- Antecedents de la llei
- La visió pre newtoniana
- Experiments sobre la inèrcia
- experiment 1
- experiment 2
- experiment 3
- Explicació de la primera llei de Newton
- La inèrcia i la massa
- exemple
- Sistema inercial de referència
- Primera llei de Newton (llei d'inèrcia)
- exercicis resolts
- exercici 1
- solució
- exercici 2
- solució
- Articles d'interès
- referències
La primera llei de Newton, també coneguda com la llei d'inèrcia, va ser proposada per primera vegada per Isaac Newton, físic, matemàtic, filòsof, teòleg, inventor i alquimista anglès. Aquesta llei estableix el següent: «Sí un objecte no està sotmès a cap força, o bé si les forces que sobre ell actuen es cancel·len unes a les altres, llavors continuarà movent-se amb rapidesa constant en línia recta.»
En aquest enunciat la paraula clau és continuarà. Si es compleixen les premisses de la llei, llavors l'objecte continuarà amb el seu moviment tal com el tenia. Llevat que una força no equilibrada aparegui i canviï l'estat de moviment.
Explicació de la primera llei de Newton. Font: elaboració pròpia.
Això vol dir que si l'objecte està en repòs continuarà en repòs, excepte si una força el treu d'aquest estat. També vol dir que si un objecte està movent-se amb una rapidesa fixa en direcció recta, continuarà movent-se d'aquesta manera. Només canviarà quan algun agent extern exerceixi sobre ell una força i canviï la seva velocitat.
Antecedents de la llei
Isaac Newton va néixer a Woolsthorpe Manor (Regne Unit) el 4 de gener de 1643 i va morir a Londres el 1727.
No se sap amb certesa la data exacta en què Sir Isaac Newton va descobrir les seves tres lleis de la dinàmica, inclosa la primera llei. Però sí se sap que va ser molt abans de la publicació de l'famós llibre Principis matemàtics de filosofia natural, el 5 de juliol de 1687.
El diccionari de la Reial Acadèmia Espanyola defineix la paraula inèrcia així:
"Propietat dels cossos de mantenir el seu estat de repòs o moviment si no és per l'acció d'una força".
Aquest terme s'usa també per afirmar que una situació qualsevol es manté sense canvis perquè no s'ha fet algun esforç per aconseguir-ho, per tant de vegades la paraula inèrcia té connotació de rutina o desídia.
La visió pre newtoniana
Anterior a Newton les idees predominants eren les de el gran filòsof grec Aristòtil, qui afirmava que perquè un objecte es mantingui en moviment cal que sobre ell actuï una força. Quan la força cessa, llavors també ho farà el moviment. No és així, però encara avui dia molts pensen que si.
Galileu Galilei, brillant astrònom i físic italià que va viure entre 1564 i 1642, va experimentar i va analitzar el moviment dels cossos.
Una de les observacions de Galileu va ser que un cos que llisca sobre una superfície llisa i polida amb cert impuls inicial, triga més a aturar-se i té major recorregut en línia recta, en la mesura que la fricció entre el cos i la superfície sigui menor.
És evident que Galileu va manejar la idea de la inèrcia, però no va arribar a formular un enunciat tan precís com Newton.
A continuació proposem alguns simples experiments, dels quals el lector pot dur a terme i corroborar els resultats. També s'analitzaran les observacions segons la visió aristotèlica de el moviment i la visió newtoniana.
Experiments sobre la inèrcia
experiment 1
S'impulsa una caixa sobre el pis i després se suspèn la força impulsora. Observem que la caixa recorre un petit trajecte fins que s'atura.
Interpretem l'experiment anterior i el seu resultat, en el marc de les teories anteriors a Newton i després segons la primera llei.
En la visió aristotèlica l'explicació estava molt clara: la caixa es va aturar perquè la força que la movia va ser suspesa.
En la visió newtoniana la caixa sobre el pis / sòl no pot seguir movent-se amb la velocitat que tenia a el moment que la força va ser suspesa, perquè entre el pis i la caixa hi ha una força no equilibrada, que fa que la velocitat disminueixi fins que la caixa s'atura. Es tracta de la força de fregament.
En aquest experiment no es compleixen les premisses de la primera llei de Newton, per això la caixa es va aturar.
experiment 2
Novament es tracta de la caixa sobre el pis / sòl. En aquesta oportunitat es manté la força sobre la caixa, de manera tal que compensi o balancegi la força de frec. Això passa quan aconseguim que la caixa segueixi amb rapidesa constant i en direcció recta.
Aquest experiment no contradiu la visió aristotèlica de el moviment: la caixa es mou amb rapidesa constant perquè sobre ella s'exerceix un força.
Tampoc contradiu el plantejament de Newton, a causa de que totes les forces que actuen sobre la caixa s'equilibren. Vegem:
- En la direcció horitzontal la força exercida sobre la caixa és igual i de direcció contrària a la força de fregament entre la caixa i el pis.
- Llavors la força neta en la direcció horitzontal és zero, és per això que la caixa manté la seva rapidesa i direcció.
També en la direcció vertical les forces s'equilibren, perquè el pes de la caixa que és una força que apunta verticalment cap avall és exactament compensada per la força de contacte (o normal) que el sòl exerceix sobre la caixa verticalment cap amunt.
Per cert, el pes de la caixa es deu a l'atracció gravitacional de la Terra.
experiment 3
Seguim amb la caixa recolzada sobre el pis. En la direcció vertical les forces estan equilibrades, és a dir que la força vertical neta és nul·la. Certament seria molt sorprenent que la caixa es mogués cap amunt. Però en la direcció horitzontal hi ha força de frec.
Ara bé, perquè es compleixi la premissa de la primera llei de Newton, necessitem reduir el frec a la mínima expressió. Això ho podem aconseguir de manera força aproximada si busquem una superfície molt llisa a la qual li ruixem oli de silicona.
Com l'oli de silicona redueix la fricció gairebé a zero, llavors quan aquesta caixa es llanci horitzontalment, mantindrà la seva rapidesa i direcció per un llarg tram.
És el mateix fenomen que passa amb un patinador sobre una pista de gel, o amb el disc d'hoquei sobre gel quan són impulsats i deixats anar pel seu propi compte.
En les situacions descrites, en què el frec es redueix gairebé a zero, la força resultant és pràcticament nul·la i l'objecte manté la seva velocitat, d'acord amb la primera llei de Newton.
En la visió aristotèlica això no podria passar, perquè segons aquesta ingènua teoria, el moviment només passa quan hi ha una força neta sobre l'objecte en moviment.
La superfície gelada pot considerar-se amb molt poc fregament. Font: Pixabay.
Explicació de la primera llei de Newton
La inèrcia i la massa
La massa és una quantitat física que indica la quantitat de matèria que conté un cos o objecte.
La massa llavors és una propietat intrínseca de la matèria. Però la matèria està composta d'àtoms, els quals tenen massa. La massa de l'àtom està concentrada en el nucli. Són els protons i neutrons de l'nucli els que pràcticament defineixen la massa de l'àtom i la matèria.
La massa es mesura generalment en quilograms (kg), és la unitat bàsica de el sistema internacional d'unitats (SI).
El prototip o referència de kg és un cilindre de platí i iridi que es guarda a l'Oficina Internacional de Pesos i Mesures en Sèvres a França, encara que en 2018 es va vincular a la constant de Planck i la nova definició entra en vigència a partir de l' 20 maig 2019.
Doncs bé, passa que la inèrcia i la massa es relacionen. A major massa, més inèrcia té un objecte. És molt més difícil o costós en termes d'energia canviar l'estat de moviment d'un objecte més massiu que un altre menys massiu.
exemple
Per exemple, es requereix molta més força i molta més feina treure de l'repòs una caixa d'una tona (1000 kg) que una altra d'un quilogram (1 kg). Per això se sol dir que la primera té més inèrcia que la segona.
A causa de la relació entre inèrcia i massa, Newton es va adonar que la velocitat per si sola no és representativa de l'estat de moviment. Per això va definir una quantitat coneguda com quantitat de moviment o momentum que es denota amb la lletra p i és el producte de la massa m per la velocitat v:
p = m v
La negreta a la p i en la v indiquen que es tracta de quantitats físiques vectorials, és a dir que són quantitats amb magnitud, direcció i sentit.
En canvi la massa m és una quantitat escalar, a la qual se li assigna un nombre que pot ser major o igual a zero, però mai negatiu. Fins al moment present no s'ha trobat en l'univers conegut algun objecte de massa negativa.
Newton va portar la seva imaginació i abstracció a l'extrem, definint l'anomenada partícula lliure. Una partícula és un punt material. És a dir, és com un punt matemàtic però amb massa:
Una partícula lliure és aquella partícula que està tan aïllada, tan lluny d'un altre objecte en l'univers que res pot exercir alguna interacció o força sobre ella.
Més tard Newton va passar a definir els sistemes inercials de referència, que seran aquells en què s'apliquen les seves tres lleis de el moviment. Heus aquí les definicions d'acord a aquests conceptes:
Sistema inercial de referència
Tot sistema de coordenades lligat a una partícula lliure, o que es traslladi a velocitat constant respecte a la partícula lliure serà un sistema inercial de referència.
Primera llei de Newton (llei d'inèrcia)
Si una partícula és lliure, llavors té quantitat de moviment constant respecte a un sistema inercial de referència.
La primera llei de Newton i la quantitat de moviment. Font: elaboració pròpia.
exercicis resolts
exercici 1
Un disc d'hoquei es 160 grams va sobre la pista de gel a 3 km / h. Halle seva quantitat de moviment.
solució
La massa de el disc en quilograms és: m = 0.160 kg.
La velocitat en metres sobre segon: v = (3 / 3.6) m / s = 0,8333 m / s
La quantitat de moviment o momentum p es calcula així: p = m * v = 0,1333 kg * m / s,
exercici 2
La fricció en el disc anterior es considera nul·la, per això es conserva el momentum mentre res alteri el curs recte de el disc. No obstant això se sap que sobre el disc actuen dues forces: el pes de el disc i la força de contacte o normal que el pis exerceix sobre el mateix.
Calculeu el valor de la força normal en newtons i la seva direcció.
solució
Com es conserva el momentum, la força resultant sobre el disc d'hoquei ha de ser zero. El pes apunta verticalment cap avall i val: P = m * g = 0.16 kg * 9.81 m / s²
La força normal necessàriament ha de contrarestar a el pes, per això ha d'apuntar verticalment cap amunt i la seva magnitud serà de 1.57 N.
Articles d'interès
Exemples de la llei de Newton a la vida real.
referències
- Alonso M., Finn E. Física volum I: Mecànica. 1970. Fons Educatiu Interamericà SA
- Hewitt, P. Conceptual Physical Science. Fifth edition. Pearson. 67-74.
- Young, Hugh. University Physics with Modern Physics. 14th Ed. Pearson. 105-107.