Understanding Forces and Newton's Laws of Motion

Slide1Fo r c e s  & N e w t o n ’ s  L a w s  o f  M o t i o n

Slide2Sir Isaac Newton (1642-1727)English scientist and mathematician famous for his discovery of the law of gravity and the three  laws of motion . He published them in his book Philosophiae Naturalis Principia Mathematica  (mathematic principles of natural philosophy) in 1687. Today these laws are known as Newton’s Laws of Motion  and describe the motion of all objects on the scale we experience in our everyday lives.

Slide3What is FORCE?• Force -  Ability to change motion(push or pull) • Force is not a thing in itself, but rather an interaction between two objects. • Forces always occur in pairs!!! – Units of lb, N = kg . m/sec 2

Slide4Newton’s First LawAn object at rest tends to stay at rest and an object in motion tends to stay in motion unless acted upon by an unbalanced force. “The Law of Inertia”

Slide5What does this mean?Basically, an object will “keep doing what it was doing” unless acted on by an unbalanced force . If the object was sitting still, it will  remain stationary .  If it was moving at a constant velocity, it will  keep moving . It takes  force  to change the motion of an object.  Objects do not accelerate unless a net force is applied.

Slide6•NET  FORCE • NET  FORCE :  Determined by combining ALL forces acting on an object. – Zero net force = zero acceleration ( BALANCED FORCES  in EQUILIBRIUM) – If there is a net force, there will be an acceleration ( UNBALANCED FORCES  will MOVE) • The acceleration depends  directly upon the  “net force”  and  inversely upon the object’s  mass .

Slide7Some Examples from Real LifeTwo teams are playing tug of war.  They are both exerting equal force on the rope in opposite directions.  This balanced force results in no change of motion. A soccer ball is sitting at rest.  It takes an unbalanced force of a kick to change its motion.

Slide8Newton’s First Law is also calledthe  Law of Inertia Inertia : the tendency of an object to resist changes in its state of motion The First Law states that  all objects have inertia .  The more mass an object has, the more inertia it has (and the harder it is to change its motion).

Slide9More Examples from Real LifeA powerful locomotive begins to pull a long line of boxcars that were sitting at rest.  Since the boxcars are so massive, they have a great deal of inertia and it takes a large force to change their motion.  Once they are moving, it takes a large force to stop them. On your way to school, a bug flies into your windshield.  Since the bug is so small, it has very little inertia and exerts a very small force on your car (so small that you don’t even feel it).

Slide10If objects in motion tend to stay in motion,why don’t moving objects keep moving forever? Things don’t keep moving forever because there’s almost always an unbalanced force acting upon it. A book sliding across a table slows down and stops because of the force of  friction . If you throw a ball upwards it will eventually slow down and fall because of the force of  gravity .

Slide11In outer space, away from gravity and anysources of friction, a rocket ship launched with a certain speed and direction would keep going in that same direction and at that same speed forever .

Slide12Equilibrium• Balance:  When in motion, an object has a constant velocity if it is in equilibrium. • There is NO acceleration. • Types of Equilibrium:  Static & Dynamic – STATIC – STATIC :  velocity is zero • Example: weighing yourself on a scale – Scale pushes up, your weight pushes down – DYNAMIC – DYNAMIC :  velocity is nonzero and constant • Example: driving at constant velocity – Force from road and friction resisting, normal up and weight down forces balance

Slide13Mass vs. WeightMASS • The amount of matter in an object • A constant property • A measure of inertia • Measured in kilograms (kg) or grams (g) WEIGHT • The force upon an object due to gravity • Weight = mass x acceleration due to gravity • F w  = mg • Measured in Newtons Practice:  The weight of a 10 kg brick is… A.  100 N B.  10 kg C.  10 N

Slide14LOCATIONMASS WEIGHT Earth 10  kg 100 N Moon 10 kg 16.6 N Space 10 kg 0 N On the moon, the force of gravity is only 1/6 as strong as on the Earth. In space, you are practically weightless but your mass remains unchanged. Your mass does NOT depend on where you are.

Slide15Newton’s Second LawForce equals mass times acceleration. F = ma Acceleration : a measurement of how quickly an object is changing speed.

Slide16What does F = ma mean?Force is  directly proportional  to mass and acceleration. Imagine a ball of a certain mass moving at a certain acceleration.  This ball has a certain force. Now imagine we make the ball twice as big (double the mass) but keep the acceleration constant.  F = ma says that this new ball has  twice the force  of the old ball. Now imagine the original ball moving at twice the original acceleration.  F = ma says that the ball will again have  twice the force  of the ball at the original acceleration.

Slide17More about F = maIf you  double  the mass, you  double  the force.  If you double  the acceleration, you  double  the force. What if you double the mass  and  the acceleration? (2m)(2a) = 4F Doubling the mass  and  the acceleration  quadruples  the force. So . . . what if you  decrease the mass by half ?  How much force would the object have now?

Slide18What does F = ma say?F = ma basically means that the force of an object comes from its mass and its acceleration. Something very small (low mass) that’s changing speed very quickly (high acceleration), like a bullet, can still have a great force.  Something very small changing speed very slowly will have a very weak force. Something very massive (high mass) that’s changing speed very slowly (low acceleration), like a glacier, can still have great force.

Slide19Free Fall• When the acceleration is  g  we have Free Fall • Objects are not encountering a significant air resistance • Under these conditions, all objects will fall with the same rate of acceleration regardless of their mass.

Slide20Terminal Velocity• Air resistance increases with speed. • When falling, the force of air resistance becomes large enough to balance the force of gravity. • At this instant in time, there is no net force – the object stops accelerating (see D below); terminal velocity has been reached.

Slide21Newton’s Third LawFor every action there is an equal and opposite reaction.

Slide22What does this mean?For every force acting on an object, there is an equal force acting in the opposite direction.  Right now, gravity is pulling you  down  in your seat, but Newton’s Third Law says your seat is pushing  up against you with  equal force .  This is why you are not moving.  There is a  balanced force  acting on you– gravity pulling down, your seat pushing up.

Slide23Think about it . . .What happens if you are standing on a skateboard or a slippery floor and push against a wall?  You slide in the opposite direction (away from the wall), because you pushed on the wall but the wall pushed back on you with equal and opposite force. Why does it hurt so much when you stub your toe?  When your toe exerts a force on a rock, the rock exerts an equal force back on your toe.  The harder you hit your toe against it, the more force the rock exerts back on your toe (and the more your toe hurts).

Slide24ReviewNewton’s First Law: Objects in motion tend to stay in motion and objects at rest tend to stay at rest unless acted upon by an unbalanced force. Newton’s Second Law: Force equals mass times acceleration (F = ma). Newton’s Third Law: For every action there is an equal and opposite reaction.

Slide25FrictionFRICTION • The force that opposes the motion between two surfaces that are in contact is FRICTION . • The “evil monster” of all motion. Regardless of which direction something moves in, friction pulls it the other way. – Move something left, friction pulls    right.  Move something up, friction    pulls down.  It appears as if nature    has given us friction to stop us from    moving anything .

Slide26•Friction is actually a force that “appears” when there is relative motion between two objects. – Although two objects might look smooth, microscopically, they’re very rough and jagged. • Types of Friction: – Air friction- (air resistance) – Sliding friction (rub hands together) – Viscous friction- (oil in car engines & joint fluid) – Rolling friction- (wheel on road, ball bearings)

Slide27•STATIC (starting) FRICTION:  the force that opposes the start of the motion – Static means “stationary” • KINETIC (sliding) FRICTION:  the force between surfaces in relative motion

Slide28Pressure• The amount of force applied over a given area. • Pressure = Force ÷ Area • P = F A  ÷ A • Measured in Pascals (Pa) • Earth’s atmosphere (air pressure) is pressing against each square inch of you with a force of 1 kilogram per square centimeter (14.7 pounds per square inch). – The force on 1,000 square centimeters (a little larger than a square foot) is about a ton!

Slide29How much pressure are you under?What happens if air pressure changes? If you've ever been to the top of a tall mountain, you may have noticed that your ears pop and you need to breathe more often than when you're at sea level. As the number of molecules of air around you decreases, the air pressure decreases. This causes your ears to pop in order to balance the pressure between the outside and inside of your ear. Since you are breathing fewer molecules of oxygen, you need to breathe faster to bring the few molecules there are into your lungs to make up for the deficit.