Vuorovaikutuksesta voimaan ja edelleen liikkeeseen Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka, 1.-2. luento Kari Sormunen

Mitä yhteistä? Kirja pöydällä Opiskelijapari Teräskuulan liike magneetin lähellä Laatikon potkaisu Hiukset pystyyn Pallo putoaa Naulanisku

Vuorovaikutus on yksi keskeisimmistä fysiikan peruskäsitteistä Vuorovaikutuksessa kappaleen liiketila (liikkuminen tai paikallaan olo) tai kappaleen muoto voi muuttua laji: kesto: suunta:

Esimerkki laatikon vuorovaikutus-kaaviosta, kun sitä vedetään pöydällä

Voima syntyy vuorovaikutuksessa voima on suure, joka kuvaa jos ei ole vuorovaikutusta, tunnus on F (force) voima ja vastavoima voimia havainnollistetaan voimanuolilla mihin kappaleeseen se vaikuttaa (nuolen alkupää lähtee kappaleesta jos kyseessä on ”veto”, nuolen kärki kappaleeseen jos kyseessä on ”työntö”) kuinka suuri voima on (pituus) mihin suuntaan voima vaikuttaa (suunta) voiman yksikkö voiman vaikutukset voima voi saada kappaleen voima voi muuttaa kappaleen

Esimerkkejä erilaisista voimista Tukivoima Esimerkiksi pöytä kohdistaa sen päällä olevaan kirjaan tukivoiman, tuoli istujaan jne. Vastusvoimia Kitka (vedettäessä tai työnnettäessä) Lepokitka, lähtökitka, liukukitka Vierimisvastus (esim. auton rengas ja tien pinta) Väliaineesta aiheutuvia vastusvoimia Ilmanvastus Nesteenvastus Noste

Kappaleeseen vaikuttava kokonaisvoima Kaikki kappaleet ovat aina vuorovaikutuksessa monien muiden kappaleiden kanssa. Kappaleeseen vaikuttaa tällöin samanaikaisesti useita voimia. Näiden voimien yhteenlaskettu kokonaisvoima voimien suunnat huomioiden vaikuttaa kappaleen liiketilaan. Kun ollaan kiinnostuneita jonkin kappaleen liikkeestä, merkitään vain siihen kappaleeseen vaikuttavat voimat. Vaikka vuorovaikutuksen luonteesta seuraavat ns. vastavoimat ovat olemassa, niitä ei oteta huomioon, sillä ne eivät vaikuta siihen kappaleeseen, jota tutkitaan.

Esimerkki laatikon voimakuviosta, kun sitä vedetään pöydällä

Hidas ja painava massa Esimerkki: pesäpallon ja keilapallon heittäminen yhtä voimakkaasti Kappaleen liikkeen muutos ei riipu ainoastaan siihen vaikuttavasta voimasta vaan myös kappaleesta itsestään. Kappaleen hitaudeksi kutsutaan kappaleen liikkeen muutosta vastustavaa ominaisuutta, ja sitä kuvataan suureella massa (tunnus m ja yksikkö kilogramma). Kappaleen paino kuvaa kappaleen ja taivaankappaleen välistä vuorovaikutusta ja paino on riippuvainen siitä missä kappale sijaitsee (tunnus yleensä G ja yksikkönä voiman yksikkö eli newton (N)). Kappaleen summittainen paino (newtoneina) Maan pinnalla saadaan kertomalla 10:llä kappaleen kilogrammoina ilmoitetun massan lukuarvo (vrt. I harj. työ 2); ks. myös dia 14.

Liikkeiden luokittelua

Ihmisillä on ennakkokäsityksiä voimista ja liikkeestä ”Jos vahvempi kaveri törmää heikompaan kaveriin, vahvemmalla on enemmän voimaa.” ”Pallon heittäjä antaa pallolle heittovoimaa, jonka avulla pallo lentää.” ”Kappaleen tasainen liike (nopeus ei muutu) vaatii vakiovoiman.” ”Liikkeen nopeus on verrannollinen liikuttavaan voimaan”. ”Jos kappale ei liiku, siihen ei vaikuta voimia.”

Newtonin ensimmäinen laki eli jatkavuuden laki Jos kappaleeseen vaikuttavien voimien summa on nolla, kappale pysyy paikallaan tai tasaisessa liikkeessä. Jos kappale ei vuorovaikuta muiden kappaleiden kanssa, se jatkaa tasaista liikettään (lähinnä avaruudessa mahdollista). Huom! Myös suunnan muutos on liikkeen muutosta (itse asiassa silloin kyseessä on kiihtyvä liike).

Newtonin toinen laki eli dynamiikan peruslaki Kappaleeseen kohdistuva voima F aiheuttaa kappaleelle kiihtyvyyden a. Jos kappaleen massa on m, kiihtyvyyden ja voiman välille saadaan yhteys F=ma Massa on ominaisuus, joka vastustaa nopeuden muutosta Yksiköt: 1 kgm/s2 = 1 N Jos kappaleeseen vaikuttava kokonaisvoima on vakio, niin kappale on kiihtyvässä liikkeessä (vrt. putoamiskiihtyvyys).

Newtonin kolmas laki eli voiman ja vastavoiman laki Jos kappale 1 vaikuttaa kappaleeseen 2 voimalla F, kappale 2 vaikuttaa kappaleeseen 1 samansuuruisella mutta vastakkaissuuntaisella voimalla Kumpikin kappale saa Newtonin toisen lain mukaisen kiihtyvyyden Voima ja vastavoima eivät kuitenkaan kumoa toisiaan, sillä ne kohdistuvat eri kappaleisiin.

Newtonin neljäs laki eli yleinen gravitaatiolaki Jokainen kappale vetää toista kappaletta puoleensa voimalla, joka on suoraan Verrannollinen massojen tuloon ja kääntäen verrannollinen kappaleiden etäisyyden neliöön. G on gravitaatiovakio, m on kappaleen massa ja r on kappaleiden välinen etäisyys Tähän lakiin palataan tarkemmin tähtitieteen osuudessa, kun tarkastelemme vuoroveden syntyä (jos ehdimme).

Kun maapallon massa ja säde tunnetaan, voidaan laskea m-massaiseen kappaleeseen kohdistuva voima eli paino G=mg , missä m kappaleen massa ja g on maapallon aiheuttama putoamiskiihtyvyys 9,81 m/s2, meidän käyttöömme tällä kurssilla riittää pyöristetty arvo eli g = n. 10 m/s2. Edellä olevasta seuraa, että jos kappaleen massa on esim. 50 kg, niin siihen kohdistuva paino G saadaan: G = 50 kg  10 m/s2 = 500 N Esimerkiksi Kuussa sen massasta aiheutuva putoamiskiihtyvyys on noin kuudesosa putoamiskiihtyvyydestä Maassa ja näin ollen kappaleen paino on myös kuussa vain kuudesosan massasta Maassa. Siis esim. 50 kg:n massa painaisi Kuussa vain 83,3 N

Pohdittavaa Newtonin laeista: Minkä vuoksi autossa on käytettävä turvavyötä (esim. jos sattuisi törmäämään seinään)? Minkä vuoksi rekka-auton vetäminen tuntuu raskaammalta kuin henkilöauton vetäminen? Jos ihminen nojaa seinään, vaikuttaako seinä suuremmalla voimalla ihmiseen kuin ihminen seinään? Mitä tapahtuu ruuhkabussissa seisojille kun bussi lähtee liikkeelle, entä jarrutuksessa ja entä kaarteessa? Miksi? Raaka kananmuna ja kypsä kananmuna: kuinka niiden liikkeen perusteella Newton perustelisi kumpi on kumpi?