Ņūtona likumi apraksta saikni starp spēku un kustību! Pirmais Ņūtona likums saka, ka “Ķermenis atrodas miera stāvoklī vai vienmērīgā taisnlīnijas kustībā, ja uz to nedarbojas spēki vai arī spēku iedarbība savstarpēji līdzsvarojas. (1. att.)
Līdz ar to, ja visu ķermenim pielikto spēku summa ir nulle, tad ir iespējami divi gadījumi:
- ķermenis, kas atrodas miera stāvoklī, paliek nekustīgs (1. att. a);
- ķermenis turpinās savu vienmērīgo kustību pa taisnu trajektoriju ar konstantu ātrumu (1. att. b).
Piemēram, 1. att. a gadījumā uz planšetdatora ekrāna novietots irbulis. Ekrāna balsta reakcijas spēks FR kompensē smaguma spēku FG, līdz ar to irbulis atrodas miera stāvoklī, jo kopspēks ir 0.
1. att. b gadījumā irbulis tiek virzīta pa ekrānu. Var gadīties, ka vilcējspēku FV kompensē berzes spēks FB, savukārt balsta reakcijas spēks FR darbojas pretī gravitācijas spēkam FG un spēkam, kas irbuli papildus piespiež pie ekrāna. Rezultātā visos virzienos spēki ir kompensēti un irbulis atrodas vienmērīgā kustībā jeb tā ātrums ir konstants.
1. att. Pirmais Ņutona likums darbībā
Ja ķermenis ir iekustināts, tad arī pēc spēka noņemšanas tas turpina kustēties. Šo parādību sauc par inerci, bet ar to saistīto ķermeņu īpašību - par inertumu. Inerci izteikti izpaužas sadursmēs, piemēram, ja motociklists ietriecas trases norobežojumā (2.att.), tad pats braucamrīks apstājas, bet motocikla vadītājs turpina kustību!
Ja mums līdz vienādam ātrumam no miera stāvokļa jāiekustina velosipēds vai automašīna, tad automašīnas gadījumā to būs grūtāk izdarīt. Toties pēc tam automašīna būs grūtāk apturama. Šādā gadījumā pieņem, ka automāšinai ir lielāks inertums. Ikdienā mēs nesalīdzinam ķermeņu inertumu, bet gan ķermeņu masas, jo masa ir ķermeņa inertuma mērs. Jo lielāka ir ķermeņa masa, jo lielāks inertums tam piemīt.
2. att. Inerce izpausme
Otrais Ņutona likums (3. att.) nosaka to, ka ķermeņa paātrinājums ir tieši proporcionāls spēkam, kas uz to darbojas, un apgriezti proporcionāls masai, kas piemīt ķermenim: a=F/m, kur
a - paātrinājums, m/s2
F - spēks, N
m - masa, kg
Paātrinājums ir vērsts spēka darbības virzienā. Tā kā uz ķermeni reizē var darboties vairāki spēki, tad Ņutona likumā esošo spēku sauc par kopspēku. Ja pirmais Ņutona likums izpaužas tad, kad kopspēks ir nulle, tad ar otrais Ņutona likuma sāk darboties tad, kad rezultējošais spēks nav nulle.
Otro Ņutona likumu izjūt meitenes, kas grib pārmācīt uzmācīgus puišus ar somiņas vēzienu (3. att.). Jo somiņa ir smagāka, jo mazāks ir tās paātrinājums, pieliekot vienlielu spēku. Tomēr smagākai somiņai ir lielāka inerce, tādēļ pāri darītājam ar bēdīgu iznākumu var būt abi varianti (3. att.)
3. att. Otrais Ņutona likums darbībā
Trešais Ņutona likums nosaka, ka, mijiedarbojoties diviem ķermeņiem, tie viens uz otru iedarbojas ar pēc moduļa vienādu, bet pretēji vērstu spēku (4. att.). Tas nozīmē, ka katrā mijiedarbībā ir iesaistīts spēku pāris, kurā katrs no spēkie darbojas uz vienu no mijiedarbībā iesaistītajiem ķermeņiem.
Sērfošana FIZMIX lapā dažkārt var izraisīt tādu aizraušanos, ka nav laika aiziet pagulēt, tādēļ var gadīties aizmigt uz datora (4. att.). Šajā gadījumā Trešais Ņutona likums darbojas tā, ka galva ar smaguma spēku FG spiež uz datora virsmu, bet virsmas balsta reakcijas spēks FR darbojas pretī!
Treši Ņutona likumu var definēt arī tā, ka katrai darbībai ir pretdarbība.
4. att. Trešais Ņutona likums, atpūšoties uz datora
Ar pirmo Ņutona likumu mēs bieži sastopamies ikdienā un izmantojam to savā labā, piemēram, lai dabūtu cirvja galvu virsū kātam, var ar strauju kustību virzīt kātu pret stabilu virsmu. Brīdī, kad kāts atduras pret virsmu, tad cirvja galva inerces dēļ turpina kustību uz priekšu un uzlien virsū kātam (1. att.).
1. att. Izmantojot pirmo Ņutona likumu, var ļoti viegli salabot cirvi
Tāpat, ja mums ir palicis nedaudz kečupa pudelē, tad visvieglāk to dabūt ārā ir tad, ja veic strauju kustību ar pudeles atveri uz leju, un vienā brīdī kustību strauji apstādina, tad kečups inreces dēļ izkļūst no pudeles (2. att.).
2. att. Pirmais Ņutona likums mums palīdz iegūt pudelē iestrēgušos kečupa pārpalikumus
Tomēr ne vienmēr fizika strādā mūsu labā. Ja slidena ceļa apstākļos automašīna, iebraucot līkumā, zaudē saķeri ar ceļu, tad automašīna turpina kustēties taisnā virzienā, kas var beigties ar nokļūšanu grāvī (3. att.)
3. att. Pirmā Ņutona likuma negatīvās sekas
Lai atklātu noziegumus, izmanto dažādus paņēmienus. Piemēram, ja no bojātas automašīnas pil eļļa, tad pēc eļļas pēdām var noteikt gan automašīnas kustības trajektoriju, gan arī kustības raksturu un kopspēka virzienu, kas uz to darbojas. 4. attēla
pirmajā kustībā ir redzams, ka mašīnai piemīt paātrinājums kustības virzienā, līdz ar to spēks arī vērsts kustības virzienā - pa labi. Otrajā gadījumā atomašīnas ātrums samazinās, tātad spēks vērsts kustībai pretējā virzienā - pa kreisi. Trešajā gadījumā kustība ir vienmērīga, pēc pirmā Ņutona likuma kopspēks, kas darbojas uz automašīnu, ir nulle.
4. att. Vienas automašinās dažāda rakstura kustības
Otrā Ņutona izpausme tieši ir sajūtama, ja automašīnai pievieno piekabi ar kravu (5. att.). Automašīnai, attīstot to pašu vilcējspēku F bez piekabes (5. att. a), ir lielāks paātrinājums nekā tad, ja jāvelk papildus krava (5. att. b). Līdzīgu efektu var sajust arī cilvēks, jo tā fiziskais spēks un iztūrība ir ierobežoti lielumi, tādēļ cilvēks labprātāk pārvieto vieglākus priekšmetus, jo, pieliekot mazāku spēku, šim ķermenim var piešķirt lielāku paātrinājumu, tādēļ to ir vieglāk pārvietot.
5. att. Auto paātrinājums ar un bez piekabes
Ja trenējoties latviešu sportists Mairis Briedis iedarbojas uz boksa maisu ar spēku F1, tad boksa maiss uz Mairi iedarbojas ar tik pat lielu, bet pretēji vērstu spēku F2 (6. att. a). Tā pat ir arī ringā, ja Mairis Briedis iesit pretiniekam un iedarbojas uz to ar spēku F1, tad lai arī pretinieks liekas aktīvi neko nedarām, arī tas uz Mairi iedarbojas ar tik pat lielu, bet pretēji vērstu spēku F2 (6. att. b). To nosaka trešais Ņutona likums, ka, mijiedarbojoties diviem ķermeņiem, mijiedarbības spēki ir vienādi pēc lieluma, bet pretēji vērsti. Šajā gadījumā divi ķermeņi, kas mijiedarbojas, ir Maira dūre un pretinieka miesa! Šeit vietā ir pieminēt latviešu tautas teicienu: “Kā es tev, tā tu man!”
6. att. Mairis Briedis darbībā
Stumjot mašīnu (7. att.) cilvēks uz to iedarbojas ar noteiktu spēku, savukārt mašīnā darbojas pretī ar tikpat lielu spēku, tikai pretēji vērstu. Tādēļ var uzdot jautājumu vai gadījumā nav tā, ka auto un mašīna stumj viens otru?
7. att. Auto stumšana
Kosmoss ir praktiski tukša telpa, kurā nav pret ko atdurties, lai iegūtu virzošo spēku. Tomēr ir vairākas iespējas kā kosmosa kuģis var manevrēt kosmosā. Ir iespēja izmantot apkārt esošu ķermeņu gravitācijas lauku, Saules tuvumā var izmantot Saules vēja radīto spēku, bet ja vēlamo manevru nav iespējams veikt ar kādu no minētajiem veidiem, tad ir iespēja izmantot reaktīvo kustību, kas balstās uz trešo Ņutona likumu. Sadedzinot degvielu, izplūdes gāzes tiek virzītas laukā noteiktā virzienā. Izplūdes gāzu molekulas mijiedarbojas ar pašu kosmosa kuģi, līdz ar to uz kosmosa kuģi tiek radīts spēks, kas virzīts pretēji izplūdes gāzu virzienam. Tāds pats princips tiek izmantot arī kosmosa kuģa nogādāšanai kosmosā (8. att.).
Interesanta spēlīte, kurā jānosēdina kosmosa kuģis.
8. att. Kosmosa kuģa starts
Lai aprakstītu kustību, mēs izmantojam atskaites sistēmas un Ņutona likumus. Tas nozīmē, ka, izmantojot Ņutona likumus, ir jāņem vērā atskaites sistēma, kurā kustība notiek. 1. solī formulētais Ņutona likums ir spēka tikai tā sauktajās inerciālajās atskaites sistēmās bez kurāms pastāv arī neinerciālās atskaites sistēmas. Par inerciālām atskaites sistēmām sauc relatīvi nekustīgas atskaites sistēmas, piemēram, ja vilciena vagonā, kas kustas vienmērīgi paātrināti (1. att. a), elastīgā auklā iekar bumbiņu, tad ārpus vagona stāvošs novērotājs redz, ka uz bumbiņu darbojas smaguma spēks un auklas elastības spēks, kuru summa izraisa paātrinājumu kustības virzienā. Šajā gadījumā novērotājs atrodas relatīvi nekustīgā atskaites sistēmā - inerciālā atskaites sistēmā -, kas ir saistīta ar zemi. Bet ja novērotājs iekāpj vagonā, tad novērotāja koordinātu sistēma kustas līdz ar vagonu (1. att. b). Šādā gadījumā novērotājs redz, ka bumbiņas smaguma spēks un elastības spēks viens otru nekompensē, bet bumbiņa atrodas miera stāvoklī (pretrunā ar 1. Ņutona likumu).
1. att. Inerciāla un neinerciāla atskaites sistēma
Ķermeņa kustības trajektorija ir atkarīga no tā vai tas kustas inerciālā vai neinerciālā atskaites sistēmā (2. att.). Skatoties no augšas uz ripojošu bumbiņu stāvošā vai vienmērīgi kustošā vagonā, bumbiņas kustības trajektorija būs taisne (2. att. a). Ja šajā pašā virzienā bumbiņa kustēsies tad, kad vagons kustas uz priekšu ar vienmērīgu paātrinājumu, bumbiņas kustības trajektorija izliecas (2. att. b).
2. att. Ķermeņa kustības trajektorija inerciālā (a) un neinerciālā (b) atskaites sistēmā
Inerciālas un neinerciālas atskaites sistēmas atšķirības izpaužas arī rotācijas kustībā. Novērotājs no malas skatoties uz rotējoša diska novietotu objektu, redz, ka tas kustas paātrināti (centrtieces paātrinājums) un šo paātrinājumu nodrošina centrtieces spēks, kas šajā gadījumā ir berzes spēks (3. att. a). Ja novērotājs uzkāpj uz rotējoša diska, tad tagad no novērotāja skatu punkta objekts nekustas (3. att. b), bet uz to darbojas nekompensēts spēks centra virzienā. Līdz ar to var secināt, ka lai izskaidrotu ķermeņu kustību neinerciālās atskaites sistēmās, ir nepieciešams ieviest papildus spēks, kas apskatītājā piemērā kompensētu centrtieces spēku!
3. att. Inerciāla (a) un neinerciāla (b) atskaites sistēma rotācijas kustībā
Ja divi cilvēki atrodas uz nekustīgas platformas un ripina viens otram bumbu, tad bumbas kustības trajektorija ir taisne un bumbas padošana viens otram ir ļoti viegla (4. att. a). Ja platforma sāk griezties, tad bumbas trajektorija izliecas (4. att. b), līdz ar to bumbas padošana kļūst par daudz grūtāku uzdevumu. Kā jau minēts iepriekš, neinerciālās atskaites sistēmās, kāda ir 4. att. b gadījumā, ir nepieciešams kāds papildus spēks, kas izskaidro ķermeņa novirzi no taisnvirziena kustības. Rotējošu koordinātu sistēmas gadījumā tas ir Koriolisa spēks.
4. att. Kustības trajektorija nekustīgā un rotējošā atskaites sistēmā
Lai gan mēs Zemi uzskatām par nekustīgu, tā tomēr nav. Zeme atrodas dažādās kustības, tai skaitā rotē ap savu asi. Līdz ar to Zeme arī ir neinerciālā atskaites sistēma uz kuras var novērot Koriolisa spēku (5. att.). Šī spēka ietekmē ķermeņi ziemeļu un dienvidu puslodēs nolieksies pretējos virzienos (5. att. a). Koriolisa spēks ietekmē arī ūdens un gaisa masu kustību. Ja vēja virziens ir perpendilurārs Zemes rotācijas virzienam (5. att. b), tad Koriolisa efekta dēļ atmosfērā veidojas virpuļi (5. att. c).
5. att. Koriolisa spēks darbībā