Voimista liikeilmiöihin ja Newtonin lakeihin
Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka
Kari Sormunen
Kevät 2012
Liikkeiden luokittelua
LIIKE
Ihmisillä on ennakkokäsityksiä voimista ja liikkeestä
”Jos vahvempi kaveri törmää heikompaankaveriin, vahvemmalla on enemmän voimaa.”
”Pallon heittäjä antaa pallolle heittovoimaa,jonka avulla pallo lentää.”
”Kappaleen tasainen liike (nopeus ei muutu)vaatii vakiovoiman.”
”Liikkeen nopeus on verrannollinenliikuttavaan voimaan”.
”Jos kappale ei liiku, siihen ei vaikuta voimia.”
Newtonin ensimmäinen laki eli jatkavuuden laki
Jos kappaleeseen vaikuttavien voimiensumma on nolla, kappale pysyy paikallaan taitasaisessa liikkeessä
Jos kappale ei vuorovaikuta muiden kappaleidenkanssa, se jatkaa tasaista liikettään.
Huom! Myös suunnan muutos on liikkeenmuutosta (itse asiassa silloin kyseessä on kiihtyväliike).
Newtonin toinen laki eli dynamiikan peruslaki
Kappaleeseen kohdistuva voima Faiheuttaa kappaleelle kiihtyvyyden a. Joskappaleen massa on m, kiihtyvyyden javoiman välille saadaan yhteys F=ma
Massa on ominaisuus, joka vastustaa nopeudenmuutosta
Yksiköt: 1 kgm/s2 = 1 N
Newtonin kolmas laki eli voiman ja vastavoiman laki
Jos kappale 1 vaikuttaakappaleeseen 2 voimalla F,kappale 2 vaikuttaakappaleeseen 1samansuuruisella muttavastakkaissuuntaisellavoimalla
Kumpikin kappale saaNewtonin toisen lainmukaisen kiihtyvyyden
voimajavastavoima
Newtonin neljäs laki eli yleinen gravitaatiolaki
Jokainen kappale vetää
toista kappaletta puoleensa
voimalla, joka on suoraan
Verrannollinen massojen tuloon ja kääntäen verrannollinen
kappaleiden etäisyyden neliöön.
G on gravitaatiovakio, m on kappaleen massa ja r onkappaleiden välinen etäisyys
Tähän lakiin palataan tarkemmin vielä tähtitieteenosuudessa, kun tarkastelemme vuoroveden syntyä.
gravlaki
Kun maapallon massa ja säde tunnetaan, niiden avullavoidaan laskea m-massaiseen kappaleeseen kohdistuvavoima eli paino [vrt. ensimmäisen luennon viimeinen dia]
G=mg, missä kappaleen massa ja g on maapallonaiheuttama putoamiskiihtyvyys 9,81 m/s2, meidän käyttöömmetällä kurssilla riittää pyöristetty arvo eli g = n. 10 m/s2.
Edellä olevasta seuraa, että jos kappaleen massa on esim. 50 kg, niinsiihen kohdistuva paino G saadaan: G = 50 kg  10 m/s= 500 N
Esimerkiksi Kuussa sen massasta aiheutuva putoamiskiihtyvyyson noin kuudesosa putoamiskiihtyvyydestä Maassa ja näin ollenkappaleen paino on myös kuussa vain kuudesosan massastaMaassa.
Siis esim. 50 kg:n massa painaisi Kuussa vain 83,3 N
Pohdittavaa Newtonin laeista:
Minkä vuoksi autossa on käytettävä turvavyötä (esim. jossattuisi törmäämään seinään)?
Minkä vuoksi rekka-auton vetäminen tuntuu raskaammaltakuin henkilöauton vetäminen?
Jos ihminen nojaa seinään, vaikuttaako seinä suuremmallavoimalla ihmiseen kuin ihminen seinään?
Mitä tapahtuu ruuhkabussissa seisojille kun bussi lähteeliikkeelle, entä jarrutuksessa ja entä kaarteessa? Miksi?
Pöydällä on raaka kananmuna ja kypsä kananmuna: kuinkaniiden liikkeen perusteella Newton perustelisi kumpi onkumpi?
Ennakkokäsitystestin kysymykset 1-4
1.Henkilöauton ja kuorma-auton törmätessä
a)kuorma-auto vaikuttaa suuremmalla voimallahenkilöautoon kuin henkilöauto kuorma-autoon
b)henkilöauto vaikuttaa kuorma-autoon suuremmallavoimalla kuin kuorma-auto henkilöautoon
c)autot vaikuttavat toisiinsa yhtä suurilla voimilla
Vinkki: Pohdi Newtonin III lakia tässä yhteydessä.
Vertaa tätä ennakkokäsitykseen: ”isommallakaverilla on enemmän voimaa kuin pienemmällä”
Autojen törmäyksessä nähdään seuraukset, muttaniiden perusteella ei voi päätellä voimaa. Ilmiöaiheutuu massan hitaudesta, ei voimasta!
2.Parkkipaikalla seisovaan autoon
a)ei vaikuta mitään voimia
b)vaikuttaa vain painovoima
c)vaikuttavien voimien summa on nolla
Vinkki: Mitäs Newtonin 1. laki kertoikaan…
3.Jos auton A tasaisena pysyvä nopeus onkaksi kertaa niin suuri kuin auton B(tasainen) nopeus, niin
a)autoon A vaikuttaa suurempi kokonaisvoima
b)kappaleisiin vaikuttaa yhtä suuri nollastapoikkeava kokonaisvoima
c)kappaleisiin vaikuttavien voimien summa onnolla
Vinkki: Sovella Newtonin 1. lakia.
4.Kun auto kulkee ympyrärataa, siihen vaikuttavanvoiman suunta
a)on sama kuin auton kulkusuunta
b)suuntautuu ympyrän keskipisteeseen
c)suuntautuu poispäin ympyrän keskeltä
Vinkki: Mieti vastaavana tilanteena moukarinpyöritystä ja siinä moukariin kohdistuvaa voimaa. Mikävoima pitää moukarin pyöritysvaiheessa radallaan jamihin suuntaan kohdistuu moukariin radallaan pitävävoima? Piirrä kuvio.