Mitä Newtonin liikelait sanovat?
Newtonin liikelait, joita kutsutaan myös newtonilaiseksi mekaniikaksi tai klassiseksi mekaniikaksi, ovat usein käytössä mekaniikan tehtävien ratkaisemisessa. Toisin sanoen ne ovat hyvin tuttuja lukiolaisille, etenkin niille, jotka valmistautuvat ylioppilaskirjoituksiin tai niiden jälkeisiin pääsykokeisiin. Tässä on tärkeää tietoa näistä kuuluisista Newtonin laeista.
Mitkä ovat Newtonin lait?
Newtonin liikelait ovat hyvin tunnettuja fysiikan periaatteita. Ne on tietenkin laatinut brittiläinen matemaatikko ja fyysikko Sir Isaac Newton. Ne julkaistiin ensimmäisen kerran vuonna 1687 hänen teoksessaan Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, ja niitä on yhteensä kolme. Mistä niissä tarkalleen ottaen on kyse?
Itse asiassa ne ovat yleisiä sääntöjä, jotka koskevat eri esineiden liikettä maailmankaikkeudessa. Newtonin teoriat tarjoavat siis selkeämmän selityksen Aristoteleen kuvaamalle liikkeen luonteelle. On syytä mainita, että tämä suuri brittiläinen fyysikko käytti yksinkertaisia matemaattisia kaavoja.
Newtonin liikelait eivät ole pelkkiä teorioita. Ne pätevät todellisessa maailmassa. Ne ovat mahdollistaneet monien osaamisalueiden kehittymisen. Esimerkiksi avaruusalusten navigoinnissa käytettävät tekniikat perustuvat juuri näihin kuuluisiin Newtonin liikelakeihin. Sama pätee myös biljardipelaajien liikkeisiin.
Newtonin kolme lakia
Kuten aiemmin mainittiin, Newton esitti kolme selvästi erillistä lakia. Tutustu niihin.
Ensimmäinen laki
Newtonin ensimmäisen lain alkuperäisen muotoilun mukaan ”Jokainen kappale pysyy levossa tai tasaisessa suoraviivaisessa liikkeessä, ellei jokin voima vaikuta siihen ja pakota sitä muuttamaan tilaansa”.
Käytännössä tämä laki tarkoittaa, että kappale tai esine pysyy paikallaan, ellei siihen kohdistu voimaa. Vastaavasti liikkuva esine pyrkii säilyttämään saman nopeuden, ellei siihen kohdistu voimaa, kuten kitkaa tai painovoimaa.
Jos siis heität pallon tyhjään tilaan, se liikkuu samalla nopeudella, ellei siihen kohdistu tuulen voimaa tai jonkin toisen kappaleen, kuten puun, voimaa. Tätä Newtonin teoriaa kutsutaan inertialakiksi tai inertiaperiaatteeksi.
Toinen laki
Sitä kutsutaan dynamiikan perusperiaatteeksi, ja se ilmaistaan seuraavalla matemaattisella kaavalla: Σ F = ma. F edustaa voimaa, m esineen massaa ja esineen kiihtyvyyttä.
Tämän kaavan avulla Newton selittää muutokset, joita voima voi aiheuttaa esineen liikkeessä. Tarkemmin sanottuna, kun voima vaikuttaa kappaleeseen, se aiheuttaa nopeuden muutoksen, erityisesti kiihtyvyyden.
On syytä huomata, että esineeseen voi kohdistua erilaisia voimia. Tällaisia ovat esimerkiksi kitka-, painovoima- ja sähkömagneettiset voimat. Kun nämä otetaan huomioon, kaavaa voidaan käyttää erilaisten ongelmien ratkaisemiseen. Siksi dynamiikan perusperiaatetta pidetään tärkeimpänä fysiikan laina.
Jotta ymmärtäisit tämän paremmin, otetaan esimerkkinä kaksi pyöreää esinettä. Toinen on pieni kumipallo ja toinen keilapallo. Jotta nämä kaksi esinettä pyörisivät samalla nopeudella, keilapalloa on työnnettävä suuremmalla voimalla, koska sen massa on suurempi. Tämä työntövoima on siis aiheuttanut keilapallon nopeuden kiihtymisen.
Jos molemmat pallot vierivät mäkeä alas ja osuvat seinään, törmäys ei ole sama. Keilapallon törmäys on voimakkaampi ja aiheuttaa enemmän vahinkoa, koska se on painavampi.
Kolmas laki eli toiminta-reaktio-periaate
Isaac Newtonin mukaan ”Toiminta on aina yhtä suuri kuin reaktio”, eli kahden kappaleen toisiinsa kohdistamat voimat ovat aina yhtä suuret ja vastakkaissuuntaiset. Selkeästi ilmaistuna voidaan ottaa esimerkki kahdesta vuorovaikutuksessa olevasta esineestä. Niitä kutsutaan nimillä A ja B. Jos kappale A kohdistaa voiman kappaleeseen B, päinvastoin pätee myös.
Jotta voisi paremmin ymmärtää tämän Newtonin lain, riittää tarkastella ampuma-aseen rekyyliä. Kun luoti lähtee piipusta, ase liikkuu vastakkaiseen suuntaan. Sama fysikaalinen ilmiö tapahtuu, kun lasket kirjan pöydälle. Pöytä kohdistaa voiman kirjaan, ja kirja kohdistaa voiman pöytään.
Newtonin lait käytännössä
Milloin on sovellettava Newtonin ensimmäistä, toista vai kolmatta lakia? Yleensä inertiaperiaatetta sovelletaan, kun järjestelmän painopiste liikkuu tasaisesti suoraviivaisesti, kuten Newtonin heilurissa.
Toista lakia puolestaan sovelletaan, kun kappaleen painopisteen liikerata ei ole suora viiva tai kun sen nopeus ei ole vakio. Sen avulla voidaan selvittää kappaleen liikkeen kehitys, kun tiedetään siihen vaikuttavien voimien suuruudet, ja määrittää siten sen liikesuunta. Kolmatta lakia käytetään puolestaan kappaleen voimavektorin ominaisuuksien selvittämiseen.
