Pierwsza zasada dynamiki — bezwładność

około 12 minut

W tej lekcji1/9

Autobus rusza z przystanku i wszyscy pasażerowie odchylają się do tyłu. Ale przecież nikt ich nie popchnął! Żadna ręka, żadna siła. Skąd więc ten ruch?

Pierwsza zasada dynamiki Newtona

Newton zauważył coś, czego nikt przed nim nie dostrzegł. Jeśli na ciało nie działa żadna siła albo działające siły się równoważą, to ciało:

Siły równoważą się — wypadkowa zero, ruch bez zmian

- pozostaje w spoczynku, jeśli wcześniej stało,
- albo porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym — po linii prostej, ze stałą prędkością.

Warunek zapisujemy krótko:

$F_w = 0$

Słowo klucz to dopóki. Taki stan trwa dopóty, dopóki nie pojawi się niezrównoważona siła. Sam ruch nie potrzebuje niczego, żeby trwać.

Bezwładność — opór przed zmianą

Ciało samo z siebie nie chce zmieniać swojego ruchu. Ten opór nazywamy bezwładnością.

Miarą bezwładności jest masa. Im większa masa, tym większa bezwładność — tym trudniej ciało rozpędzić i tym trudniej je zatrzymać.

Pusty wózek sklepowy o masie $m = 15\text{ kg}$ pchniesz jednym palcem. Ten sam wózek pełen zakupów, $m = 60\text{ kg}$ , stawia dużo większy opór. Podłoga i koła są te same — zmieniła się tylko masa.

Autobus rusza — co się naprawdę dzieje

1
Stoisz w autobusie na przystanku. Autobus stoi, ty stoisz. Siły działające na ciebie się równoważą.
$F_w = 0$
2
Kierowca rusza. Silnik przyspiesza autobus. Ale na twoje ciało nikt nie działa siłą do przodu — buty tylko lekko ślizgają się po podłodze.
3
Twoje ciało robi dokładnie to, co mówi pierwsza zasada: zachowuje swoją prędkość, czyli zostaje w spoczynku. Podłoga ucieka do przodu spod twoich stóp.
4
Stopy jadą już z autobusem, a tułów jeszcze nie. Dlatego odchylasz się do tyłu.
Wskazówka
Nie ma żadnej tajemniczej siły do tyłu. Jest tylko ciało, które nie zdążyło zmienić prędkości.

Wszystkie kroki za Tobą!

Twoja kolej

Sztuczka z obrusem: szarpiesz obrus jednym błyskawicznym ruchem, a talerze i szklanki zostają na stole. Dlaczego naczynia nie pojechały razem z obrusem?

Pułapka! Siła nie jest potrzebna do utrzymania ruchu

To najczęstszy błąd w całej dynamice. Brzmi tak: żeby coś jechało, trzeba je stale pchać. Przecież rower zwalnia, gdy przestaniesz pedałować.

Pasy i zagłówki — bezwładność w praktyce

1
Samochód jedzie z prędkością 50 km/h i uderza w przeszkodę. Auto zatrzymuje się w ułamku sekundy.
$v = 50\text{ km/h} \approx 14\text{ m/s}$
2
Twoje ciało nie ma powodu, żeby zwolnić razem z autem. Zgodnie z pierwszą zasadą leci dalej z prędkością 14 m/s w stronę szyby.
3
Pas bezpieczeństwa jest właśnie tą siłą, która zatrzymuje ciało razem z samochodem. Bez pasa nic tej prędkości nie zabiera.
4
Przy uderzeniu od tyłu dzieje się odwrotnie: fotel pcha tułów do przodu, a głowa zostaje w tyle. Zagłówek zabiera głowę razem z resztą ciała.
Wskazówka
Konstruktorzy aut projektują je dokładnie pod pierwszą zasadę dynamiki.

Wszystkie kroki za Tobą!

Twoja kolej

Sonda kosmiczna leci daleko od gwiazd i planet, z wyłączonym silnikiem. Czy jej prędkość maleje?

Ściąga do zapamiętania

Co mówi pierwsza zasada dynamiki?

Jeśli na ciało nie działa żadna siła albo siły się równoważą (Fw = 0), to ciało pozostaje w spoczynku ALBO porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym. Bezwładność to opór ciała przed zmianą ruchu — im większa masa, tym większa bezwładność. Siła jest potrzebna do ZMIANY ruchu, nie do jego podtrzymania.

Sprawdź się!

Na rysunku pokazano wszystkie siły działające na wagonik toczący się po idealnie gładkim, poziomym torze. Nikt go nie popycha. Co się z nim stanie?

Wszystkie siły działające na wagonik

Sonda kosmiczna wyłącza silnik z dala od planet i gwiazd. Co się dzieje z jej prędkością?

Dwa wózki jadą z tą samą prędkością, a ich masy odczytasz z wykresu. Który z nich trudniej zatrzymać?

Autobus gwałtownie hamuje — na rysunku widać siłę hamowania przyłożoną do autobusu. Pasażerowie wychylają się do przodu. Dlaczego?

Hamowanie: siła hamująca przyłożona do autobusu

Popchnięta piłka toczy się po boisku i po chwili staje. Co jest tego przyczyną?

Następny temat

Druga zasada dynamiki Newtona