Οι Νόμοι του Νεύτωνα ⚖️
Πριν από πολλά χρόνια, ο Ισαάκ Νεύτωνας μελέτησε πώς οι δυνάμεις επηρεάζουν την κίνηση των σωμάτων και διατύπωσε τρία αξιώματα για τις δυνάμεις και τις κινήσεις. Αυτά είναι σήμερα γνωστά ως οι τρεις Νόμοι του Νεύτωνα. Τους λέμε «νόμους της Φύσης» γιατί ό,τι προβλέπουν επιβεβαιώνεται συνεχώς από πειράματα — από την κίνηση μιας μπάλας μέχρι την εκτόξευση ενός πυραύλου.
Ο 1ος Νόμος του Νεύτωνα
Αν η συνισταμένη δύναμη που ασκείται σε ένα σώμα είναι μηδέν, τότε το σώμα είναι ακίνητο ή κινείται με σταθερή ταχύτητα.
Αν , τότε το σώμα είναι ακίνητο ή έχει σταθερή ταχύτητα.
Στην καθημερινή ζωή, κανένα σώμα δεν φαίνεται να κινείται για πάντα με την ίδια ταχύτητα. Ένα ποδήλατο που δεν το πεταλάρουμε σταματά, μια μπάλα που κυλά στο γήπεδο επιβραδύνει. Αυτό συμβαίνει γιατί η τριβή και η αντίσταση του αέρα ασκούν δυνάμεις πάνω τους. Αν μπορούσαμε να εξαφανίσουμε εντελώς αυτές τις δυνάμεις, το σώμα θα συνέχιζε να κινείται για πάντα με την ίδια ταχύτητα, χωρίς να χρειάζεται καμία δύναμη να το «σπρώχνει».
Ισορροπία
Όταν η συνισταμένη δύναμη σε ένα σώμα είναι μηδέν, λέμε ότι το σώμα βρίσκεται σε κατάσταση ισορροπίας. Υπάρχουν δύο ειδών ισορροπία:
| Είδος ισορροπίας | Τι κάνει το σώμα | Παράδειγμα |
|---|---|---|
| Στατική ισορροπία | Είναι ακίνητο | Ένα μήλο που κρέμεται από ένα κλαδί |
| Δυναμική ισορροπία | Κινείται με σταθερή ταχύτητα | Ένα ποδήλατο σε ίσιο δρόμο, χωρίς να πεταλάρουμε δυνατότερα ή να φρενάρουμε |
Πολλοί μαθητές νομίζουν ότι «ισορροπία» σημαίνει μόνο «ακίνητο». Στην πραγματικότητα, ένα σώμα που κινείται ευθύγραμμα με σταθερή ταχύτητα ισορροπεί εξίσου καλά όσο ένα ακίνητο σώμα — αρκεί η συνισταμένη δύναμη να είναι μηδέν.
Ο 2ος Νόμος του Νεύτωνα
Όταν η συνισταμένη δύναμη σε ένα σώμα δεν είναι μηδέν, η ταχύτητά του αλλάζει — δηλαδή το σώμα αποκτά επιτάχυνση.
Η επιτάχυνση ενός σώματος είναι ανάλογη της συνισταμένης δύναμης που δέχεται και αντιστρόφως ανάλογη της μάζας του:
Από αυτόν τον νόμο προκύπτουν τρία βασικά συμπεράσματα:
- Η επιτάχυνση έχει την ίδια κατεύθυνση με τη συνισταμένη δύναμη.
- Όσο μεγαλύτερη η συνισταμένη δύναμη, τόσο μεγαλύτερη η επιτάχυνση.
- Όσο μεγαλύτερη η μάζα ενός σώματος, τόσο μικρότερη η επιτάχυνση που παίρνει από την ίδια δύναμη.
Γι' αυτό είναι πιο εύκολο να στρίψουμε ένα άδειο καροτσάκι σούπερ μάρκετ από ένα γεμάτο: η μικρότερη μάζα χρειάζεται μικρότερη δύναμη για να αλλάξει κατεύθυνση με την ίδια επιτάχυνση.
Η μονάδα της δύναμης
Από τον 2ο Νόμο προκύπτει και ο ορισμός της μονάδας μέτρησης της δύναμης, του Newton (N):
Δηλαδή, 1 Newton είναι η δύναμη που δίνει σε ένα σώμα μάζας 1 kg επιτάχυνση 1 m/s².
Η έννοια της αδράνειας
Από τον 1ο και τον 2ο Νόμο προκύπτει κάτι πολύ σημαντικό: κάθε σώμα «αντιστέκεται» μόνο του στις αλλαγές της κίνησής του. Αυτή η ιδιότητα λέγεται αδράνεια.
Αδράνεια είναι η τάση κάθε σώματος να αντιστέκεται σε οποιαδήποτε αλλαγή της κινητικής του κατάστασης, δηλαδή να παραμένει ακίνητο ή να διατηρεί τη σταθερή ταχύτητά του.
Όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα ενός σώματος, τόσο μεγαλύτερη είναι και η αδράνειά του — γι' αυτό είναι πιο δύσκολο να σπρώξουμε ένα γεμάτο σακίδιο παρά ένα άδειο.
Η αδράνεια φαίνεται καθαρά σε καθημερινές καταστάσεις:
- Αν βάλουμε ένα κέρμα πάνω σε ένα χαρτόνι πάνω από ένα ποτήρι και τραβήξουμε απότομα το χαρτόνι, το κέρμα πέφτει μέσα στο ποτήρι. Το κέρμα «θέλει» να μείνει ακίνητο.
- Όταν ένα λεωφορείο φρενάρει απότομα, οι όρθιοι επιβάτες γέρνουν προς τα εμπρός. Όταν το λεωφορείο ξεκινά απότομα, οι επιβάτες γέρνουν προς τα πίσω. Και στις δύο περιπτώσεις, το σώμα τους «θέλει» να διατηρήσει την κινητική κατάσταση που είχε πριν.
Ο 3ος Νόμος του Νεύτωνα
Όταν χτυπάμε δυνατά το χέρι μας πάνω σε ένα θρανίο, πονάμε. Αυτό σημαίνει κάτι σημαντικό: δεν ασκούμε δύναμη μόνο εμείς στο θρανίο — το θρανίο ασκεί δύναμη και σε εμάς!
Όταν δύο σώματα αλληλεπιδρούν, η δύναμη που ασκεί το πρώτο σώμα στο δεύτερο έχει ίσο μέτρο, ίδια διεύθυνση και αντίθετη φορά από τη δύναμη που ασκεί το δεύτερο σώμα στο πρώτο.
Οι δύο αυτές δυνάμεις ονομάζονται δράση και αντίδραση.
Η δράση και η αντίδραση έχουν ίσο μέτρο και αντίθετη φορά, όμως ΔΕΝ αλληλοαναιρούνται ποτέ — γιατί ασκούνται σε δύο διαφορετικά σώματα, όχι στο ίδιο!
Σύγκρινέ το με τις δυνάμεις ισορροπίας: όταν ένα βιβλίο είναι ακίνητο πάνω σε τραπέζι, το βάρος του και η δύναμη του τραπεζιού ασκούνται και οι δύο πάνω στο βιβλίο — γι' αυτό εκεί μπορούν να αλληλοαναιρεθούν και το βιβλίο να ισορροπεί. Η δράση και η αντίδραση όμως πάνε η καθεμιά σε διαφορετικό σώμα, οπότε η καθεμιά έχει το δικό της αποτέλεσμα στο δικό της σώμα.
Η δράση και η αντίδραση εξηγούν πολλές καθημερινές κινήσεις:
- Όταν περπατάμε, το πόδι μας σπρώχνει το έδαφος προς τα πίσω (δράση), και το έδαφος σπρώχνει εμάς προς τα εμπρός (αντίδραση).
- Όταν κολυμπάμε, σπρώχνουμε το νερό προς τα πίσω, και το νερό μάς σπρώχνει προς τα εμπρός.
- Ένα πλοίο, ένα αεροπλάνο και ένας πύραυλος κινούνται και τα τρία χάρη στον 3ο Νόμο: σπρώχνουν νερό, αέρα ή καυσαέρια προς τα πίσω, και δέχονται από αυτά ώθηση προς τα εμπρός.