Hvad er Newtons første lov?

Før Galileo og Newton, troede mange mennesker at objekter blev bremset, fordi de havde en naturlig indbygget tendens til at gøre det. Men disse mennesker tog ikke hensyn til de mange kræfter – fx friktion, tyngdekraft og luftmodstand - her på Jorden, der påvirker objekter, så deres hastighed ændres. Hvis vi kunne observere bevægelsen af et objekt i det dybe interstellare rum, så ville vi se et objekts bevægelse uden ydre påvirkninger. I det dybe interstellare rum ville vi kunne observere, at et objekt, der bevæger sig med en vis hastighed, vil det fortsætte med at bevæge sig med denne hastighed, indtil det påvirkes af en kraft, der tvinger den til at ændre sin bevægelse. Tilsvarende hvis et objekt er i hvile i det interstellare rum, ville det forblive i hvile, indtil en kraft sætter det i bevægelse.

I videoen nedenfor, kan vi se, at objekter i den internationale rumstation enten forbliver i hvile eller fortsætter med konstant hastighed i forhold til rumstationen, indtil de bliver påvirket af en kraft.

Ideen om, at objekter kun ændrer deres hastighed på grund af en kraft, er en grundlæggende del af Newtons første lov.

Newtons første lov: Et objekt i hvile forbliver i hvile og et objekt i bevægelse forbliver i bevægelse med en konstant hastighed, medmindre det påvirkes af en ekstern nettokraft.

Bemærk den gentagne brug af ordet forbliver. Vi kan tænke på denne lov som bevarende af status quo for bevægelser. Newtons første bevægelseslov fastslår, at der altid er en årsag - en ekstern nettokraft - til at der sker en ændring i hastighed, uanset om det er en ændring i størrelse eller retning. Et objekt, der glider hen over et bord eller gulv, bremser på grund af nettokraften fra friktion, der virker på objektet. Men på airhockey bordet, hvor luften afholder pucken fra at røre ved bordet, fortsætter pucken med at bevæge sig med en stort set konstant hastighed, indtil en kraft virker på den - f.eks. når den rammer ind i siden af bordet.

En kraft er et tryk eller et træk udøvet på et objekt af et andet objekt. Enheden for kraft $F$‍ kaldes newton eller blot $\text{N}$‍.

En ekstern kraft er en kraft, der stammer fra et objekt udefra, i modsætning til en intern kraft i objektet. For eksempel er tyngdekraften, som Jorden udøver på Månen, en ekstern kraft på Månen. Men den tyngdekraft, som den indre kerne af Månen udøver på den ydre skorpe af Månen, er en indre kraft på Månen. Interne kræfter i et objekt kan ikke forårsage en ændring i objektets samlede bevægelse.

Nettokraften på et objekt, skrevet som $\mathrm{\Sigma }F$‍, er den samlede kraft på et objekt. Hvis mange kræfter påvirker et objekt, så er nettokraften summen af alle disse kræfter. Det er vigtigt at huske, da $F$‍ er en vektor skal nettokraften $\mathrm{\Sigma }F$‍ udregnes ved hjælp af vektoraddition.

Med andre ord, hvis en æske med frosne burritos påvirkes med en kraft på 45 newton til højre og en kraft på 30 newton til venstre, så er nettokraften i den vandrette retning

Newtons første lov siger, at hvis nettokraften på et objekt er nul ($\mathrm{\Sigma }F=0$‍), så vil objektet have nul acceleration. Det betyder ikke nødvendigvis, at objektet er i hvile, men det betyder, at hastigheden er konstant. Hvis den konstante hastighed er nul, så er objektet i hvile, hvis den er forskellige fra nu, så er objektet i bevægelse med en konstant hastighed.

For æsken med frosne burritoer vil nettokraften være nul, hvis kraften til højre har en størrelse på 45 newton og kraften til venstre har en størrelse på 45 newton. Æsken vil derfor enten fortsætte med at bevæge sig med en konstant hastighed, hvis den allerede var i bevægelse før kræfterne virkede på den, eller forblive i hvile, hvis den allerede var i hvile, før kræfterne virkede på den.

Egenskaben for et objekt, der får det til at forblive i hvile eller forblive i bevægelse med konstant hastighed kaldes inerti. Newtons første lov kaldes ofte inertiens lov. Vi ved af egen erfaring, at nogle objekter har mere inerti end andre. Det er naturligvis vanskeligere at ændre bevægelsen af en stor kampesten end f.eks. en basketball.

Inertien af et objekt bestemmes af dets masse. Massen kan bestemmes ved at måle, hvor vanskeligt et objekt er at accelerere. Jo mere masse et objekt har, desto sværere er det at accelerere.

Groft sagt, jo flere “ting” eller materiale noget har, jo mere masse vil det have, og jo sværere vil det være at ændre dets hastighed, dvs. accelerere.

En rumsonde driver til højre med en konstant hastighed med sine rakatmoterer slukket i det dybe interstellare rum, langt fra nogen påvirkning fra planeter og stjerner. Hvis to raketmotorer begge tændes samtidigt og de udøver identiske kræfter til venstre og højre i de viste retninger, hvad vil der ske med rumsondens bevægelse?

a. Rumsonden vil fortsætte med konstant hastighed.
b. Rumsonden vil sætte farten op.
c. Rumsonden vil bremse og til sidst stoppe.
d. Rumsonden vil straks stoppe.

Det rigtige svar er a. Ifølge Newtons første lov, er en nettokraft, forskellige fra nul, nødvendig for at ændre hastigheden af et objekt. Nettokraften på rumsonden er nul, da kræfterne fra de to motorer ophæver hinanden, og der er ingen ændring i rumsondens hastighed.

En elevator bliver trukket opad med en konstant hastighed ved hjælp af et kabel, som vist i diagrammet nedenfor. Mens elevatoren bevæger sig opad med konstant hastighed, hvordan forholder størrelsen af den opadgående kraft af kablet på elevatoren, $F_c$‍, sig til størrelsen af tyngdekraften, $F_g$‍ på elevatoren?

a. $F_c$‍ er større end $F_g$‍.
b. $F_c$‍ er lig med $F_g$‍.
c. $F_c$‍ er mindre end $F_g$‍.
d. $F_c$‍ kan være større eller mindre end $F_g$‍ afhængigt af elevatorens masse.

Det rigtige svar er b. Hvis elevatoren bevæger sig med konstant hastighed, skal nettokraften være nul. For at nettokraften på elevatoren kan være nul, skal de opadgående og nedadgående kræfter nøjagtigt udligne hinanden.

En rumsonde driver til højre med konstant hastighed i det dybe interstellare rum, langt fra enhver påvirkning fra planeter og stjerner. Hvis en raketmotor tænder og derefter slukker for en kort kraftpåvirkning i den viste retning, hvad ville bedst repræsentere rakettens bane efter raketmotoren er slukket?

a. Bane a
b. Bane b
c. Bane c
d. Bane d

Det rigtige svar er c. Efter at raketmotoren er slukket, vil der ikke være nogen nettokraft på rumsonden. Når nettokraften er nul, må hastigheden, både størrelse og retning – være konstant. I følge Newtons første lov, bevæger rumsonden sig i en lige linje med konstant hastighed. At en lodret kraft virker på rumsonden påvirker ikke den vandrette hastighed af rumsonden, det ændrer kun den lodrette hastighed. En konstant lodret og vandret hastighed giver en diagonal lige linje gennem rummet.