Legile lui Newton: mișcarea explicată cu exemple simple

Legile lui Newton sunt trei reguli care descriu cum se mișcă un corp atunci când asupra lui acționează forțe. Prima spune că, fără o forță netă, un corp rămâne în repaus sau merge mai departe în linie dreaptă, cu viteză constantă. A doua spune că o forță produce o accelerație cu atât mai mare cu cât masa corpului e mai mică. A treia spune că forțele apar mereu în perechi: dacă împingi un perete, peretele te împinge înapoi la fel de tare.

Cu aceste trei idei poți explica de ce te înclini în față când autobuzul frânează, de ce e mai greu să împingi o mașină decât o bicicletă și cum zboară o rachetă în spațiul gol. Mai jos le iei pe rând, cu exemple pe care le poți verifica singur, apoi vezi unde se opresc și ce le-a luat locul la viteze foarte mari.

Cine a fost Isaac Newton și ce a publicat

Isaac Newton a fost un fizician și matematician englez, născut în 1643, care a formulat legile mișcării și legea atracției universale. Le-a publicat în 1687, în lucrarea scrisă în latină Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (Principiile matematice ale filosofiei naturale), considerată una dintre cele mai importante cărți din istoria științei.

Newton nu a pornit de la zero. Galileo Galilei studiase deja căderea corpurilor și observase că un obiect pus în mișcare pe o suprafață foarte netedă merge tot mai departe pe măsură ce frecarea scade. Contribuția lui Newton a fost să adune aceste observații într-un sistem coerent, exprimat matematic, care se aplică la fel unui măr care cade și Lunii care se rotește în jurul Pământului. Partea despre atracție este explicată pe larg în Gravitația: de ce cad obiectele și cum se mișcă planetele.

În onoarea lui, unitatea de măsură a forței în Sistemul Internațional se numește newton (simbol N). Un newton este forța care îi dă unui corp de 1 kg o accelerație de 1 m/s². Ca ordin de mărime, un măr mic apasă în palmă cu aproximativ un newton.

Prima lege: principiul inerției

Prima lege a lui Newton spune că un corp rămâne în repaus sau în mișcare rectilinie uniformă atât timp cât forța netă care acționează asupra lui este zero. Pe scurt: corpurile nu își schimbă singure mișcarea; e nevoie de o forță pentru a le porni, a le opri sau a le schimba direcția.

Această proprietate a corpurilor de a se „opune” schimbării mișcării se numește inerție. Cu cât un corp are masa mai mare, cu atât inerția lui e mai mare.

Exemple pe care le-ai trăit deja

• În autobuz, când șoferul frânează brusc, corpul tău continuă să meargă înainte, așa că te dezechilibrezi spre față. Când autobuzul pornește brusc, picioarele pleacă odată cu podeaua, iar trunchiul „rămâne în urmă”.
• Fața de masă trasă repede de sub farfurii lasă farfuriile aproape pe loc, pentru că forța de frecare acționează prea puțin timp ca să le pună în mișcare.
• Apa din găleată se varsă în față când te oprești brusc din mers.
• Un puc de hochei alunecă mult pe gheață, unde frecarea e mică, și se oprește repede pe asfalt.

De ce contează centura de siguranță

Într-o coliziune, mașina se oprește în câteva zecimi de secundă, dar pasagerul nelegat continuă să se miște cu viteza de dinainte, conform primei legi, până când îl oprește ceva: bordul, parbrizul sau scaunul din față. Centura și airbagul sunt acolo pentru a-l opri pe pasager odată cu mașina, într-un mod controlat.

Important: Un obiect lăsat liber pe bancheta din spate, de exemplu o sticlă sau o geantă grea, se comportă la fel la o frânare bruscă și poate deveni periculos. Obiectele grele se pun în portbagaj.

De ce nu am observat inerția mai devreme

În viața de zi cu zi, totul pare să se oprească „de la sine”, de aceea filosofii antici credeau că mișcarea are nevoie permanent de o forță. De fapt, oprirea vine din forțe pe care nu le vedem: frecarea cu solul și rezistența aerului. În spațiu, unde acestea aproape lipsesc, o sondă lansată spre marginea Sistemului Solar merge zeci de ani fără motor.

A doua lege: forța, masa și accelerația

A doua lege a lui Newton spune că accelerația unui corp este direct proporțională cu forța netă care acționează asupra lui și invers proporțională cu masa lui. Se scrie pe scurt F = m · a: forța este egală cu masa înmulțită cu accelerația.

Ce înseamnă asta practic:

1. Aceeași forță, mase diferite: dacă împingi la fel de tare un cărucior gol și unul plin, cel gol accelerează mult mai mult.
2. Aceeași masă, forțe diferite: o minge lovită de două ori mai tare primește o accelerație de două ori mai mare.
3. Direcția contează: accelerația are direcția forței nete. O forță perpendiculară pe mișcare nu schimbă viteza ca mărime, ci direcția, cum se întâmplă când iei o curbă cu bicicleta.

Forța netă, nu orice forță

Cuvântul important este netă. Asupra unei cărți de pe masă acționează greutatea, în jos, și reacțiunea mesei, în sus. Ele se anulează, forța netă e zero, iar cartea stă pe loc. Asupra unei mașini care merge cu viteză constantă pe autostradă acționează forța motorului, înainte, și frecările, înapoi; dacă sunt egale, mașina nu accelerează, chiar dacă motorul lucrează din plin.

Masa și greutatea

Greutatea este forța cu care o planetă atrage un corp și se calculează tot cu a doua lege: greutatea este masa înmulțită cu accelerația gravitațională, notată g. La suprafața Pământului, g este de aproximativ 9,8 m/s².

Cântarul din baie arată „kilograme”, dar de fapt măsoară forța cu care apeși pe el și o împarte la g. Pe Lună, același cântar ar arăta în jur de 10 kg, deși masa ta ar rămâne 60 kg.

A treia lege: acțiune și reacțiune

A treia lege a lui Newton spune că, atunci când un corp exercită o forță asupra altuia, al doilea corp exercită asupra primului o forță egală ca mărime și de sens opus. Forțele vin întotdeauna în perechi și acționează pe corpuri diferite.

Exemple de perechi acțiune-reacțiune

• Mersul pe jos: talpa împinge pământul înapoi, iar pământul împinge talpa înainte. Pe gheață, unde frecarea e mică, perechea e slabă și alunecăm.
• Înotul: brațele împing apa înapoi, apa împinge înotătorul înainte.
• Barca și debarcaderul: când sari din barcă spre mal, barca pleacă în sens opus.
• Balonul umflat și eliberat: aerul e împins afară prin gură, iar balonul e împins în sens opus.
• Racheta: motorul aruncă gazele fierbinți în spate cu viteză foarte mare, iar gazele împing racheta înainte. Nu are nevoie de aer pe care să se „sprijine”, motiv pentru care funcționează și în vid, cum explică Rachetele: cum funcționează și cum au dus omul în spațiu.

Greșeala cea mai frecventă

Dacă forțele sunt egale și opuse, de ce nu se anulează și nimic nu se mișcă? Pentru că acționează pe corpuri diferite. Când un copil și un adult, amândoi pe patine, se împing reciproc, forțele sunt egale, dar copilul, având masă mai mică, primește o accelerație mai mare și pleacă mai repede. Se aplică aici a doua lege, separat, pentru fiecare corp.

Sfat: Ca să identifici corect o pereche acțiune-reacțiune, formulează propoziția „A împinge pe B” și apoi inversează-o: „B împinge pe A”. Dacă ambele forțe sunt de același tip (contact, gravitațională, magnetică) și pe corpuri diferite, ai găsit perechea.

Forțele pe care le întâlnești zilnic

Aproape orice problemă de mecanică pornește de la identificarea tuturor forțelor care acționează asupra unui corp. Fizicienii le desenează ca săgeți, într-o schemă numită diagrama forțelor.

Frecarea statică și frecarea de alunecare

Ai observat, probabil, că un dulap greu se pornește foarte greu, dar odată pornit e ceva mai ușor de împins. Diferența vine de la cele două tipuri de frecare: frecarea statică, care împiedică pornirea, este de obicei mai mare decât frecarea de alunecare, care acționează în timpul mișcării. De aceea anvelopele care se rostogolesc fără să alunece asigură o frânare mai bună decât roțile blocate, iar sistemul ABS al mașinilor este gândit tocmai pentru a împiedica blocarea roților.

Legile lui Newton în trafic și în sport

Legile lui Newton explică de ce viteza în trafic este atât de importantă și cum funcționează echipamentele de protecție. Nu ai nevoie de calcule complicate pentru a înțelege principiile.

Distanța de frânare crește mai repede decât viteza

La o decelerație constantă, distanța de frânare crește cu pătratul vitezei. Dacă dublezi viteza, distanța necesară pentru oprire se mărește de aproximativ patru ori, la care se adaugă distanța parcursă în timpul de reacție al șoferului. Motivul ține de energia mișcării, care crește tot cu pătratul vitezei, așa cum explică Energia: formele ei și legea conservării pe înțeles.

De ce o oprire mai lentă înseamnă o forță mai mică

Din a doua lege rezultă că, pentru a opri un corp, contează cât de repede îi schimbi viteza. Dacă oprirea durează mai mult, forța necesară e mai mică. Pe acest principiu funcționează:

• airbagurile, care se dezumflă controlat sub greutatea pasagerului;
• zonele deformabile ale caroseriei, care se strivesc treptat;
• căștile de protecție, cu spumă care se comprimă;
• saltelele de la sala de gimnastică și nisipul de la groapa de sărituri;
• îndoirea genunchilor la aterizarea după o săritură.

În sport

Un portar care retrage mâinile când prinde mingea face exact ce face un airbag: prelungește timpul de oprire și reduce forța din palme. Un aruncător de greutate folosește rotirea corpului ca să aplice forța pe o distanță cât mai lungă, iar un alergător la start se împinge în blocuri, conform celei de-a treia legi.

Unde nu mai funcționează legile lui Newton

Legile lui Newton sunt extrem de precise pentru viteze obișnuite și corpuri de dimensiuni obișnuite, dar au limite clare, descoperite la începutul secolului al XX-lea.

1. La viteze apropiate de viteza luminii, mecanica lui Newton dă rezultate greșite. Descrierea corectă vine din teoria relativității a lui Einstein, prezentată în Teoria relativității a lui Einstein, explicată simplu.
2. La scara atomilor și a particulelor, corpurile nu mai au traiectorii bine definite, iar mișcarea este descrisă de mecanica cuantică.
3. În sisteme de referință care accelerează, de exemplu într-o mașină care ia o curbă, apar forțe aparente, care nu vin de la niciun corp, cum e senzația că ești „aruncat” spre exteriorul curbei.

Chiar și așa, inginerii folosesc zilnic mecanica lui Newton pentru poduri, clădiri, mașini, avioane și chiar pentru traiectoriile navelor spațiale. Imponderabilitatea astronauților de pe Stația Spațială Internațională se explică perfect cu legile lui Newton și cu gravitația.

Experimente simple pentru acasă

Poți verifica toate cele trei legi cu obiecte obișnuite, în câteva minute. Încearcă-le împreună cu un copil, notând de fiecare dată ce te aștepți să se întâmple și ce s-a întâmplat de fapt.

• Moneda pe carton: pune un cartonaș peste un pahar și o monedă pe cartonaș. Trage brusc cartonașul orizontal; moneda cade în pahar (prima lege).
• Două mașinuțe: împinge cu aceeași forță o mașinuță goală și una încărcată cu plastilină; compară cât de departe merg (a doua lege).
• Balonul-rachetă: trece un pai pe o sfoară întinsă între două scaune, lipește un balon umflat de pai și dă-i drumul (a treia lege).
• Cântarul în lift: dacă locuiești la bloc, privește cântarul în liftul care pornește în sus și în jos; greutatea aparentă se schimbă în timpul accelerației.

Sfat: Repetă fiecare experiment de câteva ori. O singură încercare poate înșela, iar repetarea este baza oricărei verificări științifice, cum arată Metoda științifică: cum verifică cercetătorii o idee.

Pentru imaginea de ansamblu asupra fizicii, de la mișcare la atom, citește ghidul Fizica pe înțeles.

Esențialul în câteva rânduri

Legile lui Newton sunt baza mecanicii clasice. Prima lege explică inerția: corpurile nu își schimbă singure starea de mișcare. A doua lege leagă forța de masă și de accelerație și explică diferența dintre masă și greutate. A treia lege arată că forțele apar mereu în perechi, pe corpuri diferite, și explică mersul, înotul și zborul rachetelor. Împreună, ele descriu corect aproape toate mișcările de zi cu zi și au limite doar la viteze foarte mari și la scara atomilor.

De reținut:

• inerția face ca pasagerii să continue să se miște când vehiculul frânează;
• F = m · a: aceeași forță accelerează mai puțin un corp mai greu;
• greutatea este o forță, măsurată în newtoni, iar masa se măsoară în kilograme;
• acțiunea și reacțiunea sunt egale, dar acționează pe corpuri diferite;
• o oprire mai lentă înseamnă o forță mai mică, principiul airbagului și al căștii.