Secondo giurisprudenza di Newton, esperimenti ed esercizi

IL Seconda legge di Newton o La legge fondamentale della dinamica stabilisce che se un oggetto è soggetto a una forza o a un insieme di forze che non sono annullate, allora l'oggetto accelererà nella direzione della forza risultante, essendo tale accelerazione proporzionale all'intensità di quella forza netta e inversamente proporzionale alla massa dell'oggetto.

Sì F è la forza netta, M La massa dell'oggetto e A L'accelerazione che acquisisce, quindi la seconda legge di Newton sarebbe espressa matematicamente: A = F / M o nel modo più solito F = M∙A

Spiegazione della seconda legge di Newton. Fonte: sé realizzato.

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Spiegazione e formule

Come spiegato sopra, il solito modo di esprimere la seconda legge è con la formula:

F = M∙A

Sia l'accelerazione che la forza devono essere misurati da un sistema di riferimento inerziale. Si noti che la massa è un importo positivo, quindi i punti di accelerazione nella stessa direzione della forza risultante.

Si noti inoltre che quando la forza risultante è vuota (F = 0) Quindi l'accelerazione sarà anche nullo ( A = 0 ) fino a quando M> 0. Questo risultato è completamente concordato con la prima legge o la legge di inerzia di Newton.

La prima legge di Newton stabilisce sistemi di riferimenti inerziali come quelli che si muovono a velocità costante rispetto a una particella libera. In pratica e ai fini delle applicazioni più comuni, un sistema di riferimento fisso a terra o qualsiasi altro che si muova a velocità costante rispetto a ciò, sarà considerato inerziale.

La forza è l'espressione matematica dell'interazione dell'oggetto con l'ambiente. La forza può essere una quantità costante o una modifica con il tempo, la posizione e la velocità dell'oggetto.

L'unità nel sistema internazionale (SI) per la forza è il Newton (N). La massa in (Si) è misurata in (kg) e accelerazione in (m/s²). Un Newton di forza è la forza necessaria per accelerare un oggetto di 1 kg di massa a 1 m/s² .

Esercizi risolti

Esercizio 1

Viene misurato un oggetto di massa M da una certa altezza e viene misurata un'accelerazione di caduta di 9,8 m/s².

Lo stesso vale per un'altra massa di massa m 'e un'altra di massa m "e un'altra. Il risultato è sempre l'accelerazione della gravità che è indicata con G e vale 9,8 m/s². In questi esperimenti la forma dell'oggetto e il valore della sua massa è tale che la forza dovuta alla resistenza all'aria è trascurabile.

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È richiesto di trovare un modello per la forza di attrazione terrestre (nota come peso) che è coerente con i risultati sperimentali.

Soluzione

Abbiamo scelto un sistema di riferimento inerziale (fissato rispetto al pavimento) con una direzione positiva dell'asse X verticale e verso il basso.

L'unica forza che agisce sull'oggetto di massa M È l'attrazione terrestre, che la forza è chiamata peso P, Come indica il down è positivo.

L'accelerazione acquisita dall'oggetto di massa M Una volta rilasciato è a = g , tary down e positivo.

Proponiamo la seconda legge di Newton

P = m a

Quello che sarà il modello P in modo che l'accelerazione prevista dalla seconda legge sia indipendentemente dal valore di m ? : L'unica alternativa è quella p = m g ogni volta che m> 0.

m g = m a Dove chiarisciamo: a = g

Concludiamo che il peso, la forza con cui la terra attira un oggetto sarà la massa dell'oggetto moltiplicato per l'accelerazione della gravità e la sua direzione è verticale e mirata.

P = m∙G

Esercizio 2

Un blocco di massa da 2 kg poggia su un pavimento completamente liscio e orizzontale. Se viene applicata una forza 1 N che l'accelerazione acquisisce il blocco e quale velocità sarà dopo 1 s.

Soluzione

La prima cosa è definire un sistema di coordinate inerziali. Uno è stato scelto con l'asse x sul pavimento e l'asse e perpendicolare ad esso. Quindi viene fatto un diagramma delle forze, posizionando le forze a causa delle interazioni del blocco con l'ambiente circostante.

La forza p rappresenta il peso, la forza con cui il pianeta terra attira il blocco di massa m.

La forza n rappresenta la normale, è la forza verso l'alto che la superficie del pavimento esercita sul blocco m. È noto che n si bilancia esattamente a P perché il blocco non si muove nella direzione verticale.

F è la forza orizzontale applicata al blocco M, che punta nella direzione positiva dell'asse x.

La forza netta è la somma di tutte le forze sul blocco di massa m. Il vettore di somma di f, p e n è realizzato. Poiché P e N sono uguali e opposti, si annullano a vicenda e la forza netta è f.

In modo che l'accelerazione risultante sia il quoziente della forza netta tra la massa:

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a = f / m = 1 n / 2 kg = 0,5 m / s²

Poiché il blocco inizia dal resto dopo 1s la sua velocità sarà cambiata 0 m/s a 0,5 m/s .

Le applicazioni della seconda legge di Newton

L'accelerazione di un ascensore

Un ragazzo usa un bagno per misurarne il peso. Il valore che ottieni è 50 kg. Quindi il ragazzo prende il peso dell'ascensore del suo edificio, perché vuole misurare l'accelerazione dell'ascensore. I risultati ottenuti all'avvio sono:

• La scala registra un peso di 58 kg per 1,5 s
• Quindi misurare di nuovo 50 kg.

Con questi dati, calcola l'accelerazione dell'ascensore e la velocità acquisita.

Soluzione

La scala misura il peso in un'unità chiamata Chilogram_fuerza. Per definizione, il kilogram_fuerza è la forza con cui il pianeta terra attira un oggetto di 1 kg di massa.

Quando l'unica forza che agisce sull'oggetto è il suo peso, allora acquisisce un'accelerazione di 9,8 m/s². Quindi 1 kg_f è equivalente a 9.8 n.

Il peso P del ragazzo è quindi 50 kg*9.8m/s² = 490 N

Durante l'accelerazione la scala esercita una forza N Sul ragazzo 58 kg_f equivalente a 58 kg * 9,8 m/s² = 568.4 n.

L'accelerazione dell'ascensore sarà data da:

A = n/m - g = 568.4 N / 50 kg - 9.8 m/s² = 1.57 m/s²

La velocità acquisita dall'ascensore dopo 1.5 s con 1 accelerazione.57 m/s² è:

v = a * t = 1.57 m/s² * 1.5 s = 2.36 m/s = 8.5 km/h

La figura seguente mostra uno schema delle forze che agiscono sul ragazzo:

La bottiglia di maionese

Un bambino passa la bottiglia di suo fratello a suo fratello, che è all'altra estremità del tavolo. Per questo lo guida in modo tale da acquisire una velocità di 3 m/s. Poiché la bottiglia viene rilasciata fino a quando non si ferma all'estremità opposta del tavolo, il percorso era di 1,5 m.

Determina il valore della forza di attrito che la tabella esercita sulla bottiglia, sapendo che ha una massa di 0,45 kg.

Soluzione

Per prima cosa determineremo l'accelerazione della frenata. Per questo useremo la seguente relazione, già nota al movimento rettilineo uniformemente accelerato:

Vf² = vi² + 2 * a * d

Dove Vf è la velocità finale, Sega La velocità iniziale, A accelerazione e D Lo spostamento.

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L'accelerazione ottenuta dalla relazione precedente è, dove lo spostamento della bottiglia è stato preso come positivo.

a = (0 - 9 (m / s) ²) / (2*1.5 m) = -3 m/s²

La forza netta sulla bottiglia di maionese è la forza di attrito, poiché il normale e il peso della bottiglia sono bilanciati: fnet = freddo.

Fr = m * a = 0.45 kg * (-3 m/s²) = -1.35 n = -0.14 kg-f

Esperimenti per bambini

Bambini e adulti possono anche condurre esperienze semplici che consentono loro di verificare che la seconda legge di Newton funzioni davvero nella vita reale. Ecco due bene interessanti:

Esperimento 1

Un semplice esperimento richiede un bagno e un ascensore. Prendi un peso del bagno per un ascensore e registra i valori che segna durante l'inizio del aumento, l'avvio dell'avvio e durante il periodo che si muove a velocità costante. Calcola le accelerazioni dell'elevatore corrispondente a ciascun caso.

Esperimento 2

1. Prendi un carrello giocattolo che ha le ruote ben lubrificate
2. Tieni una corda all'estremo.
3. Sul bordo del tavolo, fissare una matita o un altro oggetto cilindrico e liscio su cui passerà la corda.
4. All'altra estremità della corda appende un cestino, a cui posizionerà alcune monete o qualcosa che serve per il peso.

Lo schema dell'esperimento è mostrato di seguito:

• Rilascia il carrello e osserva come accelera.
• Quindi aumentare la massa del carrello posizionandolo su di esso, o qualcosa che aumenta la sua massa.
• Dì se l'accelerazione aumenta o diminuisce. Posiziona più impasto sul carrello, osserva come accelera e conclude.

Quindi il carrello viene lasciato senza peso extra e lascia che acceleri. Quindi viene posizionato più peso sul cestino per aumentare la forza applicata al carrello.

• Confronta l'accelerazione con il caso precedente, indica se aumenta o diminuisce. Puoi ripetere l'aggiunta di più peso al cestino e osservare l'accelerazione del carrello.
• Indicare se aumenta o diminuisce.
• Analizzare i tuoi risultati e dire se sono o meno d'accordo con la seconda legge di Newton.

Articoli di interesse

Esempi della seconda legge di Newton.

La prima legge di Newton.

Esempi della seconda legge di Newton.

Riferimenti

1. Alonso m., Finn e. 1970. Volume di fisica I: meccanica. Fondo educativo interamericano.A. 156-163.
2. Hewitt, p. 2012. Scienze fisiche concettuali. Quinta edizione. 41-46.
3. Giovane, Hugh. 2015. Fisica universitaria con fisica moderna. 14 ° ed. Pearson. 108-115.