Οι τρεις νόμοι του Νεύτωνα

Οι τρεις νόμοι του Νεύτωνα είναι ίσως η αφετηρία της σύγχρονης Φυσικής. Ο Νεύτωνας δεν προσπάθησε μόνο να ερμηνεύσει το φαινόμενο της κίνησης των σωμάτων και της επίδρασης των δυνάμεων σε αυτή, αλλά διατύπωσε και μαθηματικές εκφράσεις ώστε να είναι δυνατό να υπολογιστεί η κίνηση ενός σώματος και να προβλεφθεί η θέση του σε μελλοντικό χρόνο. Θα προσπαθήσουμε να αποδώσουμε χωρίς πολύπλοκες μαθηματικές εκφράσεις αυτούς τους τρεις νόμους και να τους ερμηνεύσουμε με απλά λόγια ώστε να γίνουν κατανοητοί από όλους τους αναγνώστες ακόμα και αν δεν έχουν εκπαίδευση στη Φυσική.

Ο πρώτος νόμος αναφέρεται στην αδράνεια. Αν ένα σώμα είναι ακίνητο και δεν το πειράξει κανένας θα συνεχίσει να είναι ακίνητο^. κάτι πολύ λογικό και κατανοητό, το σώμα δε θέλει να μεταβάλει την κινητική του κατάσταση. Το ίδιο συμβαίνει και όταν κινείται, αν δεν το πειράξει κανένας θα συνεχίσει να κινείται προς την ίδια κατεύθυνση και με την ίδια ταχύτητα. Το δεύτερο δεν μπορούμε να το αντιληφθούμε από την πρακτική εμπειρία μας γιατί δεν είναι δυνατό να υπάρξει τέτοια κατάσταση στο περιβάλλον που ζούμε. Πάντα θα υπάρχει το βάρος του και η τριβή με την επιφάνεια που κινείται ή με τον αέρα, με αποτέλεσμα κάποτε να σταματήσει. Αν όμως δεν υπάρχει βαρύτητα, επιφάνεια που κινείται, αέρας, έξω δηλαδή από την ατμόσφαιρα και μακριά από τη Γη, τότε θα μπορέσει να γίνει αντιληπτό. Αν παρατηρήσουμε εικόνες που αναπαριστούν τα ταξίδια των διαστημοπλοίων που ταξίδεψαν στο διάστημα, θα δούμε ότι αφού απομακρύνθηκαν από τη Γη και τους κοντινούς πλανήτες, συνέχιζαν το ταξίδι τους χωρίς να λειτουργούν οι κινητήρες τους και να καταναλώνουν καύσιμα και κινούνταν ευθεία με σταθερή ταχύτητα (στην πραγματικότητα ελαττώνονταν πάρα πολύ αργά η ταχύτητά τους λόγω της έλξης του του Ήλιου).

Καταλήγουμε λοιπόν ότι αν δεν επιδρούν κάποιοι παράγοντες, δηλαδή δεν ασκούνται δυνάμεις, σε ένα σώμα, αυτό συνεχίζει να έχει την ίδια κινητική κατάσταση^. αν κινούνταν συνεχίζει να κινείται στην ίδια κατεύθυνση και με την ίδια ταχύτητα, δηλαδή ευθύγραμμα ομαλά, αν δεν κινούνταν παραμένει ακίνητο.

Τα σώματα, τώρα, γύρω μας που παραμένουν ακίνητα, η πρώτη δηλαδή περίπτωση που αναφέραμε παραπάνω, δεν είναι στην πραγματικότητα απαλλαγμένα από δυνάμεις. Ασκούνται σε αυτά διάφορες δυνάμεις με τέτοιο τρόπο ώστε να μην έχουν καμία επίδραση. Αυτό συμβαίνει γιατί είναι αντίθετες και το άθροισμά τους είναι μηδέν, όπως το βάρος του σώματος και η αντίδραση^[1] του εδάφους. Αν τώρα αρχίσουν να τραβάνε κάποιοι αυτό το σώμα με την ίδια δύναμη αλλά προς αντίθετες κατευθύνσεις, πάλι θα παραμείνει ακίνητο, αυτή τη φορά με τέσσερις δυνάμεις να ασκούνται σε αυτό και το ίδιο θα συμβεί για όσα ζευγάρια ίσων και αντίθετων δυνάμεων και αν ασκηθούν, γιατί το άθροισμα όλων των δυνάμεων μαζί (η συνισταμένη των δυνάμεων) θα είναι μηδέν.

Ομοίως αν κινείται ευθύγραμμα και με σταθερή ταχύτητα και ασκούνται σε αυτό δυνάμεις που το άθροισμά τους είναι μηδέν τότε θα συνεχίσει να κινείται με τον ίδιο τρόπο. Αυτό το συναντούμε στα αεροπλάνα που κινούνται στη ατμόσφαιρα. Αναφέραμε παραπάνω ότι στο περιβάλλον που ζούμε υπάρχουν τριβές και βαρύτητα. Παρόλα αυτά, τα αεροπλάνα μπορούν να κινούνται με σταθερή ταχύτητα ευθύγραμμα. Αυτό συμβαίνει γιατί οι κινητήρες τα προωθούν ώστε να νικηθούν οι τριβές. Επίσης, από το σχήμα των φτερών^[2] τους, εξαιτίας της ταχύτητας κίνησης, αναπτύσσεται μια δύναμη αντίθετη της βαρύτητας ώστε να νικηθεί και αυτή. Έτσι το συνολικό άθροισμα των δυνάμεων που ασκούνται σε αυτά είναι μηδέν και συνεχίζουν να κινούνται ευθύγραμμα ομαλά.

Γενικεύοντας με όλες τις περιπτώσεις μπορούμε να πούμε ότι αν σε ένα σώμα δεν ασκούνται δυνάμεις ή ασκούνται δυνάμεις μηδενικής συνισταμένης, τότε το σώμα είτε παραμένει ακίνητο, είτε κινείται ευθύγραμμα ομαλά.

Ο δεύτερος νόμος του Νεύτωνα αναφέρεται στη μεταβολή της κινητικής κατάστασης ενός σώματος εξαιτίας της επίδρασης μιας δύναμης. Η ορμή είναι μια έννοια με την οποία είμαστε αρκετά εξοικειωμένοι. Ένας ποταμός είναι ορμητικός αν έχει πολύ νερό και κινείται με μεγάλη ταχύτητα^. ένας μεγάλος βράχος που κυλάει με ταχύτητα λέμε ότι έχει μεγάλη ορμή, ενώ μια μικρή πέτρα που κινείται με την ίδια ταχύτητα δεν τη λέμε ορμητική. Η ορμή συνεπώς εξαρτάται και από τη μάζα και από την ταχύτητα του σώματος και μάλιστα είναι το γινόμενο της μάζας με την ταχύτητα.

Αν σπρώξουμε ένα μεγάλο σώμα θα κινηθεί με κάποια ταχύτητα^[3] προς την κατεύθυνση που το σπρώξαμε. Αν σπρώξουμε με ίση δύναμη ένα μικρότερο σώμα (με μικρότερη μάζα), η εμπειρία μας λέει ότι θα κινηθεί με μεγαλύτερη ταχύτητα. Και στις δύο περιπτώσεις θα αλλάξει η ορμή του σώματος και σύμφωνα με το δεύτερο νόμο του Νεύτωνα η μεταβολήτης ορμής θα είναι ίδια εφόσον ασκούνται ίσες δυνάμεις. Για αυτό το λόγο το μικρότερο σώμα θα κινηθεί με μεγαλύτερη ταχύτητα, ώστε το γινόμενο της μάζας με την ταχύτητα να είναι το ίδιο και δύο περιπτώσεις.

Αν τώρα ασκούμε συνεχώς δύναμη σε ένα σώμα, τότε η ταχύτητά του θα αρχίσει να αυξάνει και κατά συνέπεια η ορμή του θα αρχίσει να μεταβάλλεται με κάποιο ρυθμό^[4]. Ο ρυθμός μεταβολής της ορμής ισούται με τη δύναμη που ασκείται σε ένα σώμα και έχει τη διεύθυνση και τη φορά αυτής. Πιο εύκολα κατανοητός ο δεύτεροςνόμος, όμως μεγάλος σε σπουδαιότητα, αφού από αυτόν προκύπτει, μετά από μαθηματική επεξεργασία, ο Θεμελιώδης Νόμος της Μηχανικής, όπου μας λέει ότι η δύναμη που ασκούμε σε ένα σώμα ισούται με το γινόμενο της μάζας του με την επιτάχυνση που θα αποκτήσει προς την κατεύθυνση που ασκείται η δύναμη. Με αυτήν τη σχέση μπορούμε να υπολογίσουμε τη δύναμη που χρειάζεται για να κινήσουμε κάποιο σώμα, την ταχύτητα που θα αποκτήσει, τον χρόνο που χρειάζεται, και χρησιμοποιείται σε κάθε εφαρμογή όπου έχουμε να μελετήσουμε κάποια κίνηση.

Ο τρίτος νόμος του Νεύτωνα αναφέρεται στον τρόπο που ασκούνται οι δυνάμεις μεταξύ των σωμάτων. Θα χρησιμοποιήσουμε πάλι το παράδειγμα του σώματος που σπρώχνουμε. Αν προσπαθήσουμε να σπρώξουμε ένα μεγάλο σώμα και βάλουμε απότομα δύναμη, θα αισθανθούμε έντονη πίεση στα χέρια μας και αν δεν καταφέρουμε να το κάνουμε να κινηθεί, θα αισθανθούμε να μας σπρώχνει το σώμα πίσω, να μας απωθεί. Αυτό μας λέει και ο τρίτος νόμος. Αν ένα σώμα ασκεί μια δύναμη σε ένα δεύτερο τότε και το δεύτερο ασκεί μια ίση και αντίθετη δύναμη στο πρώτο. Για κάθε δράση υπάρχει και μια ίση αντίδραση.

Την έννοια αντίδραση συναντήσαμε παραπάνω όταν ερμηνεύσαμε τον πρώτο νόμο, όπου ένα σώμα βρίσκεται ακίνητο στο έδαφος. Το αποτέλεσμα της αντίδρασης μπορούμε επίσης να παρατηρήσουμε στις κρούσεις, όπου αν ένα σώμα που κινείται συγκρουστεί πλαγίως με άλλο ακίνητο, τότε αλλάζει κατεύθυνση και αυτό που αρχικά κινούνταν. Σύμφωνα με τον πρώτο νόμο, για να αλλάξει η κινητική του κατάσταση (η αλλαγή κατεύθυνσης είναι αλλαγή κινητικής κατάστασης, όπως και η αλλαγή ταχύτητας) θα πρέπει να ασκηθεί σε αυτό μια δύναμη και η δύναμη αυτή είναι η αντίδραση από το δεύτερο σώμα. Στην περίπτωση της κρούσης, φυσικά, για να υπολογίσουμε τις κινήσεις των σωμάτων μετά την κρούση, θα πρέπει να λάβουμε υπόψη μας διάφορες άλλες παραμέτρους και την αρχή διατήρησης της ορμής, από την οποία απορρέει ο τρίτος νόμος του Νεύτωνα και θα ερμηνευτεί σε επόμενο κεφάλαιο.

[1] Ας κρατήσουμε αυτήν την λέξη στη μνήμη μας, θα τη συναντήσουμε ξανά στον τρίτο νόμο όπου και θα την ερμηνεύσουμε.

[2] Σε επόμενο κεφάλαιο θα ερμηνεύσουμε τον τρόπο με τον οποίο το σχήμα των φτερών πετυχαίνει την ανάπτυξη δυνάμεων για να εξασφαλιστεί η πτήση.

[3] Φυσικά θα σταματήσει στη συνέχεια λόγω τριβών.

[4] Εύκολα μπορούμε να παρατηρήσουμε ότι όσο πιο δυνατά σπρώχνουμε κάτι τόσο πιο γρήγορα αυξάνει η ταχύτητά του άρα μεταβάλλεται με μεγαλύτερο ρυθμό τόσο η ταχύτητα όσο και η ορμή.