Hukum pertama Newton: penjelasan dan rumus, percobaan dan latihan

Hukum pertama Newton, juga dikenal sebagai hukum inersia, pertama kali diusulkan oleh Isaac Newton, ahli fisika, matematikawan, filsuf, teolog, penemu dan ahli alkimia Inggris. Hukum menyatakan sebagai berikut: " Jika suatu benda tidak mengalami gaya apa pun, atau jika gaya yang bekerja padanya saling membatalkan, maka benda itu akan terus bergerak dengan kecepatan konstan dalam garis lurus."

Dalam pernyataan ini kata kunci diteruskan. Jika premis-premis hukum dipenuhi, maka objek akan melanjutkan pergerakannya seperti semula. Kecuali jika kekuatan yang tidak seimbang muncul dan mengubah keadaan gerakan.

Ini berarti bahwa jika objek diam maka akan terus diam, kecuali gaya menariknya keluar dari keadaan itu. Ini juga berarti bahwa jika suatu benda bergerak dengan kecepatan tetap dalam arah lurus, benda itu akan terus bergerak ke arah itu. Itu hanya akan berubah ketika agen eksternal menggunakan kekuatan di atasnya dan mengubah kecepatannya.

Latar belakang hukum

Isaac Newton lahir di Woolsthorpe Manor (Inggris) pada 4 Januari 1643 dan meninggal di London pada 1727.

Tanggal pasti di mana Sir Isaac Newton menemukan tiga hukum dinamikanya, termasuk hukum pertama, tidak diketahui dengan pasti. Tetapi diketahui bahwa itu jauh sebelum penerbitan buku terkenal Prinsip-prinsip Matematika dari Filsafat Alam, pada 5 Juli 1687.

Kamus Akademi Kerajaan Spanyol mendefinisikan kata inersia seperti ini:

" Properti tubuh untuk mempertahankan keadaan istirahat atau gerakan mereka jika bukan oleh aksi kekuatan ".

Istilah ini juga digunakan untuk menegaskan bahwa situasi apa pun tetap tidak berubah karena tidak ada upaya yang dilakukan untuk mencapainya, oleh karena itu kadang-kadang kata inersia memiliki konotasi rutin atau kemalasan.

Visi pra-Newtonian

Sebelum Newton, ide-ide dominannya adalah dari filsuf besar Yunani, Aristoteles, yang berpendapat bahwa agar suatu benda dapat terus bergerak, diperlukan suatu kekuatan untuk bertindak. Ketika kekuatan berhenti, maka begitu pula gerakannya. Tidak demikian, tetapi bahkan sekarang banyak yang berpikir demikian.

Galileo Galilei, astronom brilian dan fisikawan Italia yang hidup antara 1564 dan 1642, bereksperimen dan menganalisis pergerakan tubuh.

Salah satu pengamatan Galileo adalah bahwa benda yang meluncur pada permukaan yang halus dan dipoles dengan dorongan awal tertentu, membutuhkan waktu lebih lama untuk berhenti dan memiliki garis perjalanan yang lebih lurus, karena gesekan antara tubuh dan permukaan lebih sedikit.

Jelaslah bahwa Galileo menangani gagasan inersia, tetapi ia tidak merumuskan pernyataan setepat Newton.

Di bawah ini kami mengusulkan beberapa eksperimen sederhana, yang dapat dilakukan pembaca dan menguatkan hasilnya. Pengamatan juga akan dianalisis sesuai dengan visi gerakan Aristotelian dan visi Newton.

Eksperimen tentang inersia

Eksperimen 1

Sebuah kotak didorong di lantai dan kemudian kekuatan penggeraknya ditangguhkan. Kami perhatikan bahwa kotak tersebut melakukan perjalanan jarak pendek sampai berhenti.

Menafsirkan eksperimen sebelumnya dan hasilnya, dalam kerangka teori sebelum Newton dan kemudian menurut hukum pertama.

Dalam visi Aristotelian penjelasannya sangat jelas: kotak itu berhenti karena gaya yang memindahkannya ditangguhkan.

Dalam pandangan Newtonian kotak di lantai tidak dapat terus bergerak dengan kecepatan yang dimilikinya pada saat gaya ditunda, karena antara lantai dan kotak ada gaya yang tidak seimbang, yang menyebabkan kecepatan menurun hingga kotak berhenti. Ini tentang gaya gesekan.

Dalam percobaan ini premis-premis hukum pertama Newton tidak terpenuhi, itu sebabnya kotak itu berhenti.

Eksperimen 2

Sekali lagi ini tentang kotak di lantai / lantai. Dalam kesempatan ini gaya dipertahankan pada kotak, sedemikian rupa untuk mengkompensasi atau menyeimbangkan gaya gesekan. Ini terjadi ketika kita mencapai bahwa kotak berlanjut dengan kecepatan konstan dan arah lurus.

Eksperimen ini tidak bertentangan dengan visi pergerakan Aristoteles: kotak bergerak dengan kecepatan konstan karena suatu gaya diberikan padanya.

Juga tidak bertentangan dengan pendekatan Newton, karena semua gaya yang bekerja pada kotak seimbang. Mari kita lihat:

Dalam arah horisontal, gaya yang diberikan pada kotak sama dan berlawanan dengan gaya gesekan antara kotak dan lantai.
Maka gaya total dalam arah horizontal adalah nol, itulah sebabnya kotak mempertahankan kecepatan dan arahnya.

Juga dalam arah vertikal gaya seimbang, karena berat kotak yang merupakan gaya yang mengarah vertikal ke bawah persis dikompensasi oleh gaya kontak (atau normal) yang diberikan lantai pada kotak secara vertikal ke atas.

Ngomong-ngomong, berat kotak itu disebabkan oleh tarikan gravitasi Bumi.

Eksperimen 3

Kami melanjutkan dengan kotak yang diletakkan di lantai. Pada arah vertikal, gaya-gaya seimbang, artinya gaya total vertikal adalah nol. Tentu akan sangat mengejutkan bahwa kotak itu bergerak ke atas. Namun dalam arah horizontal ada gaya gesekan.

Sekarang, agar premis dari hukum pertama Newton dipenuhi, kita perlu mengurangi gesekan ke ekspresi minimumnya. Kita dapat mencapai ini dengan cara yang cukup mendekati jika kita mencari permukaan yang sangat halus yang kita semprotkan minyak silikon.

Karena minyak silikon mengurangi gesekan hingga hampir nol, maka ketika kotak ini dilepaskan secara horizontal, ia akan mempertahankan kecepatan dan arahnya untuk bentangan panjang.

Ini adalah fenomena yang sama yang terjadi dengan skater di gelanggang es, atau dengan keping hoki es ketika mereka didorong dan melepaskannya sendiri.

Dalam situasi yang dijelaskan, di mana gesekan dikurangi menjadi hampir nol, gaya yang dihasilkan praktis nol dan objek mempertahankan kecepatannya, menurut hukum pertama Newton.

Dalam pandangan Aristotelian ini tidak dapat terjadi, karena menurut teori naif ini, gerakan hanya terjadi ketika ada gaya total pada objek yang bergerak.

Penjelasan hukum pertama Newton

Inersia dan massa

Massa adalah kuantitas fisik yang menunjukkan jumlah materi yang mengandung benda atau benda.

Massa adalah properti intrinsik materi. Tetapi materi tersusun dari atom-atom yang memiliki massa. Massa atom terkonsentrasi di nukleus. Adalah proton dan neutron dari nukleus yang secara praktis menentukan massa atom dan materi.

Massa biasanya diukur dalam kilogram (kg), itu adalah satuan dasar dari sistem satuan internasional (SI).

Prototipe atau referensi kg adalah silinder platinum dan iridium yang disimpan di Biro Bobot dan Ukuran Internasional di Sèvres di Prancis, meskipun pada tahun 2018 dikaitkan dengan konstanta Planck dan definisi baru mulai berlaku pada saat 20 Mei 2019

Nah, kebetulan inersia dan massa saling berhubungan. Semakin besar massa, semakin besar inersia memiliki objek. Jauh lebih sulit atau mahal dalam hal energi untuk mengubah keadaan gerak objek yang lebih masif daripada yang kurang masif.

Contoh

Misalnya, dibutuhkan lebih banyak tenaga dan lebih banyak pekerjaan untuk mendapatkan sekotak 1 ton (1000 kg) dari istirahat daripada satu kilogram (1 kg). Itulah sebabnya sering dikatakan bahwa yang pertama memiliki lebih banyak kelembaman daripada yang kedua.

Karena hubungan antara inersia dan massa, Newton menyadari bahwa kecepatan saja tidak mewakili keadaan gerak. Itu sebabnya ia mendefinisikan kuantitas yang dikenal sebagai momentum atau momentum yang dilambangkan dengan huruf p dan merupakan produk dari massa m kali kecepatan v :

p = mv

Huruf tebal dalam p dan dalam v menunjukkan bahwa mereka adalah besaran vektor fisik, artinya adalah jumlah dengan besaran, arah, dan indra.

Alih-alih massa m adalah kuantitas skalar, di mana angka ditetapkan yang bisa lebih besar atau sama dengan nol, tetapi tidak pernah negatif. Hingga saat ini tidak ada objek massa negatif telah ditemukan di alam semesta yang diketahui.

Newton mengambil imajinasinya dan abstraksi ke ekstrem, mendefinisikan apa yang disebut partikel bebas . Partikel adalah titik material. Artinya, ini seperti titik matematika tetapi dengan massa:

Partikel bebas adalah partikel yang sangat terisolasi, sangat jauh dari objek lain di alam semesta sehingga tidak ada yang dapat mengerahkan interaksi atau kekuatan di atasnya.

Kemudian Newton melanjutkan untuk mendefinisikan sistem referensi inersia, yang akan menjadi yang di mana tiga hukum geraknya diterapkan. Berikut adalah definisi menurut konsep-konsep ini:

Referensi sistem inersia

Setiap sistem koordinat yang terhubung ke partikel bebas, atau yang bergerak dengan kecepatan konstan sehubungan dengan partikel bebas, akan menjadi sistem referensi inersia.

Hukum pertama Newton (hukum kelembaman)

Jika sebuah partikel bebas, maka ia memiliki jumlah gerakan konstan sehubungan dengan sistem referensi inersia.

Latihan yang diselesaikan

Latihan 1

Keping hoki seberat 160 gram berjalan di gelanggang es dengan kecepatan 3 km / jam. Temukan jumlah pergerakan Anda.

Solusi

Massa disk dalam kilogram adalah: m = 0, 160 kg.

Kecepatan dalam meter per detik: v = (3 / 3.6) m / s = 0.8333 m / s

Momentum atau momentum p dihitung sebagai berikut: p = m * v = 0, 1333 kg * m / s,

Latihan 2

Gesekan pada cakram anterior dianggap nol, karena alasan itu momentum dipertahankan sementara tidak ada yang mengubah arah lurus cakram. Namun, diketahui bahwa dua gaya bekerja pada cakram: berat cakram dan gaya kontak atau normal yang diberikan lantai pada cakram.

Hitung nilai gaya normal dalam newton dan arahnya.

Solusi

Saat momentum dilestarikan, gaya yang dihasilkan pada keping hoki harus nol. Bobot menunjuk ke bawah secara vertikal dan valid: P = m * g = 0, 16 kg * 9, 81 m / s²

Gaya normal harus mampu menangkal bobot, sehingga harus mengarah secara vertikal ke atas dan besarnya akan menjadi 1, 57 N.