הקדמה
P=m⋅v
יש 3 חוקי ניוטון:
חוקי ניוטון
הגדרה 1 (החוק הראשון של ניוטון)
אם לא פועלים על הגוף כוחות, או שסכום הכוחות הוא אפס
i∑Fi=0
אז הגוף "יתמיד בתנועתו".
הגדרה 2 (החוק השני של ניוטון)
i∑Fi=dtdP
הגדרה 3 (חוק פעולה ותגובה (החוק השלישי))
F21=−F12
המשמעות של החוק השני:
i∑Fi=dtdP=dtd(mv)=dtdmv+mmadtdv
במידה ו-m=const. האיבר הראשון מתאפס. ולכן, במידה והמסה קבועה, המשוואה הינה ∑iFi=ma.
כוחות
יש 4 כוחות בסיסיים בטבע והם:
- כבידה
- אלקטרומגנטי
- כוח גרעיני חזק
- כוח גרעיני חלש
יחידות המידה של כוח
אנו יודעים כי:
[F]=N
אבל מה זה ניוטון?
[N]=[kg⋅sec2m]
נראה כי גם האיבר הראשון הינו באותם יחידות:
[dtdmv]=[seckgsecm]=[kgsec2m]
סוגי כוחות
נעבור על כוחות שונים ונסתכל כיצד כל אחד מתנהל.
כבידה

F12=−G⋅r122m1⋅m2r^12
למה mg?
F=Gr2m1⋅MEr^12
r=RE+Δr≈RE
ולכן:
GRE2ME=g≃9.8sec2m
חשמלי
F=kr122q1q2r^12
בכוח חשמלי, תהיה דחיה במידה ו:
{q1>0q2>0 or {q1<0q2<0
ותהיה משיכה במידה ו:
{q1<0q2>0 or {q1>0q2<0
נורמל
זהו כוח שאותו מפעיל שטח הפנים של גוף אחד על גוף אחר.
כוח שמתנגד לכך שהגופים יעברו אחד דרך השני.

כוח החיכוך
חיכוך סטטי ← כל עוד המשטחים לא זזים אחד על גבי השני.
חיכוך סטטי מתאים את עצמו לכוח שמופעל עד לערך מקסימלי:
∣Fmax∣=μs⋅N
- מה הכיוון של כוח החיכוך?
הפוך מהכיוון שהגוף היה זז במידה ולא היה חיכוך.
חיכוך קינטי ← כאשר כבר ש תנועה יחסית בין הגופים.
כיוון: מתנגד לתנועה.
∣Fμ∣=μk⋅N
בדרך כלל: μs>μk.
יחידות μ
מכיוון ש-N הינו כבר בניוטון, μ הינו גודל חסר יחידות.
נסתכל על ארון במסה m=20kg.

נתון גם כי:
μs=0.2μk=0.1
מה הכוח שצריך להפעיל על הארון על מנת שהוא יתחיל לזוז?
נכתוב חוק II של ניוטון:
i∑Fi=ma
y:Ny^−mg⋅y^=may⋅y^
אנו יודעים כי:
a⋅y^=b⋅y^⟹a=b
ולכן:
N−mg=may
במקרה שלנו, מתקיים: N−mg=0 ולכן: N=mg.
x:F−Fμ=0
F=Fμ
זה מוכר לנו, שכן כל עוד הגוף לא זז, החיכוך יהיה שווה לכוח שמופעל.
מה ה-F הכי גדול שבשבילו זה נכון?
F=μsN=μsmg=0.2⋅20⋅10=40N
תשובה: אם F גדול מ-40 ניוטון, הארון יתחיל זוז.
מה תהיה התאוצה של הארון אם נפעיל עליו כוח של 45 ניוטון?
אם נפעיל: F=45x^[N]
y:N−mg=0⟹N=mg
x:F−Fμ=ma⟹F−μkmg=ma
a=mF−μkg
חילקנו את שני האגפים במסה.
a=2045−0.1⋅10=1.25sec2m

הגלגלת אידיאלית - חסרת חיכוך ובעלת מסה זניחה
נתון שהמערכת מאיצה
מה התאוצה שבה נעים הגופים?
מכיוון שהחוט מתוח כל הזמן, אנו יודעים כי:
∣a1∣=∣a2∣=a
נכתוב חוק II של ניוטון עבור כל אחד מהגופים:
עבור גוף 1:
x:T−Fμ=m1a⟹T−μkm1g=m1a
y:N1−m1g=0⟹N1=m1g
עבור גוף 2:
y:m2g−T=m2a
נבצע חיבור של המשוואות בציר ה-x של הגוף הראשון ובציר ה-y של הגוף השני:
T−μkm1g+m2g−T=(m1+m2)a
a=m1+m2m2−μkm1g
כוח שתלוי במהירות
F=−b⋅v
כאשר b הינו קבוע חיובי.
- מנוגד כיוון למהירות
- הכוח גדל כאשר גודל המהירות גדל
כדור בעל מסה m נזרק מהרצפה בזווית α ועם מהירות התחלתית v0.
נתון שכוח התנגדות האוויר הינו Fair=−bv

מצאו את v(t).
פתרון:
נשתמש בחוק השני של ניוטון:
−mg⋅y^−bv=ma
כעת נחלק לצירים:
x:−bvx=maxy:−mg−bvy=may
נתחיל בלפתור לציר ה-x:
−bvx=m⋅dtdvx
זוהי משוואה דיפרנציאלית.
שיטה:
נקח vx,dvx ונעביר לצד אחד.
נקח dt,t ונעביר לצד השני.
כעת, נעשה אינטגרל על שני הצדדים:
−bvxdt=mdvx
−mb⋅dt=vx1⋅dvx
−0∫tmbdt1=v0cosα∫vx(t)vx1dvx
גבולות אינטגרציה צריכים להתאים
נפתור את האינטגרלים:
[−mb⋅t1]0t=[lnvx]v0cosαvx(t)
−mbt=ln(vx(t))−ln(v0cosα)
−mbt=ln(v0cosαvx(t))
e−mbt=v0cosαvx(t)
vx(t)=v0cosα⋅e−mbt
וכך קיבלנו את vx(t).
כעת, נעבור לציר ה-y:
−mg−bvy=may=m⋅dtdvy
dt(−mg−bvy)=m⋅dvy
−m1dt=mg+bvydvy
נבצע אינטגרל על שני הצדדים:
0∫t−m1dt1=v0sinα∫vy(t)mg+bvydvy
−mt=[b1ln(mg+bvy)]v0sinαvy(t)
−mt=b1(ln(mg+bvy(t))−ln(mg+bv0sinα))
−mbt=ln(mg+bv0sinαmg+bv0(t))
e−mbt=mg+bv0sinαmg+bvy(t)
e−mbt(mg+bv0sinα)=mg+bvy(t)
vy(t)=b1[e−mbt(mg+bv0sinα)−mg]=bmg[e−mbt−1]+v0sinα⋅e−mbt
כעת, לאחר שמצאנו את המשוואות, נבצע בדיקת שפיות:
אם נבטל את mg אז התוצאה שאמורה לצאת לנו תהיה מאוד דומה ל-vx(t). נראה מה קורה באמת:
vy(t)∗=v0sinαe−mbt
לכן, נראה כי אנחנו אכן שפויים.
בציר y נגיע לנקודת זמן מסויימת שבה כוח התנגדות האוויר ישתווה בגודלו ל-mg ומנקודה זו, המהירות תישאר קבועה.
Fair=mg⟹y:mg−mg=0
כדי להגיע למצב המתמיד הזה נוכל לעשות כך:
vyדימתמ=t→∞limbmg[e−mbt−1]+v0sinαe−mbt=−bmg