Newton

De eerste bewegingswet van Newton – traagheid

Traagheid - de eerste wet van Newton
Brazuca voetbal. De eerste wet van Newton zegt dat een object, zoals een voetbal in rust zal blijven totdat er een externe kracht op wordt uitgeoefend. Image: © Vasanth C. Shunmugasamy, Post-Doctoral Research Associate

De eerste bewegingswet van Isaac Newton beschrijft het gedrag van een massief object in rust of in een uniforme lineaire beweging (niet versnellend of draaiend). De eerste wet zegt: “Een object in rust zal in rust blijven en een object in beweging zal in beweging blijven tenzij er een externe kracht op wordt uitgeoefend.”

Dit betekent eenvoudigweg dat dingen niet vanzelf kunnen starten, stoppen of van richting kunnen veranderen. Het vereist dat er een kracht van buiten op wordt uitgeoefend om een dergelijke verandering te bewerkstelligen. Dit concept lijkt eenvoudig en voor ons tegenwoordig heel gewoon maar in de tijd van Newton was het revolutionair.

Philosophiae Naturalis Principia Mathematica

Newton publiceerde in 1687 zijn bewegingswetten. Hij deed dit in zijn baanbrekende werk “Philosophiae Naturalis Principia Mathematica”. In dit boek formaliseerde hij de beschrijving van hoe massieve objecten bewegen onder invloed van externe krachten.

Newton bouwde verder op het eerdere werk van Galileo Galilei die de eerste nauwkeurige bewegingswetten voor massa’s ontwikkelde. Galileo’s experimenten toonden aan dat alle objecten met dezelfde snelheid versnellen, ongeacht hun grootte en massa. Newton breidde ook het werk van René Descartes verder uit. Descartes publiceerde twee jaar na de geboorte van Newton in 1644 een reeks natuurwetten. De wetten van Descartes lijken erg op de eerste bewegingswet van Newton.

Externe krachten

Destijds geloofden de meeste mensen dat rust de natuurlijke toestand van een object zou zijn. Het was duidelijk dat het verlenen van beweging aan een object in rust een toepassing van buitenaf vereiste. Er werd echter ook aangenomen dat het een continue kracht van buitenaf vereist om een object in beweging te houden. Op basis van hun ervaring met alledaagse voorwerpen was dit niet helemaal een onredelijke conclusie. Immers, als je paard niet meer trekt dan stopt de wagen met rollen en als de wind niet meer waait dan stopt je boot met bewegen. Mensen gingen er daarom van uit dat deze objecten eenvoudigweg terugkeerden naar hun natuurlijke rusttoestand. Er was een opmerkelijke sprong van intuïtie voor nodig om te beseffen dat er een kracht van buitenaf moest zijn om de bewegingen van deze objecten te stoppen.

Neem het geval van een platte steen die over het gladde oppervlak van een bevroren meer glijdt. Als die steen een stuk gepolijst marmer was dan zou hij aanzienlijk verder glijden dan een ruwe straatsteen. Het is duidelijk dat de wrijvingskracht op de ruwe straatsteen groter is dan op het gepolijste marmer. Hoewel de wrijvingskracht tussen marmer en ijs minder is dan tussen ruwe steen en ijs, is deze nog steeds niet nul.

Wat zou er dan gebeuren als de wrijvingskracht naar nul zou gaan? De geniale gedachte van Newton was om te beseffen dat er zonder de aanwezigheid van een externe kracht, zoals wrijving die op een bewegend object inwerkt, geen reden was om te stoppen.

Traagheidsreferentieframes

Deze eigenschap van massieve objecten om veranderingen in hun bewegingstoestand te weerstaan wordt traagheid genoemd en het leidt tot het concept van traagheidsreferentieframes. Een traagheidreferentieframe kan worden beschreven als een driedimensionaal coördinatenstelsel dat niet versnelt of roteert; het kan echter in een uniforme lineaire beweging zijn ten opzichte van een ander traagheidsreferentieframe. Newton heeft nooit expliciet deze traagheidsreferentiekaders beschreven maar ze zijn een natuurlijk gevolg van zijn eerste bewegingswet.

Als we zeggen dat een object in beweging is dan zou je kunnen vragen met wat? Kun je een honkbal in je blote hand vangen die 100 kilometer per uur gaat? Dat zou kunnen als je in een trein rijdt die 100 kilometer per uur gaat en iemand in die trein gooide je zachtjes de bal. De trein en de bal bestaan beiden in hun eigen traagheidsreferentieframe en de snelheid van de bal hangt af van het traagheidsreferentieframe van waaruit hij wordt bekeken. Als je op het perron staat en een passagier in de trein gooit de bal uit het raam naar je toe dan zou het niet verstandig zijn om die bal met je blote handen te vangen.

De eerste wet van Newton in actie

Raketten die door de ruimte reizen ervaren alle drie de bewegingswetten van Newton.

Voordat een raket zelfs maar wordt gelanceerd bevindt hij zich op het aardoppervlak. De raket zou voor onbepaalde tijd in rust blijven zonder dat er een externe kracht op inwerkt. De eerste wet van Newton is ook van toepassing als de raket door de ruimte glijdt zonder externe krachten, hij zal voor altijd met een constante snelheid en in een rechte lijn bewegen.

Nu we weten hoe een object zich gedraagt als er geen kracht van buiten op wordt uitgeoefend wat gebeurt er dan als een kracht van buitenaf, zoals de motoren van de raket die worden geactiveerd om de raket de ruimte in te lanceren? Die situatie wordt beschreven door de tweede bewegingswet van Newton.

De bewegingswetten van Newton

  • Inleiding
  • De Tweede Wet van Newton
  • De Derde Wet van Newton