Newtonin lait
Newtonin kolme lakia kuvaavat klassisessa mekaniikassa, miten voimat ja liike liittyvät toisiinsa. Ne pätevät parhaiten inertiaalikoordinaatistoissa, nopeuksilla paljon alle valonnopeuden ja mittakaavoissa, joissa kvantti-ilmiöt eivät hallitse.
Ensimmäinen laki
Jos kokonaisvoima on nolla, kappaleen nopeus pysyy vakiona. Lepo on vain v=0-erikoistapaus. Liikkeen ylläpitämiseen ei tarvita netto-voimaa; voimaa tarvitaan liiketilan muuttamiseen.
Toinen laki
Vakiomassalle ΣF=ma. Yleisempi muoto on F=dp/dt. Kiihtyvyys osoittaa kokonaisvoiman suuntaan, joka ei välttämättä ole sama kuin nopeuden suunta.
Kolmas laki
Kun A vaikuttaa B:hen voimalla, B vaikuttaa A:han yhtä suurella vastakkaissuuntaisella voimalla. Voimat kohdistuvat eri kappaleisiin, joten niitä ei pidä kumota saman kappaleen vapaakappalekuvassa.
Vapaakappalekuva
Kappale eristetään ja piirretään vain siihen kohdistuvat voimat: paino, normaalivoima, kitka, jännitys, jousivoima jne. Tämän jälkeen komponentit summataan valituissa suunnissa.
Kitka
Staattinen kitka mukautuu tarpeeseen enintään arvoon μ_sN; se ei ole aina juuri μ_sN. Liukukitkaa mallinnetaan usein μ_kN:llä, mutta reaalinen kitka riippuu myös materiaaleista ja pinnasta.
Ympyräliike
Keskihakuinen “voima” ei ole uusi perusvoima vaan todellisten voimien radiaalinen resultantti mv²/r. Kiertoradalla se voi olla gravitaatio, autolla kaarteessa kitka ja narupallolla jännitys.
Rajallisuus
Lähellä valonnopeutta tarvitaan suhteellisuusteoriaa ja atomiskaalassa kvanttimekaniikkaa. Arjen ja monen teknisen järjestelmän alueella Newtonin malli on silti erittäin tarkka.
Kalteva taso
Painovoima voidaan jakaa tason suuntaiseen mg sinθ- ja normaalisuuntaiseen mg cosθ -komponenttiin. Normaalivoima ei ole automaattisesti mg, vaan määräytyy geometriasta ja muista voimista.
Hissi
Jos hissi kiihtyy ylöspäin, lattian normaalivoima on suurempi kuin mg; alaspäin kiihtyessä pienempi. Vaaka mittaa tukivoimaa, ei suoraan gravitaatiovoimaa.
Ei-inertiaalinen koordinaatisto
Kiihtyvässä autossa matkustaja voi kuvata kokemusta näennäisvoimalla taaksepäin. Inertiaalikehyksessä istuin yksinkertaisesti antaa keholle eteenpäin suuntautuvan voiman. Molempia kuvauksia ei pidä sekoittaa samaan voimakaavioon.
Köysi ja jännitys
Ideaalissa massattomassa köydessä jännitys voi olla sama koko köyden matkalla, mutta massallisessa köydessä jännitys voi vaihdella, koska myös köyden osia on kiihdytettävä. Siksi yksinkertainen “sama T kaikkialla” on mallioletus, ei yleinen laki.
Harjoitus
Kappale liikkuu suoraviivaisesti vakionopeudella. Mikä on kokonaisvoima?
Ratkaisu
Nolla, koska a=0 ja vakiomassalle ΣF=ma.