Föremål motarbetar förändring

Newtons första lag

Ett föremål i vila förblir i vila, och ett föremål i rörelse förblir i rörelse med samma hastighet och i samma riktning — om det inte påverkas av en obalanserad kraft.

Denna egenskap kallas tröghet. Allt i universum motarbetar förändringar i sin rörelse.

En bok som sitter på ett bord kommer att sitta där för alltid om inte något knuffar den. En hockeypuck som glider på friktionsfri is skulle glida för alltid i en rak linje om inte något stoppar den.

Detta var revolutionerande. Innan Newton antog människor att föremål naturligt saktar ned. Newton insåg att saktning inte är naturlig — det händer bara på grund av krafter som friktion och luftmotstånd.

Tröghet i vardagen

Du upplever tröghet varje dag

Säkerhetsbälten existerar på grund av tröghet. När en bil stannar plötsligt, stoppar du inte med bilen — din kropp fortsätter röra sig framåt i bilens ursprungliga hastighet. Säkerhetsbältet är den obalanserade kraft som stoppar dig.

Bordsdukartrixen fungerar på grund av tröghet. Tallrikarna är i vila och motstår att röras. Om du drar tygdockan snabbt nog hinner friktionen inte accelerera tallrikarna, och de förblir på plats.

En fotboll på marken förblir perfekt stilla tills någon sparkar den. Den har inget behov av att röra sig, ingen tendens att röra sig. Den är helt likgiltig.

Kraft är lika med massa gånger acceleration

Newtons andra lag

Kraft är lika med massa gånger acceleration: F = ma

Detta är den mest användbara ekvationen inom all fysik. Den berättar tre saker samtidigt:

1. Ju mer kraft du applicerar på ett föremål, desto mer accelererar det (går snabbare, saktar ner eller ändrar riktning).

2. Ju mer massa ett föremål har, desto mindre accelererar det för samma kraft.

3. Om du känner till två av de tre värdena — kraft, massa eller acceleration — kan du beräkna den tredje.

Massa är hur mycket materia ett föremål innehåller. Det mäts i kilogram.

Acceleration är hur snabbt hastigheten förändras. Det mäts i meter per sekund i kvadrat (m/s²).

Kraft mäts i Newton (N) — ja, enheten är uppkallad efter honom.

Tillämpning av F = ma

Att knuffa vagnar

Tänk på detta scenario: du är i en livsmedelsbutik. Du knuffar en tom livsmedelsväska och den rullar lätt. Sedan fyller du väskan med tunga livsmedel och knuffar med samma kraft.

Varje aktion har en lika motsatt reaktion

Newtons tredje lag

För varje aktion finns det en lika och motsatt reaktion.

Detta innebär att krafter alltid kommer i par. Du kan inte knuffa utan att bli knuffad tillbaka.

När du går knuffar din fot bakåt på marken, och marken knuffar framåt på dig. Denna framåtriktade knuff är det som för dig framåt.

När en raket lanseras knuffar den inte mot marken eller luften. Den kastar het gas nedåt med enormt höga hastigheter, och gasen knuffar tillbaka på raketen med lika kraft — uppåt.

När du simmar knuffar dina händer vatten bakåt, och vattnet knuffar dig framåt.

Krafterna är alltid lika stora och motsatta i riktning. Alltid.

Att hoppa på jorden

En tankeväckande fråga

När du hoppar knuffar dina ben nedåt på jorden. Enligt Newtons tredje lag knuffar jorden uppåt på dig med lika kraft — det är det som för dig upp i luften.

Men här kommer den märkliga delen: om du knuffar nedåt på jorden, och jorden knuffar uppåt på dig, då är krafterna lika. Du flyger uppåt. Så jorden borde röra sig nedåt.

Universell gravitation

Newtons lag för universell gravitation

Newton insåg att samma kraft som får ett äpple att falla från ett träd är samma kraft som håller månen i omloppsbana omkring jorden.

Varje föremål med massa attraherar varje annat föremål med massa. Attraktionens styrka beror på två saker:

1. Massa: mer massiva föremål drar hårdare.

2. Avstånd: föremål längre bort drar svagare. Kraften minskar med kvadraten på avståndet — dubbelt så långt betyder en fjärdedel av dragningen.

Vikt kontra massa

Massa är mängden materia i dig. Det förändras inte oavsett var du är.

Vikt är kraften från gravitation som drar på din massa. Det förändras beroende på var du är.

På månen har du samma massa men en sjättedel av vikten, eftersom månens gravitation är svagare.

Varför faller inte månen?

Det faller — konstant. Men det rör sig också åt sidan så snabbt att när det faller lite, har jordens yta böjt sig bort under det. Det fortsätter falla och fortsätter att missa. Det är vad en omloppsbana är: att falla och missa marken för alltid.

Viktlös men inte fri från gravitation

Rymdstationspusslet

Astronauter på den internationella rymdstationen flyter omkring som om de är viktlösa. Du har förmodligen sett videoerna — de tumlar, vatten bildar flytande klumpar, och ingenting faller.

Här är den överraskande faktan: ISS kretsar omkring cirka 400 km ovan jordens yta. Vid denna höjd är gravitation fortfarande omkring 90% så stark som den är på ytan.

Newtons lagar i den verkliga världen

Krafter inom teknik och sport

Varje struktur, fordon och sport på jorden följer Newtons lagar.

Broar måste balansera alla krafter för att stå stilla (första lagen). Ingenjörer beräknar vikten på trafiken (andra lagen) och säkerställer att varje stöd knuffar tillbaka med lika kraft (tredje lagen).

Raketer fungerar rent genom tredje lagen — kastar massa i en riktning för att accelerera i en annan. Det finns ingen luft att knuffa mot i rymden. Avgaserna går ner; raketen går upp.

Sport är tillämpad fysik. Ett baseballträ överför kraft till en boll (andra lagen). En sprinter knuffar bakåt på startblocken och blocken knuffar dem framåt (tredje lagen). En hockeypuck glider över is med minimal friktion, vilket demonstrerar första lagen.

Varje gång en ingenjör designar en bil, en bro eller en rymdfarkost löser de Newtons ekvationer.

Fysik i din favoriticalsport

Din tur

Tillämpa nu det du har lärt dig.