Wetenschap
Naast E =mc ² , F =ma is de beroemdste vergelijking in de hele natuurkunde. Toch blijven veel mensen verbijsterd door deze tamelijk eenvoudige algebraïsche uitdrukking. Het is eigenlijk een wiskundige weergave van de tweede bewegingswet van Isaac Newton, een van de belangrijkste bijdragen van de grote wetenschapper. De ‘tweede’ impliceert dat er andere wetten bestaan, en gelukkig voor studenten en trivia-honden overal ter wereld zijn er slechts twee extra bewegingswetten. Hier zijn ze:
Deze drie wetten vormen de basis van wat bekend staat als de klassieke mechanica , of de wetenschap die zich bezighoudt met de beweging van lichamen die verband houden met de krachten die erop inwerken. De bewegende lichamen kunnen grote objecten zijn, zoals in een baan om de aarde draaiende manen of planeten, maar het kunnen ook gewone objecten op het aardoppervlak zijn, zoals bewegende voertuigen of snel rijdende kogels. Zelfs lichamen in rust zijn eerlijk spel.
Waar de klassieke mechanica uiteen begint te vallen, is wanneer zij de beweging van zeer kleine lichamen, zoals elektronen, probeert te beschrijven. Natuurkundigen moesten een nieuw paradigma creëren, bekend als de kwantummechanica , om het gedrag van objecten op atomair en subatomair niveau te beschrijven.
Maar de kwantummechanica valt buiten het bestek van dit artikel. Onze focus zal liggen op de klassieke mechanica en de drie wetten van Newton. We zullen ze allemaal in detail onderzoeken, zowel vanuit theoretisch als praktisch oogpunt. We bespreken ook de geschiedenis van de wetten van Newton , omdat de manier waarop hij tot zijn conclusies kwam net zo belangrijk is als de conclusies zelf. De beste plaats om te beginnen is natuurlijk aan het begin, met de eerste wet van Newton.
Inhoud
Laten we de eerste wet van Newton in alledaagse termen herhalen:
Een voorwerp in rust zal voor altijd in rust blijven, zolang er niets aan duwt of trekt. Een object in beweging zal voor altijd in beweging blijven en in een rechte lijn reizen, totdat een netto externe kracht erop duwt of trekt.Het ‘voor altijd’-gedeelte is soms moeilijk te slikken. Maar stel je voor dat je drie opritten hebt opgesteld, zoals hieronder weergegeven. Stel je ook voor dat de hellingen oneindig lang en oneindig glad zijn. Je laat een knikker over de eerste helling, die licht hellend is, naar beneden rollen. De knikker versnelt terwijl hij de helling afdaalt.
Nu geef je een zachte duw tegen de knikker die bergopwaarts gaat op de tweede helling. Het vertraagt naarmate het omhoog gaat. Ten slotte duw je een knikker op een helling die de middelste toestand tussen de eerste twee vertegenwoordigt – met andere woorden, een helling die perfect horizontaal is. In dit geval zal de knikker niet vertragen of versnellen. Eigenlijk zou het moeten blijven rollen. Voor altijd.
Natuurkundigen gebruiken de term traagheid om deze neiging van een object te beschrijven om weerstand te bieden aan een verandering in zijn beweging. De Latijnse wortel voor traagheid is dezelfde wortel voor 'inert', wat betekent dat je niet in staat bent om te bewegen. Je kunt dus zien hoe wetenschappers op het woord kwamen. Wat nog verbazingwekkender is, is dat ze met het concept kwamen. Traagheid is geen onmiddellijk zichtbare fysieke eigenschap, zoals lengte of volume. Het houdt echter verband met de massa van een object. Om te begrijpen hoe, kijk eens naar de sumoworstelaar en de jongen hieronder.
Laten we zeggen dat de worstelaar aan de linkerkant een massa heeft van 136 kilogram, en de jongen aan de rechterkant een massa van 30 kilogram heeft (wetenschappers meten de massa in kilogram). Onthoud dat het doel van sumoworstelen is om je tegenstander uit zijn positie te halen. Welke persoon in ons voorbeeld zou gemakkelijker te verplaatsen zijn? Gezond verstand vertelt je dat de jongen gemakkelijker te verplaatsen is, of minder bestand tegen traagheid.
In een rijdende auto ervaar je voortdurend traagheid. Veiligheidsgordels bestaan zelfs specifiek in auto's om de effecten van traagheid tegen te gaan. Stel je eens voor dat een auto op een testbaan een snelheid van 80 km/u haalt. Stel je nu voor dat er een crashtestpop in die auto zit en op de voorstoel zit. Als de auto tegen een muur botst, vliegt de dummy naar voren het dashboard in.
Waarom? Omdat, volgens de eerste wet van Newton, een bewegend object in beweging zal blijven totdat er een kracht van buitenaf op inwerkt. Wanneer de auto de muur raakt, blijft de dummy in een rechte lijn en met een constante snelheid bewegen totdat het dashboard een kracht uitoefent. Veiligheidsgordels houden dummies (en passagiers) vast en beschermen ze tegen hun eigen traagheid.
Interessant genoeg was Newton niet de eerste wetenschapper die met de wet van de traagheid op de proppen kwam. Die eer gaat naar Galileo en naar René Descartes. In feite wordt het eerder beschreven knikker-en-ramp-gedachte-experiment toegeschreven aan Galileo. Newton had veel te danken aan de gebeurtenissen en mensen die hem voorgingen. Laten we, voordat we verder gaan met zijn andere twee wetten, eerst eens kijken naar de belangrijke geschiedenis die hen heeft geïnformeerd.
De Griekse filosoof Aristoteles domineerde jarenlang het wetenschappelijke denken. Zijn opvattingen over beweging werden algemeen aanvaard omdat ze leken te ondersteunen wat mensen in de natuur observeerden. Aristoteles dacht bijvoorbeeld dat gewicht invloed had op vallende voorwerpen. Een zwaarder voorwerp, zo betoogde hij, zou de grond sneller bereiken dan een lichter voorwerp dat tegelijkertijd van dezelfde hoogte valt. Hij verwierp ook het idee van traagheid en beweerde in plaats daarvan dat er voortdurend een kracht moet worden uitgeoefend om iets in beweging te houden. Beide concepten waren verkeerd, maar het zou vele jaren duren – en een aantal gedurfde denkers – om ze omver te werpen.
De eerste grote klap voor de ideeën van Aristoteles kwam in de 16e eeuw toen Nicolaus Copernicus zijn op de zon gerichte model van het universum publiceerde. Aristoteles theoretiseerde dat de zon, de maan en de planeten allemaal om de aarde draaiden in een reeks hemellichamen. Copernicus stelde voor dat de planeten van het zonnestelsel om de zon draaiden, en niet om de aarde. Hoewel het niet per se een onderwerp van de mechanica is, onthulde de door Copernicus beschreven heliocentrische kosmologie de kwetsbaarheid van de wetenschap van Aristoteles.
Galileo Galilei was de volgende die de ideeën van de Griekse filosoof ter discussie stelde. Galileo voerde twee inmiddels klassieke experimenten uit die de toon en teneur zetten voor al het wetenschappelijke werk dat zou volgen. Bij het eerste experiment liet hij een kanonskogel en een musketbal vallen vanaf de scheve toren van Pisa. De theorie van Aristoteles voorspelde dat de kanonskogel, die veel massiever was, sneller zou vallen en als eerste de grond zou raken. Maar Galileo ontdekte dat de twee objecten met dezelfde snelheid vielen en ongeveer tegelijkertijd de grond raakten.
Sommige historici vragen zich af of Galileo het Pisa-experiment ooit heeft uitgevoerd, maar hij volgde het met een tweede werkfase die goed gedocumenteerd is. Bij deze experimenten waren bronzen ballen van verschillende afmetingen betrokken die langs een hellend houten vlak naar beneden rolden. Galileo registreerde hoe ver een bal zou rollen in elk interval van één seconde. Hij ontdekte dat de grootte van de bal er niet toe deed; de snelheid waarmee hij langs de helling daalde bleef constant. Hieruit concludeerde hij dat vrij vallende objecten een uniforme versnelling ervaren, ongeacht de massa, zolang externe krachten, zoals luchtweerstand en wrijving, kunnen worden geminimaliseerd.
Maar het was René Descartes, de grote Franse filosoof, die nieuwe diepte en dimensie aan de traagheidsbeweging zou toevoegen. In zijn 'Principles of Philosophy' stelde Descartes drie natuurwetten voor. De eerste wet stelt dat alles, voor zover het in zijn macht ligt, altijd in dezelfde staat blijft; en dat het bijgevolg, wanneer het eenmaal in beweging is gebracht, altijd in beweging blijft. De tweede houdt in dat alle beweging op zichzelf langs rechte lijnen verloopt. Dit is de eerste wet van Newton, duidelijk vermeld in een boek dat in 1644 werd gepubliceerd – toen Newton nog een pasgeboren baby was!
Het is duidelijk dat Isaac Newton Descartes heeft bestudeerd. Hij maakte goed gebruik van die studie toen hij in zijn eentje het moderne tijdperk van wetenschappelijk denken lanceerde. Newtons werk in de wiskunde resulteerde in integraal- en differentiaalrekening. Zijn werk in de optica leidde tot de eerste reflecterende telescoop. En toch kwam zijn beroemdste bijdrage in de vorm van drie relatief eenvoudige wetten die met grote voorspellende kracht konden worden gebruikt om de beweging van objecten op aarde en in de hemel te beschrijven. De eerste van deze wetten kwam rechtstreeks van Descartes, maar de overige twee zijn alleen van Newton.
Hij beschreef ze alle drie in 'The Mathematical Principles of Natural Philosophy', oftewel de Principia, die in 1687 werd gepubliceerd. Tegenwoordig is de Principia nog steeds een van de meest invloedrijke boeken in de geschiedenis van het menselijk bestaan. Een groot deel van het belang ervan ligt in de elegant eenvoudige tweede wet, F =ma , wat het onderwerp is van de volgende sectie.
Het zal je misschien verbazen als je hoort dat Newton niet het genie achter de wet van de traagheid was. Maar Newton zelf schreef dat hij alleen zo ver kon kijken omdat hij op ‘de schouders van reuzen’ stond. En tot ver, dat deed hij. Hoewel de wet van de traagheid krachten identificeerde als de acties die nodig zijn om beweging te stoppen of te starten, werden deze krachten niet gekwantificeerd. De tweede wet van Newton leverde de ontbrekende schakel door kracht te relateren aan versnelling. Dit is wat er stond:
Wanneer een kracht op een object inwerkt, versnelt het object in de richting van de kracht. Als de massa van een object constant wordt gehouden, zal een toenemende kracht de versnelling vergroten. Als de kracht op een voorwerp constant blijft, zal een toenemende massa de versnelling verminderen. Met andere woorden:kracht en versnelling zijn recht evenredig, terwijl massa en versnelling omgekeerd evenredig zijn.Technisch gezien heeft Newton kracht gelijkgesteld aan de differentiële verandering in momentum per tijdseenheid. Momentum is een kenmerk van een bewegend lichaam, bepaald door het product van de massa en snelheid van het lichaam. Om de differentiële verandering in momentum per tijdseenheid te bepalen, ontwikkelde Newton een nieuw type wiskunde:differentiaalrekening. Zijn oorspronkelijke vergelijking zag er ongeveer zo uit:
F =(m)(Δv/Δt)
waarbij de deltasymbolen verandering betekenen. Omdat versnelling wordt gedefinieerd als de momentane verandering in snelheid in een moment van tijd (Δv/Δt), wordt de vergelijking vaak herschreven als:
F =ma
De F , de m en de a in de formule van Newton zijn zeer belangrijke concepten in de mechanica. De F is kracht , een duw of trek uitgeoefend op een voorwerp. De m is massa , een maatstaf voor de hoeveelheid materie in een object. En de a is versnelling, die beschrijft hoe de snelheid van een object in de loop van de tijd verandert. Snelheid , wat vergelijkbaar is met snelheid, is de afstand die een object in een bepaalde tijd aflegt.
De vergelijkingsvorm van de tweede wet van Newton stelt ons in staat een meeteenheid voor kracht te specificeren. Omdat de standaardeenheid van massa de kilogram (kg) is en de standaardeenheid van versnelling het kwadraat van meter per seconde (m/s 2 ), moet de eenheid voor kracht een product zijn van de twee — (kg)(m/s 2 ). Dit is een beetje lastig, dus besloten wetenschappers een Newton als officiële krachteenheid te gebruiken. Eén Newton, of N, komt overeen met 1 kilogrammeter per secondekwadraat. Er zitten 4,448 N in 1 pond.
Wat kun je doen met de tweede wet van Newton? Het blijkt dat F =ma Hiermee kunt u de beweging van elke soort kwantificeren. Stel dat u bijvoorbeeld de versnelling van de hondenslee, links weergegeven, wilt berekenen.
Laten we nu zeggen dat de massa van de slee op 50 kilogram blijft en dat er nog een hond aan het team wordt toegevoegd. Als we aannemen dat de tweede hond met dezelfde kracht trekt als de eerste (100 N), zou de totale kracht 200 N zijn en de versnelling 4 m/s 2 . Een verdubbeling van de massa tot 100 kilogram zou de versnelling echter halveren tot 2 m/s 2 .
Laten we ons ten slotte voorstellen dat een tweede hondenteam aan de slee wordt vastgemaakt, zodat deze in de tegenovergestelde richting kan trekken.
Dit is belangrijk omdat de tweede wet van Newton betrekking heeft op nettokrachten. We zouden de wet kunnen herschrijven en zeggen:Wanneer een nettokracht werkt op een object, het object versnelt in de richting van de netto kracht.
Stel je nu voor dat een van de honden aan de linkerkant zich losmaakt en wegrent. Plotseling is de kracht die naar rechts trekt groter dan de kracht die naar links trekt, dus versnelt de slee naar rechts.
Wat in onze voorbeelden niet zo duidelijk is, is dat de slee ook kracht uitoefent op de honden. Met andere woorden:alle krachten werken in paren. Dit is de derde wet van Newton – en het onderwerp van de volgende sectie.
De derde wet van Newton is waarschijnlijk de meest bekende. Iedereen weet dat elke actie een gelijke en tegengestelde reactie heeft, toch? Helaas mist deze verklaring enkele noodzakelijke details. Dit is een betere manier om het te zeggen:
Er wordt een kracht uitgeoefend door het ene object op een ander object. Met andere woorden:elke kracht impliceert de interactie van twee objecten. Wanneer één object een kracht uitoefent op een tweede object, oefent het tweede object ook een kracht uit op het eerste object. De twee krachten zijn even sterk en in tegengestelde richtingen georiënteerd.Veel mensen hebben moeite met het visualiseren van deze wet, omdat deze niet zo intuïtief is. In feite is de beste manier om de wet van krachtparen te bespreken het presenteren van voorbeelden. Laten we beginnen met een zwemmer die naar de wand van een zwembad kijkt. Wat gebeurt er als ze haar voeten op de muur zet en hard duwt? Ze schiet achteruit, weg van de muur.
Het is duidelijk dat de zwemmer kracht uitoefent op de muur, maar haar beweging geeft aan dat er ook kracht op haar wordt uitgeoefend. Deze kracht komt van de muur en is even groot en tegengesteld in richting.
Denk vervolgens aan een boek dat op tafel ligt. Welke krachten werken erop? Eén grote kracht is de zwaartekracht van de aarde. In feite is het gewicht van het boek een maatstaf voor de aantrekkingskracht van de aarde. Dus als we zeggen dat het boek 10 N weegt, zeggen we eigenlijk dat de aarde een kracht van 10 N op het boek uitoefent. De kracht is recht naar beneden gericht, naar het midden van de planeet. Ondanks deze kracht blijft het boek bewegingsloos, wat maar één ding kan betekenen:er moet nog een kracht zijn, gelijk aan 10 N, die omhoog duwt. Die gelijke en tegengestelde kracht komt van de tafel.
Als je de derde wet van Newton begrijpt, zou je een ander krachtenpaar moeten hebben opgemerkt dat in de bovenstaande paragraaf wordt beschreven. De aarde oefent een kracht uit op het boek, dus het boek moet een kracht uitoefenen op de aarde. Is dat mogelijk? Ja, dat is zo, maar het boek is zo klein dat het zoiets groots als een planeet niet merkbaar kan versnellen.
Iets soortgelijks zie je, zij het op veel kleinere schaal, wanneer een honkbalknuppel een bal raakt. Er bestaat geen twijfel over dat de knuppel een kracht op de bal uitoefent:hij versnelt snel nadat hij is geraakt. Maar de bal moet ook kracht uitoefenen op de knuppel. De massa van de bal is echter klein vergeleken met de massa van de knuppel, inclusief het beslag dat aan het uiteinde ervan is bevestigd. Maar als je ooit een houten honkbalknuppel in stukken hebt zien breken terwijl hij een bal raakt, dan heb je uit de eerste hand bewijs gezien van de kracht van de bal.
Deze voorbeelden laten geen praktische toepassing zien van de derde wet van Newton. Is er een manier om krachtparen goed te gebruiken? Straalaandrijving is één toepassing. Straalvoortstuwing wordt gebruikt door dieren zoals inktvissen en octopussen, maar ook door bepaalde vliegtuigen en raketten, waarbij een substantie met hoge snelheid door een opening wordt geperst. Bij inktvissen en octopussen is de stof zeewater, dat door de mantel wordt aangezogen en via een sifon wordt uitgeworpen. Doordat het dier een kracht uitoefent op de waterstraal, oefent de waterstraal een kracht uit op het dier, waardoor deze in beweging komt. Een soortgelijk principe is aan het werk in met turbines uitgeruste straalvliegtuigen en raketten in de ruimte.
Over de ruimte gesproken:de andere wetten van Newton zijn daar ook van toepassing. Door zijn wetten te gebruiken om de beweging van planeten in de ruimte te analyseren, kon Newton een universele wet van de zwaartekracht bedenken.
Op zichzelf zijn de drie bewegingswetten een bekroning, maar Newton stopte daar niet. Hij nam die ideeën over en paste ze toe op een probleem dat wetenschappers al jaren bezig hield:de beweging van planeten. Copernicus plaatste de zon in het centrum van een familie van ronddraaiende planeten en manen, terwijl de Duitse astronoom Johannes Kepler bewees dat de vorm van planeetbanen elliptisch was en niet cirkelvormig. Maar niemand had de mechanismen achter deze beweging kunnen verklaren. Vervolgens zag Newton, zoals het verhaal gaat, een appel op de grond vallen en werd hij overvallen door inspiratie. Kan een vallende appel verband houden met een draaiende planeet of maan? Newton geloofde van wel. Dit was zijn denkproces om het te bewijzen:
Het was een verbluffend inzicht – een inzicht dat uiteindelijk leidde tot de universele wet van de zwaartekracht. Volgens deze wet trekken twee objecten in het universum elkaar aan met een kracht die afhangt van twee dingen:de massa van de op elkaar inwerkende objecten en de afstand daartussen. Massievere objecten hebben een grotere aantrekkingskracht. Afstand vermindert deze aantrekkingskracht. Newton drukte dit wiskundig uit in de volgende vergelijking:
F =G(m1m2/r 2 )
waarbij F is de zwaartekracht tussen massa's m1 en m2 , G is een universele constante en r is de afstand tussen de middelpunten van beide massa's.
Door de jaren heen hebben wetenschappers in vrijwel elke discipline de bewegingswetten van Newton getest en ontdekt dat ze verbazingwekkend voorspellend en betrouwbaar zijn. Maar er zijn twee gevallen waarin de Newtoniaanse natuurkunde faalt. De eerste betreft objecten die met of nabij de snelheid van het licht reizen. Het tweede probleem doet zich voor wanneer de wetten van Newton worden toegepast op zeer kleine objecten, zoals atomen of subatomaire deeltjes die binnen het domein van de kwantummechanica vallen.
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com