Première loi de Newton: explications et formules, expériences et exercices

La première loi de Newton, également connue sous le nom de loi de l'inertie, a été proposée par Isaac Newton, physicien, mathématicien, philosophe, théologien, inventeur et alchimiste anglais. La loi stipule ce qui suit: " Si un objet n'est soumis à aucune force ou si les forces qui agissent sur lui s'annulent, il continuera à se déplacer à vitesse constante en ligne droite."

Dans cette déclaration, le mot clé est continue. Si les prémisses de la loi sont remplies, l'objet poursuivra son mouvement tel qu'il était. Sauf si une force déséquilibrée apparaît et change l'état du mouvement.

Cela signifie que si l'objet est au repos, il restera au repos, à moins qu'une force ne le retire de cet état. Cela signifie également que si un objet se déplace avec une vitesse fixe dans une direction droite, il continuera à se déplacer de cette façon. Cela ne changera que lorsqu'un agent externe exercera une force dessus et changera de vitesse.

Contexte de la loi

Isaac Newton est né à Woolsthorpe Manor (Royaume-Uni) le 4 janvier 1643 et décédé à Londres en 1727.

La date exacte à laquelle Sir Isaac Newton a découvert ses trois lois de la dynamique, y compris la première, n’est pas connue avec certitude. Mais on sait que c'était bien avant la publication du célèbre livre intitulé Principes mathématiques de la philosophie naturelle, le 5 juillet 1687.

Le dictionnaire de l'Académie royale espagnole définit le mot inertie comme suit:

" Propriété des corps de maintenir leur état de repos ou de mouvement si ce n'est par l'action d'une force ".

Ce terme est également utilisé pour affirmer que toute situation reste inchangée car aucun effort n’a été fait pour y parvenir. Le mot inertie a donc parfois une connotation de routine ou de paresse.

La vision pré-newtonienne

Avant Newton, les idées prédominantes étaient celles du grand philosophe grec Aristote, qui affirmait que pour qu'un objet soit maintenu en mouvement, il est nécessaire qu’une force l’agisse. Lorsque la force cesse, alors le mouvement le sera aussi. Pas vraiment, mais même aujourd'hui, beaucoup le pensent.

Galileo Galilei, brillant astronome et physicien italien ayant vécu entre 1564 et 1642, a expérimenté et analysé le mouvement des corps.

Une des observations de Galileo a été qu'un corps qui glisse sur une surface lisse et polie avec une certaine impulsion initiale, prend plus de temps à s’arrêter et se déplace plus en ligne droite, car le frottement entre le corps et la surface est moindre.

Il est évident que Galilée a géré l’idée d’inertie, mais il n’a pas formulé de déclaration aussi précise que Newton.

Nous proposons ci-dessous quelques expériences simples que le lecteur peut effectuer et corroborer les résultats. Les observations seront également analysées selon la vision aristotélicienne du mouvement et la vision newtonienne.

Expériences sur l'inertie

Expérience 1

Une boîte est poussée sur le sol puis la force motrice est suspendue. Nous notons que la boîte parcourt une courte distance jusqu'à ce qu'elle s'arrête.

Interprétez l'expérience précédente et son résultat, dans le cadre des théories antérieures à Newton et ensuite selon la première loi.

Dans la vision aristotélicienne, l'explication était très claire: la boîte s'est arrêtée parce que la force qui l'a déplacée a été suspendue.

Dans la vue newtonienne, la boîte sur le sol ne peut pas continuer à se déplacer à la vitesse qu’elle avait au moment où la force était suspendue, car entre le sol et la boîte se trouve une force déséquilibrée, ce qui entraîne une diminution de la vitesse jusqu’à ce que la la boîte s'arrête. C'est à propos de la force de friction.

Dans cette expérience, les prémisses de la première loi de Newton ne sont pas respectées, c'est pourquoi la boîte s'est arrêtée.

Expérience 2

Encore une fois, c'est à propos de la boîte sur le sol / sol. Dans ce cas, la force est maintenue sur la boîte, de manière à compenser ou à équilibrer la force de friction. Cela se produit lorsque nous réalisons que la boîte continue à vitesse constante et dans la direction droite.

Cette expérience ne contredit pas la vision aristotélicienne du mouvement: la boîte se déplace à vitesse constante car une force s’exerce sur elle.

Cela ne contredit pas non plus l'approche de Newton, car toutes les forces agissant sur la boîte sont équilibrées. Voyons voir:

Dans le sens horizontal, la force exercée sur la boîte est égale et dans la direction opposée à la force de friction entre la boîte et le sol.
Ensuite, la force nette dans la direction horizontale est égale à zéro, c'est pourquoi la boîte conserve sa vitesse et sa direction.

Également dans le sens vertical, les forces sont équilibrées, car le poids de la boîte qui est orienté verticalement vers le bas est exactement compensé par la force de contact (ou normale) que le sol exerce verticalement vers le haut sur la boîte.

À propos, le poids de la boîte est dû à l'attraction gravitationnelle de la Terre.

Expérience 3

Nous continuons avec la boîte reposant sur le sol. Dans la direction verticale, les forces sont équilibrées, c'est-à-dire que la force verticale nette est nulle. Il serait certainement très surprenant que la boîte ait grimpé. Mais dans le sens horizontal, il y a une force de friction.

Maintenant, pour que la prémisse de la première loi de Newton soit réalisée, nous devons réduire le frottement à son expression minimale. Nous pouvons y parvenir de manière assez approximative si nous recherchons une surface très lisse sur laquelle nous pulvérisons de l’huile de silicone.

Au fur et à mesure que l'huile de silicone réduit le frottement à presque zéro, cette boîte, lorsqu'elle est libérée horizontalement, conserve sa vitesse et sa direction pendant un long moment.

C'est le même phénomène qui se produit avec un patineur sur une patinoire ou avec la rondelle de hockey sur glace lorsqu'il est conduit et laissé de côté.

Dans les situations décrites, dans lesquelles le frottement est réduit à presque zéro, la force résultante est pratiquement nulle et l'objet maintient sa vitesse, selon la première loi de Newton.

Pour Aristote, cela ne pourrait pas arriver, car selon cette théorie naïve, le mouvement ne se produit que lorsqu'il y a une force nette sur l'objet en mouvement.

Explication de la première loi de Newton

Inertie et masse

La masse est une quantité physique qui indique la quantité de matière contenant un corps ou un objet.

La masse est alors une propriété intrinsèque de la matière. Mais la matière est composée d'atomes, qui ont une masse. La masse de l'atome est concentrée dans le noyau. Ce sont les protons et les neutrons du noyau qui définissent pratiquement la masse de l'atome et de la matière.

La masse est généralement mesurée en kilogrammes (kg), il s'agit de l'unité de base du système international d'unités (SI).

Le prototype ou la référence de kg est un cylindre de platine et d'iridium conservé au Bureau international des poids et mesures de Sèvres en France. En 2018, il était lié à la constante de Planck et la nouvelle définition entre en vigueur à compter du 20 mai 2019

Eh bien, il arrive que l’inertie et la masse soient liées. Plus la masse est grande, plus l'inertie a un objet. Il est beaucoup plus difficile ou coûteux en énergie de changer l'état de mouvement d'un objet plus massif qu'un objet moins massif.

Exemple

Par exemple, il faut beaucoup plus de force et de travail pour obtenir une boîte d'une tonne (1000 kg) hors du repos que d'une boîte d'un kilogramme (1 kg). C'est pourquoi on dit souvent que le premier a plus d'inertie que le second.

En raison de la relation entre l'inertie et la masse, Newton s'est rendu compte que la vitesse seule n'est pas représentative de l'état de mouvement. C'est pourquoi il a défini une quantité appelée impulsion, désignée par la lettre p et qui est le produit de la masse m fois la vitesse v :

p = m v

Les lettres en gras dans les lettres p et v indiquent qu’il s’agit de quantités vectorielles physiques, c’est-à-dire de quantités avec magnitude, direction et sens.

Au lieu de cela, la masse m est une quantité scalaire, à laquelle est affecté un nombre pouvant être supérieur ou égal à zéro, mais jamais négatif. Jusqu'à présent, aucun objet de masse négative n'a été trouvé dans l'univers connu.

Newton poussa à l'extrême son imagination et son abstraction, définissant la particule dite libre . Une particule est un point matériel. C'est comme si c'était un point mathématique mais avec une masse:

Une particule libre est cette particule si isolée, si éloignée d'un autre objet de l'univers que rien ne peut exercer aucune interaction ou force dessus.

Plus tard, Newton a ensuite défini les systèmes de référence inertiels, qui seront ceux dans lesquels ses trois lois du mouvement sont appliquées. Voici les définitions en fonction de ces concepts:

Système inertiel de référence

Tout système de coordonnées lié à une particule libre, ou se déplaçant à une vitesse constante par rapport à la particule libre, sera un système de référence inertiel.

Première loi de Newton (loi d'inertie)

Si une particule est libre, elle a alors une quantité de mouvement constante par rapport à un système de référence inertiel.

Exercices résolus

Exercice 1

Une rondelle de hockey de 160 grammes se rend sur la patinoire à 3 km / h. Trouvez votre quantité de mouvement.

La solution

La masse du disque en kilogrammes est la suivante: m = 0, 160 kg.

La vitesse en mètres par seconde: v = (3 / 3, 6) m / s = 0, 8333 m / s

Le moment ou le moment p est calculé comme suit: p = m * v = 0, 13333 kg * m / s,

Exercice 2

Le frottement dans le disque antérieur est considéré comme nul, c’est pourquoi l’impulsion est conservée alors que rien n’altère la trajectoire rectiligne du disque. Cependant, il est connu que deux forces agissent sur le disque: le poids du disque et la force de contact ou normale que le sol exerce sur celui-ci.

Calculez la valeur de la force normale en newtons et sa direction.

La solution

Comme la vitesse est conservée, la force qui en résulte sur la rondelle de hockey doit être nulle. Le poids pointe verticalement vers le bas et est valide: P = m * g = 0, 16 kg * 9, 81 m / s²

La force normale doit nécessairement compenser le poids, elle doit donc pointer verticalement vers le haut et sa magnitude sera de 1, 57 N.