Hans / Pixabay

1. Newtonov zákon I

Pomôcky: valcové závažia 100 g, podložky s rôznym koeficientom trenia, tvrdý papier na nájazdovú rampu a podložka rampy s výškou zodpovedajúce hrúbke kriedy Vieme, že pohyb súvisí s pôsobením síl (keď chceme, aby sa niečo začalo alebo prestalo pohybovať, musíme do toho strčiť) ⇒ skúsime preskúmať, ako presne táto súvislosť
vyzerá.
Dnešná hodina je základným fyzikálnym problémom, ktorého úspešné vyriešenie na začiatku 17. storočia odštartovalo jej obrovský rozvoj (a rozvoj techniky).
Súvislosť medzi silou a pohybom študovali vedci od pradávna a už od staroveku ho považovali za vyriešený, ako sa ukázalo v 17. storočí, vyriešený bol zle. Pre nás to znamená, že musíme byť veľmi opatrní.
Pr. 1: Na stole leží krabička. Čo musíme urobiť, aby sa dala do pohybu? Prečo sa potom krabička pohybuje?
Musíme do krabičky strčiť. Krabička sa pohybuje, pretože na ňu pôsobí sila ruky.
Pr. 2: Sformulujte, ako ý je vzťah medzi silou ruky a pohybom krabičky. Pokiaľ pôsobí sila ruky, krabička sa pohybuje.
Pr. 3: Sleduj pohyb krabičky po rôznych spôsoboch strkanie rúk. Platí Tvoj predchádzajúcej záver?
Náš predchádzajúci záver neplatí vždy. Pokiaľ do krabičky strčíme viac, chvíľu sa pohybuje, aj keď do nej rúk už nestrkáme.
Pr. 4: Nakresli do obrázka sily, ktoré pôsobia na krabičku po tom, čo do nej už rúk nestrkáš a ona sa ešte pohybuje.
1
Súčet gravitačné sily a sily podložky je nulový (sily sa navzájom vyrušia) ⇒ výsledná sila, ktorá pôsobí na škatuľku je rovná trecie sile a pôsobí teda proti smeru pohybu krabičky. V tejto časti pohybe sa krabička chová presne opačne ako sme ešte pred chvíľu predpokladali.
• Náš predpoklad: predmety sa pohybujú tam, kam ich tlačí vonkajšia sila.
• Skutočnosť: krabička sa pohybuje opačným smerom ako na neho tlačí vonkajšie (trecia sila).
Dodatok: Použitie valčeka na nasledujúce pokus nie je celkom korektné, pretože sa okrem posuvného pohybu i otáča. Postupoval som týmto spôsobom však mnohokrát a nikdy sa u žiakov neobjavili žiadne nejasnosti.
Budeme sa situáciou, ktorá nastáva počas brzdenia zaoberať podrobnejšie.
Vykonáme dve zmeny:
• miesto krabičky budeme sledovať kotúľajúce sa valček, pretože zastavuje pomalšie a máme dlhší čas pozorovať, čo sa deje,
• do valčeka nebudeme strkať prstom, ale budeme ho púšťať zo šikmého nájazdu (tým dosiahneme to, že na začiatku vodorovného pohybu bude mať valček vždy rovnakú rýchlosť.
Počas jazdy po vodorovnej rovine pôsobí na valček iba trecia sila ⇒ budeme zmenšovať veľkosť trecie sily medzi valčekom a podložkou a sledovať, ako sa mení pohyb valčeka. Nájdeme si niekoľko rôznych povrchov a pomocou silomeru a krabičky sa presvedčíme, ako sa
mení trenie, ktorým brzdí predmety, ktoré sa po nich pohybujú.
Získame napríklad takúto postupnosť povrchov (od najväčšieho trenia k najmenšiemu): molitan, chlpatý koberec, hrubý sololit, leštený sololit.
Pedagogická poznámka: Opäť nie je nutné študentmi o poradí povrchov podľa veľkosti trenia presviedčať.
Valček postupne púšťame zo stále rovnakého nájazde tak, aby sa pri vodorovnej časti pohybu, kotúľal po rôznych povrchoch. ⇒ Pri každom zmenšení trecie sily sa predĺži dráha, ktorú valček prejde než zastaví. Nemáme k dispozícii lepšie povrch ako sklo ⇒ myšlienkový pokus:
• Pustili sme valček po molitanu, zastavil sa na určitej dráhe.
• Pustili sme valček po koberci, tým sme znížili trenie a on došiel ďalej.
• Pustili sme valček po hrubom sololitu, tým sme opäť znížili trenie a on došiel ešte ďalej.
• Ako by sa zmenila dráha valčeka na kvalitnejšom povrchu ako je hrubý sololit? dráha valčeka sa opäť zväčší.
Rozhodujúci okamih:
Predstavme si, že budeme trecie silu stále zmenšovať ⇒ dráha, ktorú prejde valček, bude stále dlhšie a dlhšie.
Pr. 5: Čo sa stane, keď valček nebude brzdiť žiadne trenie ani iné sily pôsobiace proti smeru jeho pohybu (odpor vzduchu, …)?
Dve možnosti:
• Valček aj s nulovým trením na nejaké (treba veľa dlhé) dráhe zastaví.
• V okamihu, keď valček nebude nič brzdiť, sa valček bude pohybovať stále ďalej a ďalej až do nekonečna. Valček, ktorý nebrzdí žiadna sila, nebude spomaľovať. Oba závery sú divné, ale druhý je pravdepodobnejšie (keby platil prvý musel by nastať okamih, že by sme zmenšili brzdiaci silu a pri tom by sa nepredĺžil dojazd).
Valček, na ktorý nepôsobí žiadne sily, alebo výslednica pôsobiacich síl je nulová, sa pohybuje priamočiaro stále rovnakou rýchlosťou a nikdy sa nezastaví.
Pedagogická poznámka: Ak budete argumentovať vyššie uvedeným spôsobom, podarí sa Vám študentov presvedčiť asi pomerne ľahko (v mojich hodinách volí zlú odpoveď len jednotlivci). Tým je však splnená len menšiu časť úlohy, pretože pri riešení príkladov
z praxe sa väčšina študentov začne podvedome vracať k aristotelovskému poňatie. Prečo je tento záver tak ťažko prijateľný?
V našom okolí neexistujú žiadne predmety, na ktoré by nepôsobili žiadne sily. na všetky predmety z našej skúsenosti pôsobí trecia sila (alebo odpor vzduchu, alebo oboje). Preto keď na ne prestaneme pôsobiť v smere ich pohybu, postupne zastaví.
Náš záver sa neopisuje bezprostredné správanie predmetov, s ktorými sa bežne stretávame, pretože na ne brzdiaci sily pôsobia.
Na čo je výsledok, ktorý opisuje správanie predmetov, s ktorými sa bežne nestretneme? Týmto výsledkom sme pochopili, akým spôsobom sa pohybujú predmety v najjednoduchšom možnom prípade (bez pôsobenia síl alebo s nulovou výslednicou) ⇒ máme väčšiu šancu pochopiť, ako sa predmety správajú v zložitejších situáciách (s nenulovú výslednicou).
1. Newtonov pohybový zákon:
Teleso, na ktorý pôsobia sily, ktorých výslednica je nulová, sa pohybuje rovnomerne priamočiaro alebo zostáva v pokoji.
Iná formulácia:
Každé teleso zotrváva v pokoji alebo v rovnomernom priamočiarom pohybe, pokiaľ nie je nútené vonkajšími silami tento stav zmeniť.
Pr. 6: Nájdi predmety, ktoré sa dlhodobo pohybujú stále rovnakým spôsobom, bez toho aby na ne pôsobila sila v smere ich pohybu.
Napríklad Mesiac sa otáča okolo Zeme po približne kruhovej dráhe, stále rovnakou rýchlosťou. vo smeru jeho pohybu na neho nepôsobí žiadna sila, pretože gravitačná sila od Zeme pôsobí do jeho
stredu, kolmo k jeho dráhe.
Podobne obieha Zem okolo Slnka, družice okolo Zeme.
Kozmické sondy pre prieskum vonkajších častí slnečnej sústavy sa pohybujú s vypnutými motory desiatky rokov a doteraz sa nezastavili (ich rýchlosť sa však kvôli priťahovanie Slnka
pomaly zmenšuje, napriek tomu je Slnko už nikdy nezastaví).
Pr. 7: Existuje situácia, za ktoré sa v bežnom živote, trenie výrazne zmenší a my môžeme pozorovať pohyb predmetov za situácie, ktorá pripomína predpoklady 1. Newtonovho
zákona.
Pri poľadovici sa chvíľkovo ocitáme v situáciách, kedy nám príroda takmer doslovne demonštruje platnosť 1. Newtonovho zákona:
• Ak ideme, nemôže sa ihneď zastaviť ani zatočiť.
• Stojaca auto sa nemôže rozbehnúť.
• Idúce auto nemôže zastaviť ani zatočiť.
Trenie je veľmi malé ⇒ výsledná sila, ktorá na nás pôsobí je veľmi malá ⇒ zotrvávame v rovnomernom priamočiarom pohybe alebo v pokoji.
Ak teleso zostáva v pokoji alebo v rovnomernom priamočiarom pohybe, znamená to, že zotrváva v stále rovnakom pohybovom stave ⇒ 1. Newtonov zákon sa často nazýva zákon zotrvačnosti.
⇒ Zotrvačnosť nie je sila, ale základné tendencie všetkých hmotných predmetov, zachovávať svoj pohybový stav.
Pr. 8: Ako sa prejaví zotrvačnosť telies pri jazde autobusom v zákrute? Ako sa prejavuje pri
brzdenie?
Zatáčania: Pasažier si chce uchovať svoj pohybový stav ⇒ chce sa pohybovať priamočiaro ⇒ má pocit, že ho niečo tlačí k von zo zákruty.
Brzdenie: Pasažier si chce uchovať svoj pohybový stav ⇒ chce sa pohybovať stále rovnakú rýchlosťou dopredu ⇒ má pocit, že ho niečo dvíha zo sedadla (stojaci sa musí držať, aby nepadol
smerom dopredu).
Pr. 9: Prečo sa musí v automobiloch používať bezpečnostné pásy?
Pri náraze automobil veľmi rýchlo zabrzdí, ale cestujúci majú podľa zákona zotrvačnosti tendenciu pokračovať v rovnomernom priamočiarom pohybe ⇒ preletí predným sklom a vyletí
von z automobilu. ⇒ Musia byť pripútanie pásmi, ktoré na cestujúcich pôsobí silou potrebnou na to, aby zabrzdili s autom.
Dodatok: Sily potrebné na zastavenie cestujúceho s narážejícím automobilom sú obrovské, zodpovedajú hmotnosti niekoľkých ton a je úplne vylúčené, aby sa v takejto situácii cestujú „nejako udržal sám“.
Pr. 10: Keď nesieš tanier s polievkou nemôžeš ani rýchlo rozísť ani rýchlo zastaviť. Prečo? čo by sa stalo, keby si to urobil?
Keď budem stáť a pokúsim sa rýchlo rozísť, polievka vytečie smerom ku mne, pretože podľa zákona zotrvačnosti zostáva stáť (nie je pevne primontovaná k tanieru a nepôsobí na nej sila, ktorá by ju
uviedla do pohybu ako sila našich rukách, ktorá rozhýbe tanier).
Keď s polievkou idem a rýchlo zastavím nastáva opačná situácia. Polievka vytečie smerom odo mne dopredu v smere, ktorým som išiel.
Zhrnutie: Ak na predmet pôsobí nulová výsledná sila, zostáva v pokoji alebo sa pohybuje rovnomerne priamočiaro (zachováva si svoj pohyb).

Pridaj komentár

Vaša e-mailová adresa nebude zverejnená. Vyžadované polia sú označené *