Pierwsza zasada dynamiki Newtona i bezwładność – test i pytania, fizyka klasa 7

Pierwsza zasada dynamiki Newtona, zwana zasadą bezwładności, tłumaczy, dlaczego ciała nie zmieniają swojego ruchu samoistnie. To fundament całej mechaniki klasycznej sformułowany przez Isaaca Newtona w 1687 roku w dziele Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. W tej lekcji poznasz treść zasady, pojęcie bezwładności oraz liczne przykłady jej działania w codziennym życiu.

Najważniejsze w 30 sekund

• Pierwszą zasadę dynamiki sformułował Isaac Newton w 1687 roku.
• Zasada mówi, że ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się jednostajnie prostoliniowo, jeśli nie działają na nie siły lub siły się równoważą.
• Bezwładność to właściwość ciał polegająca na przeciwstawianiu się zmianie prędkości.
• Miarą bezwładności ciała jest jego masa – im większa masa, tym trudniej zmienić ruch ciała.
• Układ, w którym obowiązuje pierwsza zasada dynamiki, nazywamy układem inercjalnym.

Treść pierwszej zasady dynamiki

Pierwsza zasada dynamiki Newtona głosi, że jeżeli na ciało nie działają żadne siły albo działające siły się wzajemnie równoważą (ich wypadkowa wynosi zero), to ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym. Oznacza to, że bez przyczyny zewnętrznej stan ruchu ciała się nie zmienia.

Zasadę tę sformułował angielski uczony Isaac Newton w swoim dziele Philosophiae Naturalis Principia Mathematica opublikowanym w 1687 roku, choć wcześniejsze intuicje na ten temat miał już Galileusz, badając ruch kul po równi.

Kluczowe jest zrozumienie, że chodzi o siłę wypadkową, czyli sumę wszystkich sił działających na ciało z uwzględnieniem ich kierunków. Ciało może być poddane działaniu wielu sił jednocześnie i mimo to poruszać się ze stałą prędkością, jeśli siły te się równoważą.

Czym jest bezwładność

Bezwładność to właściwość każdego ciała materialnego polegająca na przeciwstawianiu się zmianom jego stanu ruchu, czyli zmianom prędkości co do wartości lub kierunku. Ciało o większej bezwładności trudniej jest rozpędzić, zatrzymać lub zmienić kierunek jego ruchu.

Miarą bezwładności ciała jest jego masa – im większa masa, tym większy opór ciało stawia zmianie prędkości. Dlatego ciężką ciężarówkę trudniej jest zarówno rozpędzić, jak i zatrzymać niż lekki rower, mimo że działają na nie te same zasady fizyki.

Zjawisko bezwładności obserwujemy codziennie, na przykład gdy nagle hamujący autobus powoduje, że pasażerowie przechylają się do przodu – ich ciała starają się zachować poprzednią prędkość, podczas gdy pojazd już zwalnia.

Przykłady działania pierwszej zasady dynamiki

Klasycznym przykładem jest obrus pociągnięty gwałtownie spod zastawy stołowej – naczynia, dzięki swojej bezwładności, pozostają niemal w tym samym miejscu, bo siła tarcia działająca krótko nie zdąży nadać im znaczącej prędkości wraz z obrusem.

Innym przykładem jest sytuacja w samochodzie podczas gwałtownego hamowania – pasy bezpieczeństwa są konieczne, ponieważ ciało pasażera, zgodnie z zasadą bezwładności, dąży do zachowania swojej wcześniejszej prędkości i bez zabezpieczenia poleciałoby do przodu.

W kosmosie, z dala od planet i oporu powietrza, sonda kosmiczna po wyłączeniu silników porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym przez bardzo długi czas, ponieważ nie działają na nią żadne siły spowalniające, co jest niemal idealną ilustracją pierwszej zasady dynamiki.

Układy inercjalne i znaczenie zasady bezwładności

Układ odniesienia, w którym spełniona jest pierwsza zasada dynamiki, nazywamy układem inercjalnym. Przykładem takiego układu jest w przybliżeniu powierzchnia Ziemi dla ruchów trwających krótko, choć ściśle rzecz biorąc Ziemia obraca się i nie jest idealnym układem inercjalnym.

Pierwsza zasada dynamiki obaliła wcześniejsze, błędne przekonanie Arystotelesa, że do podtrzymania ruchu ciała zawsze potrzebna jest działająca siła. Newton pokazał, że siła jest potrzebna nie do podtrzymania ruchu, lecz do zmiany jego prędkości lub kierunku.

Zrozumienie zasady bezwładności jest podstawą do poznania kolejnych zasad dynamiki Newtona, ponieważ pokazuje, że naturalnym stanem ciała jest trwanie w spoczynku lub w ruchu jednostajnym, a wszelka zmiana tego stanu wymaga działania siły zewnętrznej.

Co trzeba umieć

• Podać treść pierwszej zasady dynamiki Newtona.
• Wyjaśnić pojęcie bezwładności i podać jej miarę.
• Wskazać przykłady zjawiska bezwładności z życia codziennego.
• Wyjaśnić różnicę między poglądem Arystotelesa a Newtona na temat ruchu.
• Rozpoznać sytuacje, w których siła wypadkowa działająca na ciało wynosi zero.
• Wyjaśnić, czym jest układ inercjalny.

Typowe błędy

1. Mylenie pierwszej zasady dynamiki z twierdzeniem, że siła jest zawsze potrzebna do utrzymania ruchu ciała.
2. Zapominanie, że zasada dotyczy sił wypadkowych (zrównoważonych), a nie braku jakichkolwiek sił działających na ciało.
3. Mylenie masy z ciężarem przy wyjaśnianiu miary bezwładności ciała.
4. Przekonanie, że ciało w spoczynku nie ma na siebie działających sił, podczas gdy mogą one po prostu się równoważyć.
5. Niepoprawne przypisywanie autorstwa zasady bezwładności – pomijanie wcześniejszego wkładu Galileusza w rozwój tej idei.

Krótkie pytania i odpowiedzi

Czym różni się pogląd Newtona od poglądu Arystotelesa na temat ruchu ciał?

Arystoteles sądził, że do podtrzymania ruchu zawsze potrzebna jest siła, a Newton wykazał, że ciało bez działania sił porusza się jednostajnie samoistnie, a siła jest potrzebna tylko do zmiany tego ruchu.

Czy ciało w spoczynku na stole ma na siebie działające siły?

Tak, działa na nie siła grawitacji oraz siła reakcji podłoża (stołu). Siły te się równoważą, dlatego ciało pozostaje w spoczynku.

Dlaczego podróż w kosmosie jest dobrym przykładem pierwszej zasady dynamiki?

Ponieważ w przestrzeni kosmicznej brak oporu powietrza i niewielki wpływ grawitacji sprawiają, że statek po wyłączeniu silników porusza się niemal idealnie jednostajnie prostoliniowo przez długi czas.

Co by się stało, gdyby nie istniała bezwładność?

Gdyby nie istniała bezwładność, nawet najmniejsza niezrównoważona siła powodowałaby natychmiastową zmianę prędkości ciała. Ruch byłby chaotyczny i nieprzewidywalny, ponieważ ciała nie miałyby żadnej tendencji do utrzymywania swojego stanu ruchu, co uniemożliwiłoby stabilne zjawiska mechaniczne.

Jak zasada bezwładności tłumaczy konieczność stosowania pasów bezpieczeństwa?

Podczas nagłego hamowania ciało kierowcy i pasażerów dąży do zachowania poprzedniej prędkości, dlatego bez pasów polecieliby do przodu zgodnie z zasadą bezwładności.

Czy Galileusz miał wpływ na sformułowanie pierwszej zasady dynamiki?

Tak, Galileusz badając ruch kul po równiach pochyłych zauważył, że ciało poruszające się bez tarcia zachowuje stałą prędkość, co było inspiracją dla Newtona.

FAQ

Dlaczego piłka tocząca się po podłodze w końcu się zatrzymuje, skoro obowiązuje zasada bezwładności?

Piłka zatrzymuje się, bo działa na nią siła tarcia oraz opór powietrza, czyli siły niezrównoważone, które zgodnie z zasadą powodują zmianę jej prędkości aż do zatrzymania.

Czy pierwsza zasada dynamiki obowiązuje tylko dla ciał w spoczynku?

Nie, dotyczy zarówno ciał w spoczynku, jak i ciał poruszających się jednostajnie prostoliniowo - oba te stany są równoważne, gdy siła wypadkowa wynosi zero.

Jak wytłumaczyć bezwładność komuś, kto nigdy nie słyszał o fizyce Newtona?

Można powiedzieć, że każde ciało 'lubi' zachować swój aktualny stan ruchu lub spoczynku i trzeba je popchnąć lub zahamować siłą, żeby coś zmieniło się w jego ruchu.

Dlaczego w autobusie czujemy szarpnięcie, gdy kierowca gwałtownie rusza?

Nasze ciało, zgodnie z bezwładnością, dąży do pozostania w spoczynku, podczas gdy autobus już przyspiesza, dlatego odczuwamy wrażenie pchnięcia do tyłu.

Czy masa i bezwładność to to samo pojęcie?

Nie, masa jest wielkością fizyczną wyrażaną w kilogramach, natomiast bezwładność jest właściwością ciała, której miarą ilościową właśnie jest masa.

Stwórz własny test · Zrób fiszki

Poprzednia lekcja: Analiza wykresów ruchów prostoliniowych: jednostajnego i jednostajnie zmiennego Następna lekcja: Druga zasada dynamiki Newtona

Cały dział: Dynamika

• Druga zasada dynamiki Newtona
• Swobodne spadanie ciał
• Trzecia zasada dynamiki Newtona. Zjawisko odrzutu
• Opory ruchu
• Energia i praca