Pierwsza zasada dynamiki Newtona - wstęp

Dlaczego to jest takie trudne?

Zrozumienie sensu pierwszej zasady dynamiki Newtona jest jednym z najtrudniejszych zadań dla ucznia uczącego się fizyki w gimnazjum i liceum. Wynika to z faktu, że zasada ta wymusza zanegowanie pewnych instynktownych oczekiwań, sprzeciwienia się temu, co wydaje się „oczywiste” tylko z powodu naszego życiowego przyzwyczajenia.

Przypomnijmy więc na początek najbardziej podstawową formę tego prawa:

Ciało, na które nie działają żadne siły pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym.

Początek zdania zawierającego I zasadę, jest jasny dla każdego, nawet absolutnie początkującego w nauce fizyki, aż do momentu pojawienia się tekstu:
”...porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym.”

Osobnik uczący się fizyki po raz pierwszy, po jego przeczytaniu, zastanawia się zazwyczaj:
„ki diabeł?! Porusza się? A co go pcha, skoro nie ma żadnej siły?”
- bo aby istotę I zasady dynamiki pojąć, musimy zmusić nasz umysł do „przewrotu kopernikańskiego”, do zwalczenia intuicyjnego sposobu postrzegania ruchu.

I zasada dynamiki stawia nam przewrotnie pytanie:

Co jest bardziej „naturalne”: ruch, czy spoczynek ciał?

Jest to pytanie bardzo podstawowe i, wbrew pozorom, trudne. Świadczy o tym fakt, że mędrcom starożytnym nie udało się na nie prawidłowo odpowiedzieć. Sam Arystoteles - powszechnie uważany za największy umysł starożytności – też odpowiedział na nie błędnie (Arystoteles żył w Grecji w latach 384-322 p.n.e.).

Jak rozumowali starożytni?
Gdy patrzymy na nasze otoczenie, widzimy, że zazwyczaj kamienie, drzewa i inne przedmioty – spoczywają. Żeby się poruszały, trzeba się pomęczyć – zadziałać siłą. Łatwo jest wyciągnąć z tego wniosek, że normą jest spoczynek, a wyjątkiem – ruch. Tak też nauczał Arystoteles – ale, jak napisano wyżej – nauczał BŁĘDNIE!

Trzeba jednak oddać wielkiemu filozofowi sprawiedliwość - jego wizja jest bardzo bliska temu, co niemal każdy z nas postrzega wokół siebie i "rozumie" intuicyjnie. A w tamtych czasach nauka nie dysponowała jeszcze, dzisiaj oczywistymi, "prawami naukowego myślenia" - prawami, które fizyków współczesnych bronią przed zbyt łatwym wnioskowaniem, opartym na filozofującym "widzimisię". Dziś wiemy, że podstawą dla nauk fizycznych jest doświadczenie. Ono jest ostatecznym arbitrem słuszności hipotez i od jego wyroku nie ma odwołania. A właśnie dzięki przeprowadzeniu doświadczeń możemy się przekonać, że proste wyobrażenia związane ruchem nie wytrzymują próby starcia z logiką i twardymi faktami.

Niestety, potrzeba oparcia się na doświadczeniu była dla większości filozofów starożytnych niezrozumiała; z kolei w czasach średniowiecza, fizyka raczej nie doczekała się łaski zainteresowania uczonych. Dlatego ów mylny pogląd na temat ruchu przetrwał w nauce ponad tysiąc lat – aż do XVII wieku, kiedy to przeciwstawił mu się geniusz Galileusza (Galileusz - Galileo Galilei żył w latach 1564-1642 i był włoskim filozofem, astronomem, fizykiem).

Cóż zauważył Galileusz?
- to co inni przeoczyli. A przeczyli tylko dlatego, że owo „coś” jest tak...
...oczywiste
i tak powszechne, że spotyka się je na każdym kroku. To „coś” nazywa się TARCIE!

Przeciętny nieobeznany z fizyką człowiek nie zauważa tarcia dlatego, że brak mu sytuacji, w której tegoż tarcia jest pozbawiony. A ponieważ postrzegamy rzeczy poprzez kontrast z ich brakiem, więc, dopóki coś nam owej wiedzy siłą do głowy nie „wmusi”, tarcia nie zauważymy.
Galileusz podszedł do sprawy bardziej współcześnie - naukowo: zaczął wykonywać doświadczenia związane z ruchem - zrzucał przedmioty z krzywej wieży w Pizie, skonstruował sobie równię (pochylnię) i obserwował jak zsuwają się po niej różne ciała. Dzięki wieloletnim wysiłkom udało mu się rozdzielić poszczególne czynniki mające wpływ na ruch - masę, siły (w szczególności siłę tarcia), wyraźnie też rozgraniczył dwie podstawowe wielkości opisujące ruch - prędkość i przyspieszenie.

Ostatecznie więc, Galileusz postawił sprawę tak:
Niekoniecznie przy braku siły ciało musi pozostawać w spoczynku – jeśli wcześniej było w ruchu, to brak siły (a więc również siły tarcia!) spowoduje, że ciało swój ruch zachowa, czyli będzie poruszało się ruchem jednostajnym prostoliniowym.

Gdy czytamy tekst podobny do niniejszego wydaje nam się, że to taki „oczywiste”. My jesteśmy mądrzy – tak sobie mówimy, MY rozumiemy jak jest.

Ale odpowiedzmy sobie teraz na takie proste pytanie:
Dlaczego pocisk wystrzelony z armaty leci, mimo że już żadne ciśnienie gazów prochowych go już nie pcha (myślę o locie pocisku już po opuszczeniu lufy)?

I założę się o mój beret, że większość osób wytłumaczy to mniej więcej tak:
- bo przecież cały czas pcha go siła rozpędu...
lub
- bo siła gazów prochowych się "zmagazynowała" w pocisku i teraz go popycha...

I tu cię mam! – odpowiadam Ja, czyli chwilowo tryumfujący autor tego tekstu (cóż mu z tego drobnego tryumfu, skoro portfel pusty, a życie ciężkim jest?...).

„ Siła rozpędu” – ten twór językowy jest właśnie symbolicznym i oczywistym dowodem na to, że umysł większości ludzi wciąż wciąż tkwi w mrokach „fizycznego średniowiecza” (dokładniej fizycznej starożytności), ciągle "wierzy" przede wszystkim Arystotelesowi.

"Siła rozpędu" nie istnieje!

A w rzeczywistości
NIE MA ŻADNEJ "SIŁY ROZPĘDU"!

Jej koncepcja opiera się fakcie nie zrozumienia pojęcia siły oraz właśnie "zapomnieniu" o I zasadzie dynamiki Newtona.

Warto raz na zawsze zapamiętać:

Ciało porusza się nie siłą rozpędu, lecz „z natury” - jeśli tylko wcześniej było w ruchu.

I nie trzeba jego ruchu uzasadniać obecnością jakiejś "zmagazynowanej", czy jakiejkolwiek innej, siły. Rozpędzanie kuli armatniej (a więc właśnie działanie siłą) odbywa się wyłącznie na krótkim odcinku jej kontaktu z gazami prochowymi. Później kula sobie leci z "natury", z rozpędu, z faktu, że tak właśnie jest, bez działania ŻADNEJ (!!!) siły podtrzymującej ruch.. To jest fakt i basta (Przepraszam, że tak często go powtarzam, ale doświadczenie dowodzi, że to i tak mało...).
Jednak zrozumieć do końca ten fakt nie jest łatwo, a jeszcze trudniej jest (już po zrozumieniu) zmusić swój umysł do stałej akceptacji tego co się zrozumiało - tak, aby sam z siebie, intuicyjnie podpowiadał nam właściwą interpretację zjawisk mechanicznych.

Tyle na razie o I zasadzie dynamiki. Ale, mam nadzieję, że uda mi się coś jeszcze napisać na ten temat, bo jest mi on bliski. Może jeden tekst - esej, może dwa. Skoro już zacząłem, to siłą rozpędu...

Druga część rozważań na temat I zasady dynamiki jest umieszczona pod koniec rozdziału teoretycznego:

I zasada dynamiki Newtona - dygresja, uzupełnienie