Zacznijmy od początku. Fizyka opisuje otaczający nas świat. Dynamika jest działem fizyki. Zajmuje się badaniem przyczyn ruchu ciał. Jedną z jej podstaw są trzy zasady dynamiki Newtona. Dziś zajmiemy się wszystkimi trzema.
I Zasada Dynamiki Newtona
Pierwsza zasada dynamiki Newtona mówi o bezwładności. Jest także nazywana zasadą bezwładności. Brzmi następująco: Jeżeli na ciało nie działa żadna siła lub działające siły się równoważą, to ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym.
Co to znaczy? Wyobraź sobie, że masz piłkę. Leży ona na podłodze. Nie rusza się, prawda? Tak będzie, dopóki ktoś jej nie kopnie. Albo dopóki wiatr jej nie poruszy. Czyli dopóki nie zadziała na nią jakaś siła. Podobnie, jeśli piłka toczy się po równej powierzchni bez oporu, będzie się toczyć w nieskończoność z tą samą prędkością i w tym samym kierunku.
W rzeczywistości, idealne warunki są trudne do osiągnięcia. Zawsze działają jakieś siły. Na przykład, siła tarcia. Powoduje ona, że piłka z czasem się zatrzyma. Dlatego ważne jest zrozumienie, że I zasada dynamiki opisuje sytuację idealną. Brak sił lub siły się równoważą.
Uklady Inercjalne
Pierwsza zasada dynamiki definiuje także tzw. układy inercjalne. Są to układy odniesienia. W nich ta zasada obowiązuje. Układ inercjalny to taki, który porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym lub jest w spoczynku. Przykładem może być wnętrze pociągu jadącego ze stałą prędkością po prostym torze.
Przykładem układu nieinercjalnego jest samochód hamujący. W nim ciała zachowują się "dziwnie". Na przykład, pasażer podczas hamowania leci do przodu. Dzieje się tak, ponieważ działa na niego tzw. siła bezwładności. To siła pozorna, wynikająca z przyspieszenia układu.
II Zasada Dynamiki Newtona
Druga zasada dynamiki Newtona opisuje związek między siłą, masą i przyspieszeniem. Mówi, że przyspieszenie ciała jest wprost proporcjonalne do działającej na nie siły. Jest odwrotnie proporcjonalne do jego masy. Matematycznie zapisujemy to jako: F = ma. Gdzie F to siła, m to masa, a a to przyspieszenie.
Co to znaczy? Im większa siła działa na ciało, tym większe jest jego przyspieszenie. Im większa masa ciała, tym mniejsze jest jego przyspieszenie. Przy tej samej sile. Wyobraź sobie, że pchasz wózek. Pusty wózek przyspieszy szybciej. Niż wózek pełen zakupów. Dzieje się tak, ponieważ ma większą masę.
Siła jest wielkością wektorową. Ma wartość, kierunek i zwrot. Przyspieszenie również jest wektorem. Ma taki sam kierunek i zwrot jak siła działająca na ciało. Jednostką siły w układzie SI jest niuton (N). Jeden niuton to siła, która nadaje masie 1 kg przyspieszenie 1 m/s2.
Przyklady II Zasady
Spróbujmy zrozumieć to na przykładach. Jeśli na ciało o masie 2 kg działa siła 10 N, to jego przyspieszenie wyniesie 5 m/s2 (a = F/m = 10 N / 2 kg = 5 m/s2). Jeśli ta sama siła działa na ciało o masie 5 kg, to jego przyspieszenie wyniesie 2 m/s2. Widzimy, że większa masa oznacza mniejsze przyspieszenie.
Druga zasada dynamiki jest fundamentalna. Stosuje się ją w wielu dziedzinach. Od obliczania trajektorii lotu rakiet. Do projektowania mostów i budynków. Ważne jest zrozumienie zależności między siłą, masą i przyspieszeniem.
III Zasada Dynamiki Newtona
Trzecia zasada dynamiki Newtona mówi o wzajemnym oddziaływaniu ciał. Znana jest również jako zasada akcji i reakcji. Brzmi następująco: Jeżeli ciało A działa na ciało B pewną siłą (akcja), to ciało B działa na ciało A siłą równą co do wartości i kierunku, lecz przeciwnie skierowaną (reakcja).
Oznacza to, że siły zawsze występują parami. Nie ma siły, która działa sama. Kiedy naciskasz na ścianę, ściana naciska na ciebie z tą samą siłą. Tylko w przeciwnym kierunku. Kiedy idziesz, odpychasz się od ziemi. Ziemia odpycha się od ciebie z tą samą siłą. To właśnie umożliwia ci poruszanie się.
Ważne jest, aby zauważyć, że akcja i reakcja działają na różne ciała. To odróżnia je od sił równoważących się. Siły równoważące się działają na to samo ciało. Akcja i reakcja nigdy się nie równoważą.
Przykłady III Zasady
Rozważmy przykład strzelania z armaty. Armata działa na kulę armatnią siłą wyrzucającą ją. Kula armatnia działa na armatę siłą odrzutu. Dlatego armata cofa się do tyłu po wystrzale. Siły akcji i reakcji są równe co do wartości. Jednak efekty ich działania są różne. Kula armatnia ma mniejszą masę. Otrzymuje więc duże przyspieszenie. Armata ma dużą masę. Otrzymuje więc małe przyspieszenie.
Inny przykład to pływanie. Pływak odpycha wodę do tyłu. Woda odpycha pływaka do przodu. To umożliwia mu poruszanie się w wodzie. Trzecia zasada dynamiki jest kluczowa. Wyjaśnia wiele zjawisk. Od ruchu odrzutowców. Do chodzenia po ziemi.
Podsumowując, trzy zasady dynamiki Newtona są fundamentem mechaniki klasycznej. Opisują one ruch ciał i przyczyny tego ruchu. Zrozumienie tych zasad jest kluczowe. Do analizy wielu zjawisk w otaczającym nas świecie.
