Newtons rørslelover

Newtons rørslelover er tre fysiske lover som i lag legg grunnlaget for klassisk mekanikk. Dei skildrar forholdet mellom ein lekam og kreftene som verkar på han, og rørsla desse kreftene skapar. Dei har vorte formulerte på mange måtar i løpet av dei nesten 300 åra sidan Isaac Newton først formulerte dei,^[1] og kan oppsummerast som følgjer:

1. Newtons første lov: Når resultanten av alle kreftene som verkar på ein gjenstand er lik null, er gjenstanden i ro eller i rørsle med konstant fart langs ei rett linje.^[2][3]
2. Newtons andre lov: Akselerasjonen til ein lekam er direkte proporsjonal til, og same retninga, som nettokrafta som verkar på lekamen og omvendt proporsjonal til massen til lekamen. Det vil sei at F = ma, der F er nettokrafta som verkar på lekamen, m er massen til lekamen og a er akselerasjonen til lekamen.
3. Newtons tredje lov: Når ei kraft verkar på ein lekam, verkar ei like stor og motsett retta kraft frå lekamen.

Dei tre lovene vart først nedskrivne av Isaac Newton i hans Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (Matematiske prinsipp i naturfilosofien), som først vart publisert i 1687.^[4] Newton nytta dei til å forklare og undersøke rørsla til mange fysiske lekamar og system.^[5]

Den newtonske mekanikken er i dag erstatta av spesiell relativitet, men er framleis nyttig som ei tilnærming når hastigheitene som er involvert er mykje mindre enn lysfarten.

Den første lova seier at når nettokrafta (vektorsummen av alle krefter som verkar på ein lekam) er lik null, så er hastigheita til lekamen konstant. Hastigheit er ein vektorstorleik som uttrykker både farten til lekamen og retninta gil rørsla. Derfor tyder lova at både farten og rørsal til lekamen er konstant.

Den første lova kan uttrykkast matematisk som

${\displaystyle \sum \mathbf {F} =0\;\Rightarrow \;{\frac {\mathrm {d} \mathbf {v} }{\mathrm {d} t}}=0.}$

Det vil sei at

• Ein lekam som ligg i ro vil halde seg i ro om ikkje lekamen vert utsett for ei ytre kraft.
• Ein lekam i rørsle vil ikkje endre hastigheit (fart og retning) om ikkje lekamen vert utsett for ei ytre kraft.

Dette er kjend som uniform rørsle. Ein lekam held fram å gjere det han gjorde fram til han vert utsett for ei kraft.

Newton sette denne lova først for å opprette eit referansesystem som andre lover kunne verke innanfor. Den første rørslelova postulerer at det finst minst eit referansesystem kalla eit newtonsk system eller eit tregleikssystem der ein lekam som ikkje er utsett for krefter flyttar seg langs ei rett linje med konstant fart.^[6][7] Den første lova til Newton vert ofte omtalt som tregleikslova. Eit naudsynt vulkår for den uniforme rørsla til ein lekam relativt til eit tregleikssystem er at den totale nettokrafta som verkar på lekamen er lik null.

Lovene til Newton er berre gyldig i eit tregleikssystem. Alle referansesystem som er i uniform rørsle med omsyn til eit tregleikssystem er òg tregleikssystem.^[8]

Den andre lova seier at nettokrafta på ein lekam er lik endringsraten (det vil sei den deriverte) til rørslemengda p i eit tregleikssystem:

${\displaystyle \mathbf {F} ={\frac {\mathrm {d} \mathbf {p} }{\mathrm {d} t}}={\frac {\mathrm {d} (m\mathbf {v} )}{\mathrm {d} t}}.}$

Den andre lova kan òg uttrykkast i form av akselerasjonen til lekamen. Sidan lova berre gjeld for system med konstant masse,^[9][10][11] kan ein setje massen utanfor derivasjonen ved hjelp av konstant faktor-reglene i derivasjon. Då får ein,

${\displaystyle \mathbf {F} =m\,{\frac {\mathrm {d} \mathbf {v} }{\mathrm {d} t}}=m\mathbf {a} ,}$

der F er nettokrafta som verkar, m er massen til lekamen, og a er akselerasjonen til lekamen. Nettokrafta som verkar skapar ein akselerasjon for lekamen. Med andre ord, om ein lekam akselererer, så vil det verke ei kraft på lekamen.

I samsvar med den første lova er den tidsderiverte av rørslemengda ulik null når rørslemengda endrar retning, sjølv om det ikkje er noko endring i storleiken, slik som i tilfelle med ei sirkelrørsle. Forholdet indikerer òg bevaring av rørslemengd. Når nettokrafta på ein lekam er lik null, er rørslemengda til lekamen konstant. Ei nettokraft er lik endringsraten av rørslemengda.

Masse som vert lagt til eller teke bort frå systemet vil skape ei endring i rørslemengda som ikkje kjem av ei ytre kraft. Ei differensiallikning er naudsynt for system med variabel masse.

Når ein omfattar spesiell relativitet er ikkje tilnærminga om at rørslemengda er produktet av kvilemassen og hastigheita nøyaktig lenger ved høg hastigheit.

Ein impuls J oppstår når ei kraft F verkar over tidsintervallet Δt, og er gjeven av^[12][13]

${\displaystyle \mathbf {J} =\int _{\Delta t}\mathbf {F} \,\mathrm {d} t.}$

Sidan krafta er den tidsderiverte av rørslemengda følgjer det at

${\displaystyle \mathbf {J} =\Delta \mathbf {p} =m\Delta \mathbf {v} .}$

Dette forholdet mellom impuls og rørslemengd er nærare slik Newton sjølv formulerte den andre lova.^[14]

Impuls er eit omgrep som ofte vert nytta i analysen av kollisjonar og støytar.^[15]

System med variabel masse, som ein rakett som brenn brensel og sender ut gassar, er ikkje eit lukka system og kan ikkje direkte handsamast ved å la massen vere ein funksjon av tida i den andre lova;^[10] altså er den følgjande formelen feil:^[11]

${\displaystyle \mathbf {F} _{\mathrm {net} }={\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} t}}{\big [}m(t)\mathbf {v} (t){\big ]}=m(t){\frac {\mathrm {d} \mathbf {v} }{\mathrm {d} t}}+\mathbf {v} (t){\frac {\mathrm {d} m}{\mathrm {d} t}}.\qquad \mathrm {(feil)} }$

Ein kan sjå at denne formelen er feil ved å merke seg at han ikkje tar omsyn til galileisk invarians: ein lekam med varierande masse med F = 0 i eit tregleikssystem vil sjå ut til å ha F ≠ 0 i eit anna system.^[9]

Den korrekte likninga for rørsla til ein lekam med masse m som varierer med tida får ein ved å nytte den andre lova på det totale systemet som har konstant masse, systemet som inneheld både lekamen og massen som forsvinn/vert lagt til^[9]

${\displaystyle \mathbf {F} +\mathbf {u} {\frac {\mathrm {d} m}{\mathrm {d} t}}=m{\mathrm {d} \mathbf {v} \over \mathrm {d} t}}$

der u er den relative hastigheita til den forsvinnande eller innkommande massen i forhold til lekamen. Frå denne likninga kan ein finne Tsiolkovskij rakettlikning.

I somme høve vert storleiken u dm/dt å venstresida, kjend som drivkraft, definert som ei kraft (krafta lekamen utøver på den endrande massen, som utstrøyminga får ein rakett) og er inkludert i storleiken F. Set ein då inn definisjonen for akselerasjon vert likninga F = ma.

Den tredje lova seier at alle krefter finst i par: om ein lekam A utøver ei kraft F_A på ein annan lekam B, så vil B samstundes utøve ei kraft F_B på A, og dei to kreftene er like store og motsett retta: F_A = −F_B.^[16] Den tredje lova tyder at alle krefter er vekselverknader mellom forskjellige lekamar,^[17][18] og dermed finst det ikkje noko slikt som ei kraft som berre verkar i ei retning, eller ei kraft som berre verkar på éin lekam. Denne lova vert stundom kalla handlings-reaksjonslova, der F_A vert kalla «handlinga» og F_B «reaksjonen». Handlinga og reaksjonen skjer samstundes, og det spelar inga rolle kva av dei som vert kalla handling og reaksjon, sidan begge er ein del av ein enkel vekselverknad, og ingen av dei eksisterer utan den andre.^[16]

Dei to kreftene i Newtons tredje lov er av same type (t.d. om vegen utøver ei framoverretta friksjonskraft på akselererande bilhjul, så er det òg ei friksjonskraft frå hjula bakover på vegen). Ein person som går over eit golv pressar ned mot golvet, samstundes som golvet pressar attende mot personen.^[19]

• Video av fysikkforelesning ved MIT om dei tre lovene
• Light and Matter – ei nettbasert lærebok
• Motion Mountain – ei nettbasert lærebok
• Simulering av den første lova til Newton