di bawah ini, dengan F mewakili kekuatan, m mewakili objek massa dan Sebuah mewakili percepatan objek.

∑​ F = ma

Formula ini sangat berguna dalam mekanika klasik, karena ia menyediakan sarana untuk menerjemahkan langsung antara akselerasi dan gaya yang bekerja pada massa tertentu. Sebagian besar mekanika klasik pada akhirnya rusak untuk menerapkan formula ini dalam konteks yang berbeda.

Simbol sigma di sebelah kiri gaya menunjukkan bahwa itu adalah gaya total, atau jumlah dari semua gaya. Sebagai besaran vektor, arah gaya total juga akan berada pada arah yang sama dengan akselerasi. Anda juga dapat memecah persamaan menjadi x dan y (dan bahkan z) koordinat, yang dapat membuat banyak masalah rumit lebih mudah dikelola, terutama jika Anda mengarahkan sistem koordinat Anda dengan benar.

Anda akan perhatikan bahwa ketika gaya total pada suatu benda dijumlahkan hingga nol, kita mencapai keadaan yang ditentukan dalam Hukum Pertama Newton: akselerasi bersih harus nol. Kita tahu ini karena semua benda memiliki massa (setidaknya dalam mekanika klasik). Jika objek sudah bergerak, ia akan terus bergerak dengan konstan kecepatan, tetapi kecepatan itu tidak akan berubah sampai gaya total diperkenalkan. Jelas, suatu objek saat istirahat tidak akan bergerak sama sekali tanpa kekuatan total.

Sebuah kotak dengan massa 40 kg duduk diam di lantai ubin tanpa gesekan. Dengan kaki Anda, Anda menerapkan gaya 20 N dalam arah horizontal. Berapa percepatan kotak?

Objek diam, jadi tidak ada gaya total kecuali gaya yang diterapkan kaki Anda. Gesekan dihilangkan. Juga, hanya ada satu arah kekuatan yang perlu dikhawatirkan. Jadi masalah ini sangat mudah.

Anda memulai masalah dengan mendefinisikan sistem koordinasi. Matematika secara langsung sama:

F = m * Sebuah

F / m = ​Sebuah

20 N / 40 kg = Sebuah = 0,5 m / s2

Masalah yang didasarkan pada undang-undang ini benar-benar tidak ada habisnya, menggunakan rumus untuk menentukan salah satu dari tiga nilai ketika Anda diberikan dua lainnya. Ketika sistem menjadi lebih kompleks, Anda akan belajar menerapkan gaya gesek, gravitasi, gaya elektromagnetik, dan kekuatan lain yang berlaku untuk formula dasar yang sama.

Untuk setiap aksi selalu ada reaksi yang sama; atau, tindakan timbal balik dari dua tubuh satu sama lain selalu sama, dan diarahkan ke bagian yang bertentangan.

(Diterjemahkan dari "Principia")

Kami mewakili Hukum Ketiga dengan melihat dua badan, SEBUAH dan B, yang berinteraksi. Kami mendefinisikan FA sebagai kekuatan yang diterapkan pada tubuh SEBUAH oleh tubuh B, dan FA sebagai kekuatan yang diterapkan pada tubuh B oleh tubuh SEBUAH. Kekuatan-kekuatan ini akan sama besarnya dan berlawanan arah. Dalam istilah matematika, ini dinyatakan sebagai:

FB = - FA

atau

FA + FB = 0

Ini bukan hal yang sama dengan memiliki kekuatan total nol. Jika Anda menerapkan gaya ke kotak sepatu kosong yang duduk di atas meja, kotak sepatu menerapkan gaya yang sama pada Anda. Ini tidak terdengar benar pada awalnya - Anda jelas mendorong pada kotak, dan jelas tidak mendorong pada Anda. Ingat itu menurut Yang Kedua Hukum, kekuatan dan akselerasi terkait tetapi tidak identik!

Karena massa Anda jauh lebih besar daripada massa kotak sepatu, gaya yang Anda gunakan menyebabkannya menjauh dari Anda. Kekuatan yang diberikan pada Anda tidak akan menyebabkan banyak akselerasi sama sekali.

Bukan hanya itu, tetapi ketika mendorong di ujung jari Anda, jari Anda, pada gilirannya, mendorong kembali ke tubuh Anda, dan seluruh tubuh Anda mendorong kembali ke jari, dan tubuh Anda mendorong pada kursi atau lantai (atau keduanya), yang semuanya mencegah tubuh Anda bergerak dan memungkinkan Anda menjaga jari Anda bergerak untuk melanjutkan memaksa. Tidak ada yang mendorong kotak sepatu untuk menghentikannya bergerak.

Namun, jika kotak sepatu duduk di sebelah dinding dan Anda mendorongnya ke dinding, kotak sepatu akan mendorong di dinding dan dinding akan mendorong kembali. Kotak sepatu akan, pada titik ini, berhenti bergerak. Anda dapat mencoba mendorongnya lebih keras, tetapi kotak itu akan pecah sebelum menembus dinding karena tidak cukup kuat untuk menangani kekuatan sebanyak itu.

Sebagian besar orang pernah bermain tarik menarik di beberapa titik. Seseorang atau sekelompok orang meraih ujung tali dan mencoba menariknya ke arah orang atau kelompok di ujung lainnya, biasanya melewati beberapa penanda (kadang-kadang ke dalam lubang lumpur dalam versi yang sangat menyenangkan), dengan demikian membuktikan bahwa salah satu kelompok lebih kuat daripada lain. Ketiga Hukum Newton dapat dilihat dalam tarik menarik.

Sering kali ada titik dalam tarik menarik ketika tidak ada pihak yang bergerak. Kedua belah pihak menarik dengan kekuatan yang sama. Karena itu, tali tidak berakselerasi ke dua arah. Ini adalah contoh klasik Hukum Pertama Newton.

Setelah gaya total diterapkan, seperti ketika satu kelompok mulai menarik sedikit lebih keras daripada yang lain, akselerasi dimulai. Ini mengikuti Hukum Kedua. Kelompok yang kalah harus kemudian berusaha untuk mengerahkan lebih memaksa. Ketika gaya total mulai bergerak ke arah mereka, akselerasi berada di arah mereka. Gerakan tali melambat sampai berhenti dan, jika mereka mempertahankan gaya jaring yang lebih tinggi, ia mulai bergerak kembali ke arah mereka.

Hukum Ketiga kurang terlihat, tetapi masih ada. Ketika Anda menarik tali, Anda bisa merasakan bahwa tali itu juga menarik Anda, mencoba menggerakkan Anda ke ujung yang lain. Anda menanamkan kaki Anda dengan kuat di tanah, dan tanah benar-benar mendorong Anda, membantu Anda menahan tarikan tali.

Lain kali Anda bermain atau menonton pertandingan tarik tambang - atau olahraga apa pun, dalam hal ini - pikirkan semua kekuatan dan akselerasi di tempat kerja. Sangat mengesankan untuk menyadari bahwa Anda dapat memahami hukum-hukum fisik yang berlaku selama olahraga favorit Anda.