뉴턴의 제 1 법칙 : 공식, 실험 및 연습 - 물리적 인 - 2025

관성의 법칙이라고도 알려진 뉴턴 의 첫 번째 법칙은 물리학 자, 수학자, 철학자, 신학자, 영국 발명가 및 연금술사 인 Isaac Newton이 처음 제안했습니다. 이 법칙은 다음과 같이 명시합니다. "물체가 어떠한 힘도받지 않거나 물체에 작용하는 힘이 서로 상쇄되면 계속해서 일정한 속도로 직선으로 움직입니다."

이 문장에서 키워드는 계속됩니다. 법의 전제가 충족되면 대상은 그대로 이동합니다. 불균형 한 힘이 나타나고 운동 상태를 변경하지 않는 한.

뉴턴의 첫 번째 법칙에 대한 설명. 출처 : 자체 제작.

즉, 물체가 정지 상태에 있으면 힘이 해당 상태에서 벗어나는 경우를 제외하고는 계속 정지합니다. 또한 물체가 일정한 속도로 직선 방향으로 움직이면 계속 그 방향으로 움직입니다. 일부 외부 에이전트가 힘을 가하고 속도를 변경할 때만 변경됩니다.

법률의 배경

아이작 뉴턴은 1643 년 1 월 4 일 영국 울스 소프 매너에서 태어나 1727 년 런던에서 사망했습니다.

Isaac Newton 경이 첫 번째 법칙을 포함하여 그의 세 가지 역학 법칙을 발견 한 정확한 날짜는 확실하지 않습니다. 그러나 1687 년 7 월 5 일 유명한 책 '자연 철학의 수학적 원리'가 출판되기 훨씬 전인 것으로 알려져 있습니다.

Royal Spanish Academy의 사전은 관성이라는 단어를 다음과 같이 정의합니다.

"힘의 작용에 의한 것이 아니라면 휴식 또는 움직임 상태를 유지하는 신체의 속성."

이 용어는 또한 상황을 달성하기 위해 노력하지 않았기 때문에 상황이 변하지 않았 음을 확인하는 데 사용됩니다. 따라서 때때로 관성이라는 단어는 일상적이거나 게으름을 의미합니다.

뉴턴 이전의 관점

뉴턴 이전에는 그리스의 위대한 철학자 아리스토텔레스 (Aristotle)의 생각이 지배적이었습니다. 그는 물체가 움직이기 위해서는 힘이 그것에 작용해야한다고 단언했습니다. 힘이 멈 추면 움직임도 멈 춥니 다. 그렇지는 않지만 오늘날에도 많은 사람들이 그렇게 생각합니다.

1564 년에서 1642 년 사이에 살았던 이탈리아의 뛰어난 천문학 자이자 물리학자인 갈릴레오 갈릴레이는 신체의 움직임을 실험하고 분석했습니다.

갈릴레오의 관찰 중 하나는 특정 초기 충동으로 매끄럽고 광택이 나는 표면에서 미끄러지는 몸체는 정지하는 데 더 오래 걸리고 몸체와 표면 사이의 마찰이 적기 때문에 직선으로 더 오래 이동한다는 것입니다.

갈릴레오는 관성에 대한 생각을 다룬 것이 분명하지만 뉴턴만큼 정확한 진술을 공식화하지 않았습니다.

아래에서는 독자가 수행하고 결과를 확증 할 수있는 몇 가지 간단한 실험을 제안합니다. 관찰은 또한 운동에 대한 아리스토텔레스 적 관점과 뉴턴 적 관점에 따라 분석 될 것입니다.

관성 실험

실험 1

상자가 바닥으로 추진 된 다음 추진력이 중단됩니다. 상자가 멈출 때까지 짧은 경로를 이동하는 것을 관찰합니다.

뉴턴 이전 이론의 틀에서 그리고 첫 번째 법칙에 따라 이전 실험과 그 결과를 해석해 봅시다.

아리스토텔레스의 비전에서 설명은 매우 분명했습니다. 상자를 움직이는 힘이 정지 되었기 때문에 상자가 멈췄습니다.

뉴턴 비전에서 바닥 /지면의 상자는 힘이 정지 된 순간의 속도로 계속 움직일 수 없습니다. 바닥과 상자 사이에는 불균형 힘이있어 속도가 상자가 멈 춥니 다. 마찰력입니다.

이 실험에서 뉴턴의 제 1 법칙의 전제가 충족되지 않아 상자가 멈췄습니다.

실험 2

다시 바닥 /지면에있는 상자입니다. 이 기회에 상자에 가해지는 힘은 마찰력을 보상하거나 균형을 맞추는 방식으로 유지됩니다. 이것은 상자가 일정한 속도로 직선 방향으로 따라갈 때 발생합니다.

이 실험은 운동에 대한 아리스토텔레스의 관점과 모순되지 않습니다. 상자는 힘이 가해지기 때문에 일정한 속도로 움직입니다.

또한 상자에 작용하는 모든 힘이 균형을 이루기 때문에 Newton의 접근 방식과 모순되지 않습니다. 보자 :

• 수평 방향에서 상자에 가해지는 힘은 상자와 바닥 사이의 마찰력과 같고 반대 방향입니다.
• 따라서 수평 방향의 순 힘은 0입니다. 이것이 상자가 속도와 방향을 유지하는 이유입니다.

수직 방향으로도 힘이 균형을 이룹니다. 왜냐하면 수직으로 아래쪽을 향하는 힘인 상자의 무게는지면이 상자에 수직으로 위쪽으로 가하는 접촉 (또는 수직) 힘에 의해 정확하게 보상되기 때문입니다.

그건 그렇고, 상자의 무게는 지구의 중력에 의한 것입니다.

실험 3

우리는 바닥에 놓인 상자를 계속합니다. 수직 방향에서 힘은 균형을 이룹니다. 즉, 순 수직 힘은 0입니다. 상자가 위쪽으로 이동하면 확실히 놀랄 것입니다. 그러나 수평 방향에는 마찰력이 있습니다.

이제 뉴턴의 첫 번째 법칙이 충족되기 위해서는 마찰을 최소한의 표현으로 줄여야합니다. 이것은 우리가 실리콘 오일을 뿌릴 매우 매끄러운 표면을 찾으면 상당히 대략적으로 얻을 수 있습니다.

실리콘 오일은 마찰을 거의 0으로 줄여주기 때문에이 상자를 수평으로 던지면 오랜 시간 동안 속도와 방향을 유지합니다.

아이스 링크의 스케이터 나 아이스 하키 퍽이 스스로 추진하여 풀릴 때 발생하는 것과 같은 현상입니다.

마찰이 거의 0으로 감소 된 상황에서, 결과적인 힘은 사실상 0이고 물체는 뉴턴의 제 1 법칙에 따라 속도를 유지합니다.

이 순진한 이론에 따르면 운동은 움직이는 물체에 순 힘이있을 때만 발생하기 때문입니다.

동결 된 표면은 매우 낮은 마찰로 간주 될 수 있습니다. 출처 : Pixabay.

뉴턴의 제 1 법칙 설명

관성과 질량

질량은 몸이나 물체에 포함 된 물질의 양을 나타내는 물리량입니다.

질량은 물질의 내재적 속성입니다. 그러나 물질은 질량을 가진 원자로 이루어져 있습니다. 원자의 질량은 핵에 집중되어 있습니다. 원자와 물질의 질량을 실질적으로 정의하는 것은 핵의 양성자와 중성자입니다.

질량은 일반적으로 킬로그램 (kg)으로 측정되며 국제 단위계 (SI)의 기본 단위입니다.

kg의 프로토 타입 또는 참조는 2018 년에 플랑크 상수와 연결되어 새로운 정의가 발효되었지만 프랑스 세브 르의 국제 도량형 사무소에 보관되어있는 백금 및 이리듐 실린더입니다. 2019 년 5 월 20 일.

글쎄, 관성과 질량은 관련이 있습니다. 질량이 클수록 물체의 관성이 커집니다. 덜 무거운 물체보다 더 큰 물체의 운동 상태를 변경하는 것은 에너지 측면에서 훨씬 더 어렵거나 비용이 많이 듭니다.

예

예를 들어, 1kg (1kg) 상자보다 1 톤 (1000kg) 상자를 휴지 상태에서 들어 올리려면 훨씬 더 많은 힘과 작업이 필요합니다. 그렇기 때문에 첫 번째 것이 두 번째 것보다 더 많은 관성이 있다고 종종 말합니다.

관성과 질량 사이의 관계로 인해 Newton은 속도만으로는 운동 상태를 대표하지 않는다는 것을 깨달았습니다. 그래서 그는 문자 p 로 표시되고 질량 m과 속도 v 의 곱인 운동량 또는 운동량으로 알려진 양을 정의했습니다 .

p = m v

p 와 v 의 굵은 체 는 벡터 물리량, 즉 크기, 방향 및 감각이있는 양임을 나타냅니다.

반면에, 질량 m은 스칼라 수량이며, 여기에 0보다 크거나 같을 수 있지만 음수가 아닐 수있는 숫자가 할당됩니다. 지금까지 알려진 우주에서 음의 질량의 물체는 발견되지 않았습니다.

뉴턴은 그의 상상력과 추상화를 극한까지 끌어 올려 이른바 자유 입자를 정의했습니다. 입자는 재료 점입니다. 즉, 수학적 점과 같지만 질량이 있습니다.

자유 입자는 우주의 다른 물체와 너무 멀리 떨어져있어 상호 작용이나 힘을 가할 수없는 입자입니다.

나중에 Newton은 그의 세 가지 운동 법칙이 적용되는 관성 기준 시스템을 정의했습니다. 이러한 개념에 따른 정의는 다음과 같습니다.

관성 기준 시스템

자유 입자에 부착되거나 자유 입자에 대해 일정한 속도로 움직이는 좌표계는 관성 참조 시스템이됩니다.

뉴턴의 제 1 법칙 (관성 법칙)

입자가 자유롭다면 관성 기준 좌표계에 대해 일정한 운동량을 갖습니다.

뉴턴의 첫 번째 법칙과 운동량. 출처 : 자체 제작.

해결 된 운동

연습 1

160g의 하키 퍽이 3km / h의 속도로 아이스 링크에 올라갑니다. 그 추진력을 찾으십시오.

해결책

킬로그램 단위의 디스크 질량은 m = 0.160 kg입니다.

초당 미터 단위의 속도 : v = (3 / 3.6) m / s = 0.8333 m / s

운동량 또는 운동량 p는 다음과 같이 계산됩니다. p = m * v = 0.1333 kg * m / s,

연습 2

전방 디스크의 마찰은 0으로 간주되므로 디스크의 직선 경로를 변경하지 않는 한 운동량이 유지됩니다. 그러나 두 가지 힘이 디스크에 작용하는 것으로 알려져 있습니다. 디스크의 무게와 바닥이 가하는 접촉 또는 수직 힘입니다.

뉴턴 단위의 수직력 값과 방향을 계산합니다.

해결책

운동량이 보존되기 때문에 하키 퍽에 가해지는 힘은 0이어야합니다. 무게는 수직으로 아래쪽을 가리키며 유효합니다 : P = m * g = 0.16 kg * 9.81 m / s²

수직력은 반드시 무게를 상쇄해야하므로 수직으로 위쪽을 향해야하며 크기는 1.57N이됩니다.

관심 기사

실생활에서 뉴턴의 법칙의 예.

참고 문헌

1. Alonso M., Finn E. Physics volume I : Mechanics. 1970. Fondo Educativo Interamericano SA
2. Hewitt, P. 개념 물리 과학. 다섯 번째 판. 피어슨. 67-74.
3. 영, 휴. 현대 물리학과 대학 물리학. 14th Ed. Pearson. 105-107.