4.0 Inngangur að kraftafræði: Hreyfilögmál Newtons

Inngangur að kraftafræði: Hreyfilögmál Newtons

Two dolphins are shown in a pool at Lisbon Zoo. One is in the water, and the other is in the air diving back into water — Mynd 4.1 Hreyfilögmál Newtons lýsa hreyfingu höfrungsins. (heimild: Jin Jang)

Hreyfing vekur athygli okkar. Hreyfingin sjálf getur verið fögur og fær okkur til að dást að þeim kröftum sem þarf til að ná fram tilkomumikilli hreyfingu, eins og þegar höfrungur stekkur upp úr vatninu, stangarstökkvari tekur sig á loft, fugl flýgur eða gervihnöttur fer á sporbaug. Fræðin um hreyfingu kallast hreyfifræði, en hreyfifræði lýsir aðeins því hvernig hlutir hreyfast – hraða þeirra og hröðun. Kraftafræði (e. dynamics) fjallar um þá krafta sem hafa áhrif á hreyfingu hluta og kerfa. Hreyfilögmál Newtons eru undirstaða kraftafræðinnar. Þessi lögmál eru dæmi um víðfeðmi og einfaldleika þeirra meginreglna sem náttúran starfar eftir. Þau eru einnig altæk lögmál að því leyti að þau eiga við um sambærilegar aðstæður á jörðu niðri sem og úti í geimnum.

Hreyfilögmál Isaacs Newtons (1642–1727) voru aðeins einn hluti þess stórvirkis sem hefur gert hann goðsagnakenndan. Þróun lögmála Newtons markar umskiptin frá endurreisnartímanum til nútímans. Þessi umskipti einkenndust af byltingarkenndri breytingu á því hvernig fólk hugsaði um hinn efnislega alheim. Um margra alda skeið höfðu náttúruspekingar rökrætt um eðli alheimsins, að mestu byggt á ákveðnum rökfræðireglum, þar sem mikið var lagt upp úr hugsunum fyrri klassískra heimspekinga á borð við Aristóteles (384–322 f.Kr.). Meðal þeirra mörgu miklu hugsuða sem áttu þátt í þessari breytingu voru Newton og Galíleó.

Cover page of the first edition of a book, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, written by Isaac Newton. — Mynd 4.2 Stórvirki Isaacs Newtons, *Philosophiae Naturalis Principia Mathematica*, var gefið út árið 1687. Þar voru sett fram vísindaleg lögmál sem enn eru notuð í dag til að lýsa hreyfingu hluta. (heimild: Service commun de la documentation de l'Université de Strasbourg)

Galíleó átti stóran þátt í að festa athugun í sessi sem hinn endanlega úrskurðaraðila um sannleikann, fremur en „röklegar“ færslur. Notkun Galíleós á sjónaukanum var hans merkasta afrek við að sýna fram á mikilvægi athugunar. Hann uppgötvaði tungl á sporbaug um Júpíter og gerði aðrar athuganir sem stönguðust á við ákveðnar fornar hugmyndir og trúarkenningar. Af þessari ástæðu, og vegna þess hvernig hann kom fram við yfirvöld, var Galíleó dreginn fyrir rannsóknarréttinn og refsað. Hann varði síðustu árum ævi sinnar í stofufangelsi. Þar sem aðrir fyrir tíð Galíleós höfðu einnig gert uppgötvanir með því að athuga eðli alheimsins, og þar sem endurteknar athuganir staðfestu athuganir Galíleós, var ekki hægt að bæla niður eða afneita verkum hans. Eftir dauða hans voru verk hans staðfest af öðrum og hugmyndir hans voru að lokum viðurkenndar af kirkjunni og vísindasamfélaginu.

Galíleó lagði einnig sitt af mörkum til mótunar þess sem nú er kallað fyrsta lögmál Newtons um hreyfingu. Newton nýtti sér verk forvera sinna, sem gerði honum kleift að þróa hreyfilögmálin, uppgötva þyngdarlögmálið, finna upp örsmæðareikning og leggja mikið af mörkum til kenninga um ljós og liti. Það er ótrúlegt að margar þessara framfara hafi orðið til við einyrkjavinnu Newtons, án þeirra venjulegu samskipta sem eiga sér stað meðal vísindamanna í dag.

Það var ekki fyrr en með tilkomu nútímaeðlisfræði í byrjun 20. aldar sem uppgötvaðist að hreyfilögmál Newtons gefa aðeins góða nálgun á hreyfingu þegar hlutir hreyfast á hraða sem er margfalt minni en ljóshraði og þegar þessir hlutir eru stærri en flestar sameindir (um ${{{{\text{10}}^{{{−9}}}\, \text{m}}}}$ í þvermál). Þessar takmarkanir skilgreina svið sígildrar aflfræði, eins og fjallað er um í Introduction to the Nature of Science and Physics. Í byrjun 20^th aldar þróaði Albert Einstein (1879–1955) afstæðiskenninguna og, ásamt mörgum öðrum vísindamönnum, þróaði hann skammtafræðina. Sú kenning hefur ekki þær takmarkanir sem eru til staðar í sígildri eðlisfræði. Allar þær aðstæður sem við skoðum í þessum kafla, og allar þær sem koma á undan inngangi að afstæðiskenningunni í Special Relativity, eru á sviði sígildrar eðlisfræði.

OpenStax Concept Trailer for Newton's Laws