Les premières formules, expériences et exercices de Newton

La Première loi de Newton, également connu sous le nom de Loi d'InERCIA, Il a d'abord été proposé par Isaac Newton, physique, mathématicien, philosophe, théologien, inventeur et alchimiste. Cette loi établit ce qui suit: "Si un objet n'est soumis à aucune force, ou si les forces qui agissent dessus sont annulées les unes aux autres, il continuera de se déplacer avec une rapidité constante en ligne droite."

Dans cette déclaration, le mot-clé est à suivre. Si les locaux de la loi sont remplis, alors l'objet continuera avec son mouvement comme il l'a fait. À moins qu'une force déséquilibrée n'apparaisse et change l'état de mouvement.

Explication de la première loi de Newton. Source: auto-faite.

Cela signifie que si l'objet est au repos continuera au repos, sauf si une force le retire de cet état. Cela signifie également que si un objet se déplace à une vitesse fixe dans une direction droite, il continuera de se déplacer de cette façon. Ne changera que lorsqu'un agent externe exerce une force sur lui et change sa vitesse.

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Contexte de la loi

Isaac Newton est né à Woolshorpe Manor (Royaume-Uni) le 4 janvier 1643 et est décédé à Londres en 1727.

La date exacte à laquelle Sir Isaac Newton a découvert que ses trois lois de la dynamique ne sont pas connues avec certitude, y compris la première loi. Mais il est connu qu'il était bien avant la publication du célèbre livre Principes mathématiques de la philosophie naturelle, 5 juillet 1687.

Le dictionnaire de la Royal Spanish Academy définit le mot inertie comme suit:

"Appartenant aux corps de maintien de leur statut de repos ou de leur mouvement si ce n'est pas pour l'action d'une force".

Ce terme est également utilisé pour affirmer que toute situation reste inchangée car aucun effort n'a été fait pour y parvenir, donc parfois le mot inertie a une connotation ou une négligence de routine.

La vision pré-newtonienne

Avant Newton, les idées prédominantes étaient celles du grand philosophe grec Aristote, qui a affirmé que pour qu'un objet reste en mouvement, il est nécessaire qu'une force agisse dessus. Lorsque la force cesse, alors le mouvement le fera également. Ce n'est pas le cas, mais même aujourd'hui, beaucoup pensent.

Galileo Galilei, un brillant astronome et physicien italien qui vivait entre 1564 et 1642, a vécu et analysé le mouvement des corps.

L'une des observations de Galileo était qu'un corps qui glisse sur une surface lisse et poli avec une certaine impulsion initiale, prend plus de temps à s'arrêter et a une plus grande route en ligne droite, dans la mesure où la friction entre le corps et la surface est plus bas.

Il est évident que Galileo a géré l'idée d'inertie, mais n'a pas formulé une déclaration aussi précise que Newton.

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Voici quelques expériences simples, que le lecteur peut effectuer et corroborer les résultats. Les observations seront également analysées selon la vision aristotélicienne du mouvement et de la vision newtonien.

Expériences sur l'inertie

Expérience 1

Une boîte est promue sur le sol, puis la force motrice est suspendue. Nous observons que la boîte parcourt un petit voyage jusqu'à ce qu'il s'arrête.

Interprétons l'expérience précédente et son résultat, dans le cadre des théories avant Newton, puis selon la première loi.

Dans la vision aristotélicienne, l'explication était très claire: la boîte s'est arrêtée parce que la force qui se déplaçait a été suspendue.

Dans la vision newtonienne, la boîte sur le sol / le sol ne peut pas continuer à se déplacer avec la vitesse qu'elle avait au moment où la force a été suspendue, car entre le sol et la boîte, il y a une force non équilibrée, ce qui fait que la vitesse diminuait jusqu'à ce que le Arrêt de la boîte. C'est la force de friction.

Dans cette expérience, les prémisses de la première loi de Newton ne sont pas remplies, donc la boîte s'est arrêtée.

Expérience 2 

Encore une fois, c'est la boîte sur le sol / le sol. À cette occasion, la force est maintenue sur la boîte, de sorte que la force de frottement compense ou équilibrée. Cela se produit lorsque nous obtenons la boîte pour continuer constamment et dans une direction droite.

Cette expérience ne contredit pas la vision aristotélicienne du mouvement: la boîte se déplace constamment parce qu'une force est exercée dessus.

Cela ne contredit pas non plus l'approche de Newton, car toutes les forces agissant sur la boîte sont équilibrées. Voyons:

• Dans la direction horizontale, la force exercée sur la boîte est la même et de direction contraire à la force de frottement entre la boîte et le sol.
• Ensuite, la force nette dans la direction horizontale est nul, c'est pourquoi la boîte maintient sa vitesse et sa direction.

Également dans le sens vertical, les forces sont équilibrées, car le poids de la boîte qui est une force qui pointe verticalement vers le bas est exactement compensé par la force de contact (ou normale) que le sol exerce sur la boîte verticalement vers le haut vers le haut.

Soit dit en passant, le poids de la boîte est dû à l'attraction gravitationnelle de la terre.

Expérience 3

Nous continuons avec la boîte soutenue sur le sol. Dans le sens vertical, les forces sont équilibrées, c'est-à-dire que la force verticale nette est nul. Ce serait certainement très surprenant si la boîte se déplaçait.  Mais dans la direction horizontale, il y a une force de friction.

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Maintenant, pour que la prémisse de la première loi de Newton soit remplie, nous devons réduire le frottement à son expression minimale. Cela peut être réalisé assez approximativement si nous recherchons une surface très lisse à laquelle nous avons pulvérisé l'huile de silicone.

Comme l'huile de silicone réduit le frottement presque à zéro, donc lorsque cette boîte est horizontalement, elle maintiendra sa vitesse et sa direction d'une longue section.

C'est le même phénomène qui se produit avec un patineur sur une piste de glace, ou avec le disque de hockey sur glace lorsqu'ils sont conduits et lâchent leur propre compte.

Dans les situations décrites, dans lesquelles le RUBB.

Dans la vision aristotélicienne, cela ne pouvait pas se produire, car selon cette théorie naïve, le mouvement ne se produit que lorsqu'il y a une force nette sur l'objet en mouvement.

La surface de glace peut être considérée avec très peu de friction. Source: Pixabay.

Explication de la première loi de Newton

Inertie et masse

La masse est une quantité physique qui indique la quantité de matière qui contient un corps ou un objet.

La masse est alors une propriété intrinsèque de la matière. Mais la matière est composée d'atomes, qui ont une masse. La masse de l'atome est concentrée dans le noyau. Ce sont les protons et les neutrons du noyau qui définissent pratiquement la masse de l'atome et de la matière.

La masse est généralement mesurée en kilogrammes (kg), c'est l'unité de base du système des unités internationales (SI).

Le prototype ou la référence de KG est un cylindre de platine et d'iridium qui est stocké dans le Bureau international des poids et des mesures en Sèvres en France, bien qu'en 2018, il ait été lié à la constante de Planck et la nouvelle définition entre en vigueur à partir du 20 mai 2019.

Eh bien, il arrive que l'inertie et la pâte soient liées. Une plus grande masse, une plus grande inertie a un objet. Il est beaucoup plus difficile ou coûteux en termes d'énergie pour changer l'état de mouvement d'un plus massif qu'un autre moins massif.

Exemple

Par exemple, beaucoup plus de force et beaucoup plus de travail sont nécessaires pour prendre une boîte d'une tonne (1000 kg) du repos qu'un autre kilogramme (1 kg). C'est pourquoi on dit généralement que le premier a plus d'inertie que le second.

En raison de la relation entre l'inertie et la masse, Newton s'est rendu compte que la vitesse n'est pas représentative de l'état de mouvement. C'est pourquoi il a défini un montant appelé quantité de mouvement soit élan qui est indiqué avec les paroles p Et c'est le produit de la masse m Pour la vitesse V:

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 p = m V

Le gras dans le p et dans le V Ils indiquent que ce sont des quantités physiques vectorielles, c'est-à-dire que ce sont des quantités d'ampleur, de direction et de signification.

Au lieu de la masse m C'est une quantité scalaire, qui se voit attribuer un nombre qui peut être supérieur ou égal à zéro, mais jamais négatif. Jusqu'à présent, un objet de masse négative n'a pas été trouvé dans l'univers connu.

Newton a apporté son imagination et son abstraction à l'extrême, définissant l'appel Particule libre. Une particule est un point de matériau. Autrement dit, c'est comme un point mathématique mais avec la masse:

Une particule libre est cette particule si isolée, si loin d'un autre objet de l'univers que rien ne peut exercer une interaction ou une force.

Plus tard, Newton a ensuite défini les systèmes de référence inertielle, qui seront ceux dans lesquels leurs trois lois sont appliquées. Voici les définitions selon ces concepts:

Système de référence inertielle

Chaque système de coordonnées lié à une particule libre, ou qui est transféré à vitesse constante par rapport à la particule libre sera un système de référence inertielle.

Première loi de Newton (loi d'inertie)

Si une particule est libre, il a une quantité constante de mouvement par rapport à un système de référence inertielle.

La première loi de Newton et la quantité de mouvement. Source: auto-faite.

Exercices résolus

Exercice 1

Un album de hockey est de 160 grammes sur la patinoire à 3 km / h. Trouvez votre quantité de mouvement.

Solution

La masse de l'album en kilogrammes est: m = 0.160 kg.

La vitesse en mètres au-dessus de la seconde: v = (3/3.6) m / s = 0.8333 m / s

La quantité de mouvement ou de momentum p est calculée comme suit: p = m * v = 0.1333 kg * m / s,

Exercice 2

La friction de l'album précédent est considérée comme du vide, donc l'élan est conservé alors que rien ne modifie le cours droit de l'album. Cependant, il est connu que deux forces agissent sur l'album: le poids du disque et la force de contact ou la normale que le sol exerce dessus.

Calculez la valeur de la force normale dans les Newtons et sa direction.

Solution

Comme l'élan est préservé, la force qui en résulte sur l'album de hockey doit être nul. Les points de poids verticalement en bas et ok: p = m * g = 0.16 kg * 9.81 m / s²

La force normale doit nécessairement contrer le poids, il doit donc s'inscrire verticalement et son ampleur sera 1.57 n.

Articles d'intérêt

Exemples de droit de Newton dans la vraie vie.

Les références

1. ALONSO M., Finn e. Physique Volume I: Mécanique. 1970. Fonds éducatifs inter-américains s.POUR.
2. Hewitt, P. Sciences physiques conceptuelles. CINQUIÈME ÉDITION. Pearson. 67-74.
3. Jeune, Hugh. Physique universitaire avec physique moderne. 14e ed. Pearson. 105 - 107.