Zasady dynamiki Newtona, część 1 - co w nich trudnego?
Zasady dynamiki a podstawa programowa
W szkole podstawowej jako pierwsza powinna być wprowadzana trzecia zasada dynamiki, a uczeń ma się nią posługiwać w celu opisywania wzajemnych oddziaływań ciał. Dopiero w następnej kolejności wprowadzona zostaje pierwsza zasada dynamiki, a po niej druga.
W praktyce nic nie stoi na przeszkodzie, aby omawiać zasady dynamiki w tym porządku, ponieważ rozumiejąc, czym są siły wzajemnego oddziaływania i znając warunki ich równowagi, łatwiej określić, czy w konkretnej sytuacji siły działające na ciało równoważą się, czy też nie równoważą, a co za tym idzie – czy ciało porusza się z przyspieszeniem.
W szkole ponadpodstawowej uczeń powinien sprawnie posługiwać się zasadami dynamiki w celu wyjaśniania zachowania ciał oraz rozwiązywania zadań rachunkowych o zróżnicowanym stopniu trudności.
Odrobina historii
Do czasów Newtona opisywano ruch w ujęciu zaproponowanym przez Arystotelesa. Arystoteles zakładał, że każdy ruch ma swoją przyczynę. Jego rozważania na ten temat były jednak rozważaniami filozoficznymi i nie pozwalały na opisanie ruchu za pomocą zależności pomiędzy wielkościami fizycznymi, takimi jak siła, przyspieszenie czy prędkość.
Dopiero pod koniec XVII wieku Newton wykazał fałszywość założeń Arystotelesa i powiązał ruch (a w zasadzie pojęcie przyspieszenia ciała) z działającą na ciało siłą. Dzięki temu stało się możliwe przewidywanie, w jaki sposób zachowa się ciało poddane działaniu konkretnej siły, w tym na przykład wyznaczenie jego przyspieszenia i prędkości w określonej chwili.
Pierwsza zasada dynamiki
Pierwsza zasada dynamiki Newtona wyjaśnia zachowanie ciał na które nie działa niezrównoważona siła lub w ogóle nie działają żadne siły, przy czym to ostatnie w odniesieniu do rzeczywistych obiektów fizycznych jest dużym uproszczeniem. Należy ją rozumieć w ten sposób, że jeśli wypadkowa siła działająca na dane ciało wynosi zero, to jego prędkość, rozumiana jako wielkość wektorowa, nie ulegnie zmianie. Jeśli do tej pory spoczywało, to nadal będzie spoczywać. Jeśli poruszało się ze stałą prędkością, to będzie kontynuowało ruch, nie zmieniając ani jej wartości, ani kierunku.
W niektórych podręcznikach zasada ta jest definiowana w następujący sposób: „Jeżeli na ciało nie działa żadna siła lub siły działające równoważą się, to ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym”. Jakkolwiek sformułowanie to jest prawdziwe, wydaje się ono jednak nieco zbyt długie, co skłania do uczenia się go na pamięć, bez wnikania w jego głębszy sens. W efekcie niektórzy uczniowie nie potrafią ocenić, co będzie się działo z ciałem, któremu nadano pewną prędkość i od tej pory przestała działać niezrównoważona siła. Czy będzie się nadal poruszać, czy może jednak się zatrzyma?
Druga zasada dynamiki
Druga zasada dynamiki wiąże pojęcie przyspieszenia z pojęciem siły. Dowiadujemy się z niej, że działając na ciało niezrównoważoną siłą, nadajemy mu pewne przyspieszenie. Jakkolwiek samo zrozumienie tej zasady nie sprawia uczniom większych kłopotów, to w praktyce uczniowie mają problemy z wyznaczeniem wypadkowej siły działającej na ciało, szczególnie w bardziej rozbudowanych zadaniach, w których należy uwzględnić kilka działających sił.
Trzecia zasada dynamiki
Zgodnie z trzecią zasadą dynamiki w sytuacji, w której ciało A działa na ciało B pewną siłą, ciało B działa na ciało A siłą o tej samej wartości i kierunku, lecz przeciwnym zwrocie. Uczniowie zapytani o tę zasadę nie mają zazwyczaj problemu z przytoczeniem jej treści. Różnie jednak bywa w sytuacjach, w których należy ją zastosować w sytuacjach problemowych.
Przykładem takiego problemu mogą być wszelkie zadania, w których mamy do czynienia z przedmiotem o znanej masie, leżącym na sztywnym podłożu lub wiszącym na nierozciągliwej nitce. Jeśli zapytamy ucznia o siłę reakcji podłoża lub o siłę naciągu nitki, nie zawsze zauważy, że jest ona równa ciężarowi ciała, co wynika bezpośrednio z trzeciej zasady dynamiki.
Joanna Borgensztajn
