Une introduction pratique aux 3 lois du mouvement de Newton

Chaque loi du mouvement développée par Newton a des interprétations mathématiques et physiques importantes qui sont nécessaires pour comprendre le mouvement dans notre univers. Les applications de ces lois du mouvement sont vraiment illimitées.

Essentiellement, les lois de Newton définissent les moyens par lesquels le mouvement change, en particulier la façon dont ces changements de mouvement sont liés à la force et à la masse.

Monsieur Isaac Newton (1642-1727) était un physicien britannique qui, à bien des égards, peut être considéré comme le plus grand physicien de tous les temps. Bien qu'il y ait eu certains prédécesseurs notables, tels qu'Archimède, Copernic et Galileo, c'est Newton qui a véritablement illustré la méthode d'enquête scientifique qui serait adoptée à travers les âges.

Depuis près d'un siècle, Description d'Aristote de l'univers physique s'était révélé inadéquat pour décrire la nature du mouvement (ou le mouvement de la nature, si vous voulez). Newton a abordé le problème et a proposé trois règles générales sur le mouvement des objets qui ont été surnommées "les trois lois du mouvement de Newton".

En 1687, Newton a introduit les trois lois dans son livre "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica" (Mathematical Principes de philosophie naturelle), qui est généralement appelé «Principia». C'est là qu'il a également présenté le sien théorie de la gravitation universelle, jetant ainsi les bases de la mécanique classique dans un seul volume.

• La première loi du mouvement de Newton stipule que pour que le mouvement d'un objet change, une force doit agir sur lui. Il s'agit d'un concept généralement appelé inertie.
• La deuxième loi du mouvement de Newton définit la relation entre l'accélération, la force et la masse.
• La troisième loi du mouvement de Newton stipule que chaque fois qu'une force agit d'un objet à un autre, il y a une force égale agissant en retour sur l'objet d'origine. Par conséquent, si vous tirez sur une corde, la corde tire également sur vous.

• Les diagrammes corporels gratuits sont les moyens par lesquels vous pouvez suivre les différentes forces agir sur un objet et, par conséquent, déterminer l'accélération finale.
• Les mathématiques vectorielles sont utilisées pour suivre les directions et les amplitudes des forces et accélérations impliquées.
• Équations variables sont utilisés dans des complexes la physique problèmes.

Chaque corps continue dans son état de repos, ou de mouvement uniforme en ligne droite, à moins qu'il ne soit obligé de changer cet état par des forces qui lui sont imposées.
- Newton's First Loi du mouvement, traduit du "Principia"

C'est ce qu'on appelle parfois la loi de l'inertie, ou simplement l'inertie. Essentiellement, il fait valoir les deux points suivants:

• Un objet qui ne bouge pas ne bougera pas avant Obliger agit sur elle.
• Un objet en mouvement ne changera pas de vitesse (ni ne s'arrêtera) jusqu'à ce qu'une force agisse sur lui.

Le premier point semble relativement évident pour la plupart des gens, mais le second peut faire réfléchir. Tout le monde sait que les choses ne bougent pas éternellement. Si je glisse une rondelle de hockey le long d'une table, elle ralentit et finit par s'arrêter. Mais selon les lois de Newton, c'est parce qu'une force agit sur la rondelle de hockey et, bien sûr, il y a une force de friction entre la table et la rondelle. Cette force de friction est dans la direction opposée au mouvement de la rondelle. C'est cette force qui fait ralentir l'objet jusqu'à l'arrêt. En l'absence (ou quasi-absence) d'une telle force, comme sur une table de hockey sur air ou une patinoire, le mouvement de la rondelle n'est pas aussi entravé.

Voici une autre façon d'énoncer la première loi de Newton:

Un corps qui n'est soumis à aucune force nette se déplace à une vitesse constante (qui peut être nulle) et zéro accélération.

Donc, sans force nette, l'objet continue simplement à faire ce qu'il fait. Il est important de noter les mots force nette. Cela signifie que les forces totales sur l'objet doivent s'additionner à zéro. Un objet assis sur mon sol a une force gravitationnelle qui le tire vers le bas, mais il y a aussi un force normale poussant vers le haut à partir du sol, la force nette est donc nulle. Par conséquent, il ne bouge pas.

Pour revenir à l'exemple de la rondelle de hockey, considérons que deux personnes frappent la rondelle de hockey sur exactement côtés opposés à exactement en même temps et avec exactement force identique. Dans ce cas rare, la rondelle ne bougerait pas.

Puisque la vitesse et la force sont quantités vectorielles, les directions sont importantes pour ce processus. Si une force (comme la gravité) agit vers le bas sur un objet et qu'il n'y a pas de force vers le haut, l'objet gagnera une accélération verticale vers le bas. Cependant, la vitesse horizontale ne changera pas.

Si je lance une balle de mon balcon à une vitesse horizontale de 3 mètres par seconde, elle frappera le sol avec une horizontale la vitesse de 3 m / s (en ignorant la force de la résistance de l'air), même si la gravité exerçait une force (et donc une accélération) dans le sens vertical. S'il n'y avait pas eu la gravité, la balle aurait continué à avancer en ligne droite... du moins jusqu'à ce qu'elle touche la maison de mon voisin.

L'accélération produite par une force particulière agissant sur un corps est directement proportionnelle à l'ampleur de la force et inversement proportionnelle à la masse du corps.
(Traduit des "Principia")

La formulation mathématique de la deuxième loi est présentée ci-dessous, avec F représentant la force, m représentant l'objet Masse et une représentant l'accélération de l'objet.

∑​ F = ma

Cette formule est extrêmement utile en mécanique classique, car elle fournit un moyen de traduire directement entre l'accélération et la force agissant sur une masse donnée. Une grande partie de la mécanique classique se décompose finalement à appliquer cette formule dans différents contextes.

Le symbole sigma à gauche de la force indique qu'il s'agit de la force nette ou de la somme de toutes les forces. En tant que quantités vectorielles, la direction de la force nette sera également dans la même direction que l'accélération. Vous pouvez également décomposer l'équation en X et y (et même z), ce qui peut faciliter la gestion de nombreux problèmes complexes, en particulier si vous orientez correctement votre système de coordonnées.

Vous remarquerez que lorsque les forces nettes sur un objet totalisent zéro, nous atteignons l'état défini dans la première loi de Newton: l'accélération nette doit être nulle. Nous le savons parce que tous les objets ont une masse (au moins en mécanique classique). Si l'objet se déplace déjà, il continuera à se déplacer à une constante rapidité, mais cette vitesse ne changera pas jusqu'à ce qu'une force nette soit introduite. Évidemment, un objet au repos ne bougera pas du tout sans une force nette.

Une boîte d'une masse de 40 kg repose au repos sur un sol carrelé sans frottement. Avec votre pied, vous appliquez une force de 20 N dans le sens horizontal. Quelle est l'accélération de la box?

L'objet est au repos, il n'y a donc pas de force nette à l'exception de la force que votre pied applique. La friction est éliminée. De plus, il n'y a qu'une seule direction de force à craindre. Ce problème est donc très simple.

Vous commencez le problème en définissant votre système de coordonnées. Les mathématiques sont tout aussi simples:

F = m * une

F / m = ​une

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

Les problèmes basés sur cette loi sont littéralement sans fin, en utilisant la formule pour déterminer l'une des trois valeurs lorsque vous obtenez les deux autres. À mesure que les systèmes deviennent plus complexes, vous apprendrez à appliquer des forces de friction, la gravité, forces électromagnétiqueset d'autres forces applicables aux mêmes formules de base.

A chaque action s'oppose toujours une réaction égale; ou, les actions mutuelles de deux corps l'un sur l'autre sont toujours égales et dirigées vers des parties opposées.

(Traduit des "Principia")

Nous représentons la troisième loi en regardant deux corps, UNE et B, qui interagissent. Nous définissons FA comme la force appliquée au corps UNE par corps B, et FA comme la force appliquée au corps B par corps UNE. Ces forces seront de même ampleur et de sens opposé. En termes mathématiques, il s'exprime comme suit:

FB = - FA

ou

FA + FB = 0

Ce n'est pas la même chose que d'avoir une force nette de zéro, cependant. Si vous appliquez une force à une boîte à chaussures vide assise sur une table, la boîte à chaussures applique une force égale sur vous. Cela ne sonne pas bien au début - vous poussez évidemment sur la boîte, et cela ne pèse évidemment pas sur vous. Rappelez-vous que selon la deuxième Loi, la force et l'accélération sont liées mais elles ne sont pas identiques!

Parce que votre masse est beaucoup plus grande que la masse de la boîte à chaussures, la force que vous exercez l'accélère loin de vous. La force qu'il exerce sur vous ne provoquerait pas du tout d'accélération.

Non seulement cela, mais pendant qu'il pousse sur le bout de votre doigt, votre doigt, à son tour, repousse dans votre corps, et le reste de votre corps repousse contre le doigt, et votre corps pousse sur la chaise ou le sol (ou les deux), ce qui empêche votre corps de bouger et vous permet de garder votre doigt en mouvement pour continuer la Obliger. Rien ne pousse la boîte à chaussures pour l'empêcher de bouger.

Si, cependant, la boîte à chaussures est assise à côté d'un mur et que vous la poussez vers le mur, la boîte à chaussures poussera sur le mur et le mur repoussera. La boîte à chaussures sera, à ce stade, arrête de bouger. Vous pouvez essayer de le pousser plus fort, mais la boîte se brisera avant de traverser le mur car elle n'est pas assez solide pour supporter autant de force.

La plupart des gens ont joué à la corde à un moment donné. Une personne ou un groupe de personnes saisit les extrémités d'une corde et essaie de tirer contre la personne ou le groupe à l'autre extrémité, généralement passé un marqueur (parfois dans une boue dans des versions vraiment amusantes), prouvant ainsi que l'un des groupes est plus fort que le autre. Les trois lois de Newton peuvent être vues dans un bras de fer.

Il arrive souvent un point dans un bras de fer où aucune des deux parties ne bouge. Les deux côtés tirent avec la même force. Par conséquent, la corde n'accélère pas dans les deux sens. Ceci est un exemple classique de la première loi de Newton.

Une fois qu'une force nette est appliquée, comme lorsqu'un groupe commence à tirer un peu plus fort que l'autre, une accélération commence. Cela suit la deuxième loi. Le groupe qui perd du terrain doit alors essayer d'exercer plus Obliger. Lorsque la force nette commence à aller dans leur direction, l'accélération est dans leur direction. Le mouvement de la corde ralentit jusqu'à ce qu'elle s'arrête et, s'ils maintiennent une force nette plus élevée, elle commence à reculer dans leur direction.

La troisième loi est moins visible, mais elle est toujours présente. Lorsque vous tirez sur la corde, vous pouvez sentir que la corde tire également sur vous, essayant de vous déplacer vers l'autre extrémité. Vous plantez vos pieds fermement dans le sol, et le sol repousse réellement sur vous, vous aidant à résister à la traction de la corde.

La prochaine fois que vous jouerez ou regarderez un jeu de tir à la corde - ou n'importe quel sport, d'ailleurs - pensez à toutes les forces et accélérations à l'œuvre. C'est vraiment impressionnant de réaliser que vous pouvez comprendre les lois physiques qui sont en action pendant votre sport préféré.