慣性の法則としても知られるニュートンの最初の法則は、物理学者、数学者、哲学者、神学者、英国の発明家であり、錬金術師であるアイザックニュートンによって最初に提案されました。この法則は次のように述べています。「オブジェクトが力を受けない場合、またはオブジェクトに作用する力が互いに相殺される場合、オブジェクトは一定の速度で直線を移動し続けます。」
このステートメントでは、キーワードは継続されます。法の前提が満たされている場合、オブジェクトは以前と同じように動き続けます。不均衡な力が現れて運動状態が変化しない限り。
ニュートンの第一法則の説明。出典：自作。
つまり、オブジェクトが静止している場合、力がその状態を解除した場合を除いて、オブジェクトは静止し続けます。また、オブジェクトが一定の速度で直線方向に移動している場合、その方向に移動し続けます。これは、外部エージェントが力を加えて速度を変更した場合にのみ変更されます。
法の背景
アイザックニュートンは、1643年1月4日にウールスソープマナー（イギリス）で生まれ、1727年にロンドンで死去しました。
アイザックニュートン卿が最初の法則を含む3つの力学法則を発見した正確な日付は、確実にはわかっていません。しかし、有名な本、自然哲学の数理原理が1687年7月5日に出版されるよりずっと前のことであることが知られています。
王立スペイン語アカデミーの辞書では、慣性という言葉を次のように定義しています。
「力の作用によってではないにしても、休息または運動の状態を維持するための身体の特性。」
この用語は、状況を達成するための努力がなされていないため、状況が変わらないことを確認するためにも使用されます。したがって、慣性という言葉には、日常または怠惰の含意があります。
ニュートン前の見方
ニュートンの前は、支配的なアイデアは、ギリシャの偉大な哲学者アリストテレスのアイデアでした。彼は、オブジェクトが動き続けるには力がそれに作用しなければならないことを認めました。力が止まると、動きも止まります。そうではありませんが、今日でも多くの人がそう思います。
1564年から1642年まで住んでいたイタリアの天文学者であり物理学者でもあるガリレオガリレイは、身体の動きを実験して分析しました。
ガリレオの観察の1つは、滑らかで磨かれた表面上で一定の初期衝撃でスライドするボディは、停止に時間がかかり、ボディと表面の間の摩擦が少ないため、直線移動が多いということでした。
ガリレオが慣性の考えを扱ったことは明らかですが、彼はニュートンほど正確な声明を策定するようにはなりませんでした。
以下では、読者が実行して結果を確認できるいくつかの簡単な実験を提案します。観測はまた、アリストテレスの動きのビューとニュートンのビューに従って分析されます。
慣性実験
実験1
箱が床に推進され、駆動力が停止します。ボックスが止まるまで短い経路を移動することがわかります。
前の実験とその結果を、ニュートン以前の理論の枠組みの中で、そして第一法則に従って解釈してみましょう。
アリストテレスのビジョンでは、説明は非常に明確でした。ボックスを動かす力が停止したため、ボックスが停止しました。
ニュートンビューでは、床と地面のボックスは、力が停止したときの速度で移動し続けることができません。これは、床とボックスの間に不均衡な力があり、速度がボックスが停止します。摩擦力です。
この実験では、ニュートンの第1法則の前提が満たされていないため、ボックスは停止しました。
実験2
再びそれは床/地面上の箱です。この機会に、ボックスへの力が維持され、摩擦力を補償または平衡化します。これは、ボックスを一定の速度でまっすぐな方向に追従させるときに発生します。
この実験は、アリストテレスの運動の見方と矛盾しません。力が加えられるため、箱は一定の速度で動きます。
また、ボックスに作用するすべての力のバランスが取れているため、ニュートンのアプローチと矛盾しません。どれどれ：
- 水平方向では、ボックスに加えられる力はボックスと床の間の摩擦力と等しく、反対方向です。
- したがって、水平方向の正味の力はゼロです。そのため、ボックスはその速度と方向を維持します。
また、垂直方向に下向きの力であるボックスの重量は、地面がボックスに垂直上向きに及ぼす接触（または垂直）力によって正確に補償されるため、垂直方向でも力はバランスします。
ちなみに、箱の重さは地球の引力によるものです。
実験3
箱を床に置いたままです。垂直方向では、力は釣り合っています。つまり、正味垂直力はゼロです。ボックスが上に移動した場合、それは確かに非常に驚くべきことです。しかし、水平方向には摩擦力があります。
さて、ニュートンの最初の法則の前提が満たされるためには、摩擦を最小限に抑える必要があります。これは、シリコーンオイルをスプレーする非常に滑らかな表面を探す場合、かなり大まかに達成できます。
シリコーンオイルは摩擦をほぼゼロに抑えますので、このボックスを水平に投げると、その速度と方向を長時間維持します。
アイススケート場のスケーターや、アイスホッケーパックが自分で推進されて解放されるときに発生する現象と同じです。
記述されている状況では、摩擦がほぼゼロになり、結果として生じる力は実質的にゼロになり、オブジェクトはニュートンの第1法則に従って速度を維持します。
アリストテレスの見解では、これは起こり得ませんでした。なぜなら、この単純な理論によれば、運動は、動く物体に正味の力がある場合にのみ起こるからです。
凍結した表面は、非常に低い摩擦と見なすことができます。出典：Pixabay。
ニュートンの第一法則の説明
慣性と質量
質量は、身体または物体に含まれる物質の量を示す物理量です。
質量はそれから物質の本質的な特性です。しかし、物質は質量を持つ原子で構成されています。原子の質量は核に集中しています。原子と物質の質量を実際に定義するのは、核内の陽子と中性子です。
質量は一般にキログラム（kg）で測定され、国際単位系（SI）の基本単位です。
kgのプロトタイプまたは参照は、フランスのセーヴルにある国際重量計量局に保管されているプラチナおよびイリジウムのシリンダーですが、2018年にプランク定数にリンクされ、新しい定義が有効になりました。 2019年5月20日。
さて、慣性と質量が関連していることが起こります。質量が大きいほど、オブジェクトの慣性が大きくなります。質量の小さいオブジェクトよりも、質量の大きいオブジェクトの運動状態を変更することは、エネルギーの面ではるかに困難またはコストがかかります。
例
たとえば、1トン（1000 kg）の箱を1キログラム（1 kg）の箱から持ち上げるには、1キログラム（1 kg）の箱よりもはるかに力と労力がかかります。そのため、最初の方が2番目より慣性が大きいとよく言われます。
慣性と質量の関係により、ニュートンは速度だけでは運動状態を表すものではないことに気付きました。そのため、彼はpで表され、質量mと速度vの積である運動量または運動量と呼ばれる量を定義しました。
p = m v
pとvの太字は、それらがベクトルの物理量であること、つまり、大きさ、方向、感覚を持つ量であることを示しています。
一方、質量mはスカラー量であり、ゼロ以上の数値が割り当てられますが、決して負にはなりません。これまでのところ、既知の宇宙では負の質量の物体は発見されていません。
ニュートンは彼の想像力と抽象化を極端にして、いわゆる自由粒子を定義しました。パーティクルは質点です。つまり、それは数学的な点に似ていますが、質量があります。
自由粒子とは、宇宙内の別のオブジェクトから遠く離れているため、相互作用や力を加えることができない粒子です。
その後、ニュートンは慣性参照系を定義しました。慣性参照系は、彼の3つの運動法則が適用されるものです。これらの概念による定義は次のとおりです。
慣性参照システム
自由粒子に接続されている座標系、または自由粒子に対して一定の速度で移動する座標系は、慣性参照系になります。
ニュートンの第一法則（慣性の法則）
粒子が自由な場合、慣性参照系に対して一定の運動量を持ちます。
ニュートンの最初の法則と勢い。出典：自作。
解決された演習
演習1
160グラムのホッケーパックが3 km / hでアイススケート場に行きます。その勢いを見つけます。
解決
キログラムで表したディスクの質量は、m = 0.160 kgです。
1秒あたりのメートル単位の速度：v =（3 / 3.6）m / s = 0.8333 m / s
運動量または運動量pは次のように計算されます：p = m * v = 0.1333 kg * m / s、
演習2
前部椎間板の摩擦はゼロと見なされるため、椎間板の直線的なコースを変更しない限り、運動量は維持されます。ただし、ディスクには2つの力が作用することが知られています。ディスクの重量と、床がディスクに及ぼす接触力または垂直力です。
ニュートンとその方向の垂直力の値を計算します。
解決
運動量が保存されるため、ホッケーパックに加わる力はゼロでなければなりません。重量は垂直方向下向きで有効です：P = m * g = 0.16 kg * 9.81 m /s²
垂直力は必然的に重量に対抗しなければならないので、垂直に上向きでなければならず、その大きさは1.57 Nになります。
興味のある記事
実生活におけるニュートンの法則の例。
参考文献
- Alonso M.、Finn E. Physics volume I：Mechanics。1970. Fondo Educativo Interamericano SA
- ヒューイット、P。概念物理学。第5版。ピアソン。67〜74。
- 若い、ヒュー。現代物理学と大学物理学。第14版ピアソン。105-107。