Voimista liikeilmiöihin ja Newtonin lakeihin Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka Kari Sormunen Kevät 2012

Liikkeiden luokittelua LIIKE

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. 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

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

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 vielä tähtitieteen osuudessa, kun tarkastelemme vuoroveden syntyä.

Kun maapallon massa ja säde tunnetaan, niiden avulla voidaan laskea m-massaiseen kappaleeseen kohdistuva voima eli paino [vrt. ensimmäisen luennon viimeinen dia] 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? Pöydällä on raaka kananmuna ja kypsä kananmuna: kuinka niiden liikkeen perusteella Newton perustelisi kumpi on kumpi?

Ennakkokäsitystestin kysymykset 1-4 Henkilöauton ja kuorma-auton törmätessä kuorma-auto vaikuttaa suuremmalla voimalla henkilöautoon kuin henkilöauto kuorma-autoon henkilöauto vaikuttaa kuorma-autoon suuremmalla voimalla kuin kuorma-auto henkilöautoon autot vaikuttavat toisiinsa yhtä suurilla voimilla Vinkki: Pohdi Newtonin III lakia tässä yhteydessä. Vertaa tätä ennakkokäsitykseen: ”isommalla kaverilla on enemmän voimaa kuin pienemmällä” Autojen törmäyksessä nähdään seuraukset, mutta niiden perusteella ei voi päätellä voimaa. Ilmiö aiheutuu massan hitaudesta, ei voimasta!

Parkkipaikalla seisovaan autoon ei vaikuta mitään voimia vaikuttaa vain painovoima vaikuttavien voimien summa on nolla Vinkki: Mitäs Newtonin 1. laki kertoikaan…

Vinkki: Sovella Newtonin 1. lakia. Jos auton A tasaisena pysyvä nopeus on kaksi kertaa niin suuri kuin auton B (tasainen) nopeus, niin autoon A vaikuttaa suurempi kokonaisvoima kappaleisiin vaikuttaa yhtä suuri nollasta poikkeava kokonaisvoima kappaleisiin vaikuttavien voimien summa on nolla Vinkki: Sovella Newtonin 1. lakia.

Kun auto kulkee ympyrärataa, siihen vaikuttavan voiman suunta on sama kuin auton kulkusuunta suuntautuu ympyrän keskipisteeseen suuntautuu poispäin ympyrän keskeltä Vinkki: Mieti vastaavana tilanteena moukarin pyöritystä ja siinä moukariin kohdistuvaa voimaa. Mikä voima pitää moukarin pyöritysvaiheessa radallaan ja mihin suuntaan kohdistuu moukariin radallaan pitävä voima? Piirrä kuvio.