Newtons lagar

Newtons lagar beskriver hur växelverkningar förändrar rörelse. En säker metod är att först identifiera alla yttre krafter på det valda föremålet eller systemet och därefter använda ΣF⃗ = ma⃗.

Börja med ett frikroppsdiagram

mNmgFf
Ett frikroppsdiagram visar bara yttre krafter på det valda föremålet. Rörelse och nettokraft läggs inte till som extra kraftpilar.

Tyngdkraften är mg, normalkraften verkar vinkelrätt mot kontaktytan, friktion längs ytan och spännkraft längs ett rep eller en vajer. Varje kraft ska kunna kopplas till en fysisk växelverkan.

Ett föremål som rör sig åt höger behöver inte ha en kraft åt höger. Det kan röra sig med konstant hastighet vid nettokraft noll eller fortsätta åt höger medan en nettokraft åt vänster bromsar det.

Första lagen: noll nettokraft betyder inte noll rörelse

Om ΣF⃗ = 0 är accelerationen noll och hastigheten konstant. Vila är bara specialfallet där den konstanta hastigheten är noll.

Utsagan gäller i ett inertialsystem. I en accelererande bil uppträder skenbara effekter om rörelsen beskrivs från det icke-inertiala referenssystemet.

Andra lagen: summera krafterna före F = ma

F i den välkända formeln är den yttre nettokraften. 20 N åt höger och 8 N åt vänster ger 12 N åt höger; för 4 kg blir a = 3 m s⁻² åt höger.

Massa är ett mått på tröghet. Vid samma nettokraft får en större massa mindre acceleration. Tyngd är en kraft, inte samma sak som massa; nära jordytan är tyngdkraftens belopp mg.

Tredje lagen: kraftparet verkar på olika kroppar

lådahandhand på lådalåda på handlika storlekmotsatt riktningolika kroppar
Ett tredje-lagspar tar inte ut varandra i ett enda frikroppsdiagram. Krafterna är lika stora och motsatt riktade men verkar på olika kroppar.

När handen trycker på lådan trycker lådan tillbaka på handen med lika stor kraft i motsatt riktning. De två krafterna tar inte ut varandra på samma kropp.

För att avgöra om krafterna på ett föremål summerar till noll måste man använda just det föremålets frikroppsdiagram.

En robust metod för kraftproblem

  1. Välj föremålet eller systemet.
  2. Rita alla yttre krafter som verkar på det.
  3. Välj axlar och dela upp sneda krafter i komponenter.
  4. Skriv ΣFx = max och ΣFy = may.
  5. Kontrollera tecken, riktningar och enheter.

Anta inte automatiskt N = mg. Det gäller bara under vissa vertikala villkor.

Kraft bestämmer acceleration, inte den aktuella rörelseriktningen

Nettokraften bestämmer hur hastighetsvektorn ändras. Vid cirkelrörelse kan nettokraften till exempel vara vinkelrät mot hastigheten och ändra riktningen utan att öka fartens storlek.

Det är därför fel att rita en kraft enbart därför att föremålet för stunden rör sig i samma riktning.

Lösta exempel

1. Horisontell knuff

En vagn på 5,0 kg påverkas av 18 N åt höger och 3,0 N friktion åt vänster.

Lösning

ΣF = 15 N och a = 15/5,0 = 3,0 m s⁻² åt höger.

2. Hiss med konstant hastighet

En passagerare på 70 kg rör sig uppåt med konstant hastighet.

Lösning

a = 0, alltså ΣF = 0 N. Därför är N = mg ≈ 687 N.

3. Verkan och motverkan

En person trycker på en vägg med 120 N. Vilken kraft utövar väggen?

Lösning

Väggen trycker personen med 120 N i motsatt riktning. Krafterna verkar på olika kroppar.