Innehåll
När du tittar på tennis eller någon annan sport tittar du på en demonstration av fysik, bara med mer jubel än det typiska fysiksexperimentet. Centrala i handlingen är de tre rörelselagen som beskrevs 1687 av Sir Isaac Newton, Grand Slam-mästaren för preindustriell vetenskap. På många sätt är en tennismatch ett test av vilken spelare manipulerar Newtons lagar till största effekt.
Lagarna
Newtons första lag av rörelse kallas vanligen tröghetslagen: Ett objekt i ett tillstånd av enhetlig rörelse kommer att förbli i den rörelsen såvida det inte stöter på en extern kraft, och ett objekt i vila kommer att förbli i vila, såvida det inte handlas av en extern tvinga. Newtons andra lag definierar förhållandet mellan en objektmassa, den kraft som appliceras på den och den acceleration som resulterar: Kraften är lika med massan gånger accelerationen, eller F = ma. Newtons tredje lag om rörelse kan vara den som de flesta är mest bekanta med, bara för att de ser den citerade så ofta: För varje handling finns det en lika och motsatt reaktion.
Den första lagen
I tennis är den mest uppenbara förekomsten av Newtons första lag banans väg. När du slår bollen med din racket går den i en viss riktning. Om du spelade spelet i vakuumet mellan intergalaktiska rymden, ljusår från någon tyngdkraftsproducerande kropp, skulle bollen fortsätta i den riktningen mer eller mindre på obestämd tid, eftersom inga yttre krafter skulle agera på den. På jorden är emellertid två stora krafter på arbete: Luftmotstånd saktar bollens hastighet och tyngdkraften drar bollen mot marken.
Den andra lagen
När du slog den tennisbollen med din racket - i rymden eller på jorden - utövade du en kraft på den. Hur mycket kraft? Det är där Newtons andra lag kommer in: Kraft är lika med masstider acceleration. I denna ekvation mäts massan i kilogram och accelerationen i en enhet som kallas "meter per sekund per sekund." Acceleration är inte samma sak som hastighet; snarare är det den hastighet med vilken något påskyndas. Om ett objekt rör sig med 1 m per sekund, eller "m / s", och det snabbar upp så att en sekund senare rör sig vid 2 m / s, rusade det upp 1 m / s i den ena sekunden - 1 m per sekund per sekund.
Nu tillbaka till den tennisboll du träffade: En tennisboll har en massa på cirka 56 g, eller 0,056 kg. Och låt oss säga att du sätter tillräckligt med zing på bollen att en tiondel av en sekund efter att du träffat den når 100 km / h eller 44,7 m per sekund. Det är en accelerationshastighet på 447 m per sekund per sekund eller m / s / s. Multiplicera 0,056 kg gånger 447 m / s / s och du får 25,032. Men 25.032 av vad? Kraft mäts i enheter som kallas, lämpligt nog, Newton. Du slår bollen med 25.032 Newton kraft. Fin servering.
Den tredje lagen
Du serverar bollen, din motståndare returnerar serven och du går tillbaka hennes volley. Du planterar foten på marken och skjuter av. Du trycker i en riktning - i en vinkel i marken - och din kropp går i motsatt riktning, i en vinkel bort från marken. Kraften som du pressade in i marken är den kraft som du framåt drivde med. Det är handling och reaktion. Du är Newtons tredje lag om rörelse, i rörelse.