Njutnovi zakoni

 

To su tri osnovna zakona klasične fizike koji opisuju vezu između kretanja tela i sila koje deluju na telo. Ti zakoni čine temelje klasične mehanike, a njihov tvorac je engleski fizičar, matematičar i astronom ser Isak Njutn (1642–1727). Pored tih zakona, otkrio je i opšti zakon privlačenja masa (zakon gravitacije), čime je počela nova epoha u mehanici i astronomiji. Njutnovi zakoni objavljeni su u knjizi Philosophiae naturalis principia matematica (“Matematički princip prirodne filozofije”), 1687. godine.

Njutnovi zakoni važe samo u klasičnoj mehanici, gde je brzina kretanja tela znatno manja od brzine svetlosti, a masa tela znatno veća od mase atomskih delova (elektrona, protona i neutrona). U slučaju izuzetno velikih brzina, uporedivih sa brzinom svetlosti, ili izuzetno malih masa, uporedivih sa masom atoma, pojavljuju se drugi efekti koji se precizno opisuju zakonima kvantne mehanike i relativističke fizike.

 

Prvi Njutnov zakon (zakon inercije)

Osobinu svih tela da ostaju u stanju mirovanja ili ravnomernog pravolinijskog kretanja prvi je istakao italijanski naučnik Galileo Galilei, i nazvao je inercija. Tu pojavu je kasnije proučio Njutn i dao definiciju koja je poznata kao prvi Njutnov zakon ili zakon inercije:

Svako telo ostaje u stanju mirovanja ili ravnomernog pravolinijskog kretanja sve dok ga neka sila ne primora da to stanje promeni.

Taj zakon opisuje princip inercije i može se iskazati i na sledeći način: telo na koje ne deluje nijedna sila ima težnju da nastavi kretanje istim smerom i istom brzinom. Masa tela je mera inertnosti posmatranog tela.

 

Drugi Njutnov zakon (zakon kretanja)

Ubrzanje tela određene mase je srazmerno jačini sile koja na njega deluje. Ubrzanja koja dobiju tela različitih masa pod dejstvom jednakih sila obrnuto su srazmerna tim masama. Ta dva zaključka se mogu objediniti u jedan, koji predstavlja drugi Njutnov zakon:

Ubrzanje koje pri kretanju dobija jedno telo srazmerno je jačini sile koja na njega deluje, a obrnuto srazmerno masi tog tela.

Drugi Njutnov zakon omogućava izračunavanje jačine sile. Taj zakon opisuje činjenicu da je promena kretanja (ubrzanje) nekog tela moguća jedino dejstvom sile i povezuje silu koja deluje na telo sa njegovom masom i ubrzanjem kojim se kreće. Sila je srazmerna proizvodu mase tela i njegovog ubrzanja i ima isti smer kao i ubrzanje:

F = ma [N],

gde je:

m [kg] – masa,

a [m∕s2] – ubrzanje.

Jedan njutn je sila koja telu mase 1 kg daje ubrzanje od 1m∕s2.

Kako je težina tela sila, na osnovu tog zakona se može dobiti obrazac za težinu tela tako što se umesto oznake za silu (F) napiše oznaka za težinu (Q), a umesto oznake za ubrzanje (a) oznaka za ubrzanje Zemljine teže (g):

Q = mg [N],

gde je:

m [kg] – masa,

g = 9,80665 [m∕s2] – ubrzanje Zemljine teže.

 

Treći Njutnov zakon (zakon akcije i reakcije)

Akcija je uvek jednaka reakciji. Tu činjenicu uočio je Njutn i formulisao u trećem Njutnovom zakonu, koji daje meru za uzajamno dejstvo tela:

Za svaku silu akcije koja deluje na neko telo postoji i sila reakcije, koja je istog intenziteta i pravca kao i sila akcije, ali suprotnog smera.

Treba napomenuti da se te sile uzajamno ne poništavaju, već deluju u različitim referentnim sistemima, vezanim za telo koje je načinilo akciju i telo koje je reagovalo.

 

Univerzalni zakon gravitacije

Gravitaciono polje je prostor u kojem se oseća dejstvo gravitacione sile. Karakterišu ga posebna fizička svojstva, koja se opisuju pomoću dve vektorske (jačina gravitacione sile i jačina gravitacionog polja) i dve skalarne veličine (gravitacioni potencijal i energija polja).

Izučavajući uzajamno dejstvo tela, posebno Zemlje i tela iznad njene površine, kao i planeta i Sunca, Njutn je došao do zaključka da svaka dva tela deluju međusobno jednakim privlačnim silama, čak i ako se između njih nalazi vakuum. Gravitaciona sila određena je Njutnovim zakonom gravitacije, koji je postavio 1686. godine. Naime, Njutn je u periodu od 1665. do 1685. godine razvio svoju teoriju mehanike zasnovanu na ubrzanju, a ne samo na proučavanju brzine, kako su to činili Galileo Galilei i Rene Dekart pre njega. Ključna činjenica koju je Njutn prvi zapazio je da je sila koja deluje na jabuku koja pada sa drveta zapravo ista sila koja deluje na Zemlju i zbog koje se ona okreće oko Sunca. Iz tog saznanja potekao je Njutnov zakon gravitacije, koji se ubraja u četiri Njutnova zakona, pored tri osnovna zakona klasične mehanike. Taj zakon je jedan od najuniverzalnijih zakona, jer mu se pokorava celokupna priroda, od atoma do vasione.

Njutn je opisao gravitaciju kao međusobno privlačenje tela koja poseduju masu. Prema njegovoj jednačini, privlačna sila između dvaju tela srazmerna je proizvodu njihovih masa, a obrnuto srazmerna kvadratu njihovog međusobnog rastojanja:

031915_2244_nj1.png

gde je:

m1, m2 [kg] – mase tela,

d [m] – rastojanje između tela,

G – gravitaciona konstanta.

Konstanta proporcije, koju je Njutn označio kao G, brojno je jednaka sili između tela jediničnih masa na jediničnom rastojanju, i iznosi G = 6,67 × 10−11 [Nm2∕kg2]. Negativan predznak označava da je sila između tela privlačna.

Nedostatak Njutnovog zakona, koji je bio opšteprihvaćen sve do pojave Ajnštajnove opšte teorije relativiteta (1915), jeste u njegovoj nemogućnosti da prikaže vreme kao neizostavnu komponentu interakcije dva objekta. Prema Njutnu, gravitaciono privlačenje dvaju tela koja poseduju masu ne zavisi od osobina prostora, već od osobina samih tela. Uprkos tome, Njutnova univerzalna teorija gravitacije poslužila je kao osnova Ajnštajnovoj teoriji.