2. Newtonův pohybový zákon: Zákon síly
Anglický fyzik Isaac Newton vyjádřil tři základní pohybové zákony, které popisují vztah mezi pohybem tělesa a silami, které na toto těleso působí. Staly se základovým kamenem mechaniky (zabývá se přemisťováním těles v prostoru a čase a změnami velikostí a tvarů těles) a dynamiky (zabývá se příčinami pohybu). Uvedeme druhý z nich, tzv. Zákon síly.
Pokud bychom od mince uvedené v předchozím případě prst neoddálili a stále ji tlačili vpřed (zelená síla), došlo by k tomu, že by se mince začala pohybovat stále rychleji. Neaplikoval by se 1. Newtonův zákon (který pojednává o stavu, kdy na těleso síla nepůsobí nebo má nulovou výslednici), ale aplikoval by se 2. Newtonův zákon:
Změna pohybu je úměrná hybné síle, která na těleso působí, a děje se ve směru přímky, podél níž ona síla působí. Síla F působící na těleso o hmotnosti m je přímo úměrná součinu jeho hmotnosti a zrychlení a (z angl. acceleration, jednotkou je 1 m/s2), které mu uděluje:
Nebo jinými slovy:
Velikost zrychlení hmotného bodu je přímo úměrná velikosti působící síly na hmotný bod a nepřímo úměrná hmotnosti hmotného bodu, přičemž směr zrychlení je shodný se směrem působící síly.
Tento zákon nám říká, že pokud působíme na těleso vnější silou a zvětšujeme ji, zrychlení roste. Zvětšujeme-li hmotnost, zrychlení klesá (při stejné síle). To znamená, že čím těžší těleso, tím větší sílu potřebujeme na jeho rozpohybování.
Pokud bychom chtěli u lehčího a těžšího tělesa dosáhnout stejného zrychlení, musíme na těžší těleso působit větší silou. Při udělování zrychlení musí tato síla překročit tzv. klidovou třecí sílu, což je síla o něco větší než třecí síla za pohybu. Pokud je působící síla stejná jako síla třecí, těleso se pohybuje vpřed rovnoměrným přímočarým pohybem.
Jedna z nejčastějších situací, při které můžeme toto zrychlení pozorovat, je volný pád. Pokud padá koule vážící 1 kg a koule vážící 1000 kg, můžeme mylně předpokládat, že tíhová síla udělí těžšímu objektu větší zrychlení. Avšak 2. zákon stanovuje, že čím je hmotnost tělesa větší, tím větší sílu potřebujeme na dosáhnutí požadovaného zrychlení.
Protože umíme vypočítat tíhovou sílu (na každý kilogram působí přibližně 10 N), tak víme, že síla působící na lehčí kouli je 10 N a těžší je 10000 N. Můžeme si to dosadit do vzorce a vypočítat zrychlení:
Vidíme, že zrychlení je stejné, takže lehčí i těžší těleso padají stejnou rychlostí. Z praxe víme, že tomu tak není. Pírko padá mnohem pomaleji než například kladivo. Je to způsobeno odporem vzduchu. Ve vakuu by padaly oba stejně rychle, takže pokud bychom je pustili ve stejnou chvíli a nechali padat dolů vakuem, dotkly by se zemského povrchu ve stejnou chvíli.
Odpor vzduchu hraje i další roli v uplatňování druhého Newtonova zákona. Můžeme ho zjednodušit a uvést, že velikost odporu vzduchu závisí na rychlosti padajícího tělesa a styčné ploše.
Pokud si vezmeme parašutistu, který vyskočil z letadla a působí na něj tíhová síla, 2. Newtonův zákon nám říká, že bude padat dolů stále rychleji (máme na mysli část letu před otevřením padáku).
Avšak ve skutečnosti parašutista nejdříve zrychluje a potom se rychlost jeho pádu stabilizuje a nemění (je rovnoměrná). Je to způsobeno tím, že čím rychleji letí, tím větší odpor vzduchu proti němu působí.
V jedné chvíli je odpor vzduchu stejně velký jako tíhová síla, takže jejich výslednice bude nulová. Tehdy začne platit 1. Newtonův zákon a parašutista se pohybuje setrvačností a jeho rychlost je rovnoměrná.
