2.1 Newtonove pohybové zákony | Druhý Newtonov pohybový zákon 2/4 |
Hmotnosť
a hybnosť
Z bežnej skúsenosti vieme, že ak
pri bicyklovaní po vodorovnej ceste prestaneme šľapať na pedále bicykla po
čase za zastaví. V predchádzajúcej časti sme sa dozvedeli, že každé teleso má schopnosť pokračovať (zotrvávať)
v svojom pohybovom stave a táto vlastnosť sa nazýva zotrvačnosť.
Je to objektívna vlastnosť všetkých telies, ktorá sa prejavuje tým, že
(1) pri rovnakom vonkajšom pôsobení nedochádza k rovnakej zmene pohybového
stavu alebo, že (2) k rovnakej zmene pohybového stavu rôznych telies je potrebné
rôzne veľké silové pôsobenie. Zotrvačnosťou sa teleso akoby ,,bráni“
proti zmene svojho prirodzeného pohybového stavu. Kvantitatívnou mierou
zotrvačnosti (zotrvačných vlastností) telesa je jeho hmotnosť
m. Je to skalárna veličina a jej základnou
jednotkou je jeden kilogram (m) = kg
.
Hmotnosť je aj mierou gravitačných vlastností telies. Všetky telesá
navzájom na seba pôsobia gravitačnou
silou (napr. Slnko a Zem), ale aj Zem na telesá nachádzajúce sa na
zemskom povrchu. Stojace auto bude pôsobiť na vozovku väčšou silou ako človek
stojaci vedľa auta, pretože majú rôznu hmotnosť (rôzne gravitačné
vlastnosti a teda majú rôznu schopnosť priťahovať silou iné telesá, resp.
byť priťahované inými telesami).
Príklad
2.1.3
Pozri
ešte: Hmotnosť z hľadiska klasickej fyziky a špeciálnej teórie
relativity
Pohybový stav telesa charakterizujeme pomocou vektorovej
veličiny hybnosť
, ktorá je definovaná súčinom
hmotnosti telesa a jeho rýchlosti
(2.1.1)
Jednotkou hybnosti je kilogram meter za sekundu, (p) = kg m/s.
Príklad
2.1.4
Pozri
ešte: Je vyššia hmotnosť športovca
výhodou?
Kontrolka: Predstavte si, že bežíte na telesnej výchove 100 m so spolužiakom, ktorý váži 85 kg. Ktorí z vás bude mať väčšie problémy zastaviť v cieli, ak bežíte rovnakou rýchlosťou, pričom ste vyštartovali naraz?
Druhý Newtonov pohybový zákon
Povedali sme si, že ak teleso vstúpi do
interakcie s inými telesami, môže nastať zmena jeho pohybového stavu a
definovali
sme veličinu, ktorá kvantitatívne popisuje interakciu. Touto veličinou bola
sila, ktorú Newton definoval nasledovne: 2.
Newtonov pohybový zákon
(zákon sily):
Časová
zmena hybnosti telesa je rovná sile pôsobiacej na teleso.
Matematicky
ho možno vyjadriť v tvare
kde
je
výslednica všetkých síl pôsobiacich na teleso a
,
, m
sú hybnosť, rýchlosť a hmotnosť telesa. Tento vzťah platí všeobecne. Ak
budeme uvažovať zmenu charakteristiky pohybového stavu (hybnosti) v čase
môžme silu vyjadriť
.
Vo všeobecnosti hmotnosť m
môže byť premennou veličinou závislou od pohybového stavu. V klasickej
(newtonovskej)
fyzike pri mechanickom pohybe telies prichádzajú do úvahy iba malé
rýchlosti v porovnaní s rýchlosťou svetla
(v << c). V takýchto
prípadoch hmotnosť možno považovať za konštantnú a silu potom
možno vyjadriť v tvare
(2.1.3)
alebo
(2.1.4)
Vo
vzťahu (2.1.3) člen
vypadne
pretože
pre
m konštantné.
Jednotkou sily je jeden newton (F)
= N. Je to sila, ktorá telesu s hmotnosťou 1 kg udelí zrýchlenie
1 m/s2. Z rovnice (2.1.4) vyplýva, že rozmer sily je 1 N
=1 kg m/s2.
Príklad 2.1.5
Kontrolka: Auto z hmotnosťou 1280 kg zväčšilo svoju rýchlosť z 7,3 m/s na 63 km/h na dráhe 37,2 m. Akú silu musel vyvinúť motor auta? Pri výpočte si pomôžte s predchádzajúcim riešeným príkladom. (F= 4352 N)
Pri veľkých rýchlostiach, ktoré sa blížia k rýchlosti
svetla, hmotnosť telies nie je konštantná. Potom 2. Newtonov pohybový zákon
bude daný rovnicou (2.1.2).Veľkými rýchlostiami porovnateľnými
s rýchlosťou svetla sa zaoberá špeciálna teória relativity.
Druhý
Newtonov pohybový zákon umožňuje riešiť charakteristiky pohybu dvojakým
spôsobom. Zo známej sily možno vypočítať rýchlosť a dráhu hmotného
bodu alebo zo známeho priebehu dráhy, prípadne rýchlosti možno určiť
vonkajšiu silu, ktorá pohyb zapríčinila. Preto tento zákon nazývame aj pohybová
rovnica.
Pozri
ešte: Pohybová rovnica
Kontrolka
: Ktorý vzťah použijete pri výpočte sily pôsobiacej
na teleso, ak rýchlosť telesa je:
a) v = kt2, kde
k je konštanta úmernosti, t čas a platí, že
v << c b) v = 0,9c,
kde c = 3.108 m/s?
Ďalšie zdroje: http://web.tuke.sk/feikf/relativita/relativi2.htm o špeciálnej teórii relativity