Pierwsza zasada dynamiki
Bezwładność – dlaczego ciała „nie chcą" zmieniać ruchu
Dynamika to dział fizyki, który odpowiada na pytanie: dlaczego ciała się poruszają lub zatrzymują? Trzy prawa sformułowane przez Isaaca Newtona w 1687 roku stanowią fundament całej mechaniki.
Treść I zasady dynamiki
Ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym, dopóki wypadkowa wszystkich sił na nie działających jest równa zeru.
Co to oznacza w praktyce? Dwie rzeczy:
To brzmi zaskakująco! W codziennym życiu wydaje nam się, że ciała „same" się zatrzymują — piłka tocząca się po podłodze w końcu staje, samochód bez gazu zwalnia. Ale ciała nie „chcą" się zatrzymać — hamują je inne siły (tarcie, opór powietrza). Gdyby tych sił nie było, ciało poruszałoby się ze stałą prędkością w nieskończoność!
I zasada NIE mówi: „jeśli nie działa siła, to ciało stoi". Ciało może się poruszać ruchem jednostajnym prostoliniowym! Kluczowe: gdy siły się równoważą, ciało nie zmienia stanu ruchu — ani nie przyspiesza, ani nie zwalnia, ani nie skręca.
Przykłady I zasady dynamiki
Najlepiej widać I zasadę dynamiki w kosmosie, gdzie nie ma powietrza, tarcia ani żadnych sił hamujących. Satelita wystrzelony w przestrzeń kosmiczną leci ze stałą prędkością po linii prostej — dokładnie tak, jak przewiduje I zasada.
Sondy Voyager wystrzelone w 1977 roku lecą w kosmosie od prawie 50 lat bez napędu — tylko dzięki I zasadzie dynamiki! W kosmosie $F_{wyp} ≈ 0$, więc prędkość sondy nie zmienia się. Voyager 1 leci z prędkością ok. 17 km/s (61 000 km/h) i jest najdalszym obiektem stworzonym przez człowieka.
Na Ziemi I zasada też działa, choć trudniej ją zauważyć, bo zawsze jest tarcie i opór powietrza:
- Krążek na lodzie — lód ma małe tarcie, więc krążek ślizga się bardzo daleko
- Kula do kręgli — po wyrzuceniu toczy się długo, bo tarcie toczne jest małe
- Jazda na deskorolce — raz się odpychasz, a potem jedziesz bez wysiłku
- Klocek na stole — leży nieruchomo, bo siły (ciężar i reakcja stołu) się równoważą
Wypadkowa sił
W I zasadzie dynamiki pojawia się pojęcie wypadkowej sił. Co to takiego?
Wypadkowa sił ($\vec{F}_{wyp}$) to suma wektorowa wszystkich sił działających na ciało. Mówi nam, jaki jest łączny efekt wszystkich sił.
Siły w tym samym kierunku i zwrocie: $F_{wyp} = F_1 + F_2$
Siły w tym samym kierunku, ale przeciwnych zwrotach: $F_{wyp} = |F_1 - F_2|$
Gdy $F_{wyp} = 0$ → ciało jest w równowadze (nie zmienia ruchu).
Zobaczmy to na rysunkach. Najpierw ciało, które stoi — klocek na stole:
A teraz ciało, które jedzie — samochód ze stałą prędkością. Siły też się równoważą!
Bezwładność
Bezwładność to właściwość każdego ciała polegająca na „oporze" wobec zmian ruchu. Ciało w spoczynku „nie chce" się ruszyć, a ciało w ruchu „nie chce" się zatrzymać ani zmienić kierunku. Im większa masa, tym większa bezwładność.
Ciężarówkę (duża masa) trudniej rozpędzić i trudniej zatrzymać. Rower (mała masa) zatrzymuje się łatwo. Masa [kg] mówi nam, jak trudno zmienić ruch ciała.
Przykłady bezwładności z codziennego życia:
- Hamowanie samochodu — pasażerowie lecą do przodu, bo ich ciała „chcą" kontynuować ruch
- Ruszanie autobusu — pasażerowie padają do tyłu, bo ciała „opierają się" ruszeniu
- Sztuczka z obrusem — szybkie pociągnięcie obrusu nie rusza naczyń, ich bezwładność je utrzymuje
- Satelita w kosmosie — leci bez napędu wiecznie, bo nic go nie hamuje
I zasada dynamiki obowiązuje w tzw. układach inercjalnych — takich, które same nie przyspieszają (np. Ziemia w przybliżeniu, wagon jadący ze stałą prędkością). W hamującym autobusie pasażerowie „lecą do przodu" nie dlatego, że działa na nich siła, ale dlatego, że autobus jest nieinercjalnym układem odniesienia.
📝 Zadania treningowe
$$F_{wyp} = 30\,\text{N} - 30\,\text{N} = 0\,\text{N}$$
Odpowiedź A. Ciało jest w równowadze – nie zmienia ruchu.
$$F_{wyp} = 20 - 12 - 8 = 0\,\text{N}$$
Odpowiedź A. Wypadkowa = 0, więc ciało nie zmienia ruchu (I zasada dynamiki).
Wypadkowa jest różna od zera, więc samochód przyspiesza – nie jest to ruch jednostajny. Odpowiedź B.
$$F_{oporu} = F_{napędu} = 250\,\text{N}$$
Odpowiedź C. Siła oporu musi być równa sile napędu.