Co to jest pierwsza zasada dynamiki Newtona?

Przed odkryciami Galileusza i Newtona ludzie myśleli, że obiekty materialne spowalniają, ponieważ mają do tego naturalną skłonność. Nasi przodkowie nie brali pod uwagę istnienia innych sił (np. tarcie, grawitacja i opór powietrza), które są obecne tutaj na ziemi i przyczyniają się do zmiany prędkości obiektów materialnych. Gdy obserwujemy ruch obiektu głęboko w przestrzeni międzygwiezdnej, jesteśmy w stanie zaobserwować naturalne skłonności ruchu ciała, na które nie wpływają żadne czynniki zewnętrzne. W głębokiej przestrzeni międzygwiezdnej możemy zaobserwować, że jeśli obiekt miał pewną prędkość, będzie nadal poruszał się z tą samą prędkością dopóki nie pojawi się pewna siła, która spowoduje zmiany ruchu. Podobnie, jeśli obiekt był w stanie spoczynku w przestrzeni międzygwiezdnej, to pozostanie w spoczynku dopóki nie zadziała siła, która spowoduje zmianę jego ruchu.

Na poniższym filmie, możemy zobaczyć że obiekty w międzynarodowej stacji kosmicznej albo są w stanie spoczynku, albo poruszają się ze stałą prędkością względem stacji kosmicznej, dopóki nie zadziała na te obiekty siła.

Idea, że przedmioty materialne mogą zmienić prędkość albo tor ruchu tylko pod wpływem siły jest zawarta w pierwszej zasadzie dynamiki Newtona.

Pierwsza zasada dynamiki Newtona: jeśli na ciało nie działa żadna zewnętrzna siła lub siły działające równoważą się, to ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym.

Proszę zwrócić uwagę na użycie czasownika "pozostaje". Możemy myśleć o tym prawie jako o prawie zachowania status quo ruchu (zasada bezwładności). Pierwsze prawo (zasada) Newtona stwierdza, że musi istnieć przyczyna (czyli niezerowa wypadkowa siła zewnętrzna) aby nastąpiła jakakolwiek zmiana w prędkości ruchu, tzn. zmiana wartości albo kierunku. Obiekt materialny przesuwający się na powierzchni stołu lub na podłodze, spowalnia w wyniku siły tarcia działającego na obiekt. W grze w cymbergaja krążek, utrzymujący się nad powierzchnią stołu na poduszce powietrznej, porusza się z mniej więcej stałą prędkością aż nie zadziała na niego siła (gdy odbije się od ścianki).

Siła $F$‍ jest miarą oddziaływania fizycznego pomiędzy ciałami. Jednostka siły to niuton (Newton) albo po prostu $\text{N}$‍.

Siła zewnętrzna działa na ciało od zewnątrz, w odróżnieniu od sił wewnętrznych, działających pomiędzy różnymi częściami ciała. Na przykład siła grawitacji, jaką Ziemia wywiera na Księżyc jest zewnętrzną siłą działającą na Księżyc. Natomiast siła przyciągania grawitacyjnego, jaką rdzeń Księżyca wywiera na zewnętrzną skorupę, jest siłą wewnętrzną na Księżycu. Siły wewnętrzne, działające wewnątrz ciała, nie mogą spowodować zmiany jego prędkości.

Siła wypadkowa, oznaczona jako $\mathrm{\Sigma }F$‍, jest to całkowita siła działająca na ciało. Jeżeli na ciało działa wiele sił, siła wypadkowa jest sumą wektorową tych wszystkich sił. Zwróć uwagę, że siła $F$‍ jest wektorem. Tak więc aby znaleźć siłę wypadkową $\mathrm{\Sigma }F$‍, wszystkie wektory sił muszą być dodane za pomocą operacji dodawania wektorów.

Innymi słowy, jeśli na pudełko mrożonych burrito działa siła wielkości 45 Newtonów, która pcha pudełko w prawą stronę i siła wielkości 30 Newtonów, która pcha pudełko w lewą stronę, wartość siły wypadkowej w kierunku poziomym, będzie równa

Pierwsza zasada Newtona mówi, że jeśli siła wypadkowa działająca na ciało jest równa zeru ($\mathrm{\Sigma }F=0$‍), to ciało będzie miało zerowe przyspieszenie. Nie koniecznie oznacza to, że ciało jest w stanie spoczynku, ale to, że jego prędkość jest stała. Innymi słowy, prędkość stała równa zeru — ciało w spoczynku — lub prędkość stała różna od zera — ciało porusza się ruchem jednostajnym.

Tak więc jeśli na pudełko mrożonych burrito, działa siła wielkości 45 Newtonów, która pcha pudełko w prawą stronę i siła wielkości 45 Newtonów, która pcha pudełko w lewą stronę, wartość siły wypadkowej będzie równa zeru. W tej sytuacji, pudełko albo nadal będzie poruszało się ze stałą prędkością — jeśli poruszało się ze stałą prędkością przed przyłożeniem sił lub pozostanie w spoczynku — jeśli było już w spoczynku przed przyłożeniem sił.

Właściwość ciała do pozostawania w spoczynku lub w ruchu ze stałą prędkością, nazywa się bezwładnością. Pierwsza zasada Newtona, jest często nazywana zasadą bezwładności. Jak wiemy z doświadczenia, niektóre obiekty mają większą masę (bezwładność) niż inne. Oczywiste jest, że trudniej spowodować zmianę w ruchu olbrzymiego głazu niż piłki do koszykówki.

Miarą bezwładności ciała jest jego masa. Masę można określić, poprzez ustalenie jak trudno jest nadać ciału przyśpieszenie. Im masywniejsze jest ciało, tym trudniej jest nadać mu przyśpieszenie.

Ogólnie mówiąc, im więcej "masy" ma ciało, tym trudniej jest zmienić jego prędkość (czyli nadać niezerowe przyśpieszenie).

Sonda kosmiczna porusza się w przestrzeni międzygwiezdnej — z dala od jakichkolwiek wpływów planet i gwiazd — ze stałą prędkością w prawo. Jeśli oba silniki sondy włączą się w tej samej chwili, wywierając identyczne siły w lewo i w prawo, tak jak przedstawiono poniżej, jak wpłynie to na ruch sondy?

a. Sonda kosmiczna będzie nadal poruszać się ruchem jednostajnym.
b. Sonda kosmiczna zacznie przyśpieszać.
c. Sonda kosmiczna zacznie zwalniać i ostatecznie się zatrzyma.
d. Sonda kosmiczna natychmiast się zatrzyma.

Prawidłowa odpowiedź to a. Zgodnie z pierwszą zasadą Newtona, do zmiany prędkości obiektu konieczna jest niezerowa siła wypadkowa. Na sondę kosmiczną działa siła wypadkowa równa zeru — ponieważ ciągi obu silników znoszą się nawzajem — więc sonda nie zmienia prędkości.

Winda jest ciągnięta w górę za pomocą liny ze stałą prędkością, tak jak widać na rysunku poniżej. Jaka jest wartość siły — $F_c$‍ — wywieranej na windę przez linę, w porównaniu do wartości siły grawitacji — $F_g$‍ — która ciągnie windę w dół?

a. $F_c$‍ jest większa niż $F_g$‍.
b. $F_c$‍ jest równa $F_g$‍.
c. $F_c$‍ jest mniejsza niż $F_g$‍.
d. $F_c$‍ może być większa lub mniejsza niż $F_g$‍ w zależności od masy windy.

Prawidłowa odpowiedź to b. Jeśli winda porusza się ze stałą prędkością, siła wypadkowa musi mieć wartość zero. Aby siła wypadkowa działająca na windę była równa zero, obie siły musza mieć tą sama wielkość i działać w przeciwnych kierunkach.

Sonda kosmiczna porusza się w prawo ze stałą prędkością w przestrzeni międzygwiezdnej — z dala od jakichkolwiek wpływów planet i gwiazd. Jeżeli jej silnik zostaje włączony, a po chwili wyłączony, dając krótki impuls w kierunku pokazanym na rysunku, jak będzie wyglądał tor lotu sondy po wyłączeniu silnika?

a. Tor a
b. Tor b
c. Tor c
d. Tor d

Prawidłowa odpowiedź to c. Po wyłączeniu silnika, na sondę nie będzie działała żadna siła. Gdy wypadkowa siła jest równa zeru, prędkość — wartość i kierunek — musi być stała. Zgodnie z pierwszą zasadą Newtona, sonda kosmiczna porusza się po linii prostej ze stałą prędkością. Fakt, że na sondę działała przez chwilę siła w osi pionowej, nie wpływa na prędkość poziomą sondy, ponieważ zmienia jedynie prędkość pionową. Stała prędkość pionowa i pozioma sprawiają, że sonda będzie poruszać się w przestrzeni kosmicznej po prostej, ukośnej linii.