Kujutage ette, et seisate uisuväljakul ja proovite oma sõpra eemale lükata. Hetkel, mil sirutate käed ja avaldate sõbrale jõudu, märkate kummalist asja: te ise liigute samal ajal vastassuunas. See lihtne nähtus ongi Newtoni kolmanda seaduse tuum. Füüsikaõpikutes kõlab see sageli keeruliselt, kuid tegelikult on tegemist ühe kõige intuitiivsema seaduspärasusega, mis valitseb meie universumit. See reegel ütleb, et looduses ei eksisteeri üksikuid jõude. Iga liigutus, iga tõuge ja iga tõmme on osa vastastikmõjust, kus osapooled mõjutavad teineteist alati võrdse, kuid vastassuunalise jõuga.
Mis on Newtoni kolmas seadus tegelikult?
Isaac Newton sõnastas oma kolmanda seaduse juba 1687. aastal ning see on püsinud klassikalise füüsika nurgakivina tänaseni. Lihtsas keeles kõlab seadus järgmiselt: kui üks keha mõjutab teist keha jõuga, siis teine keha mõjutab esimest samasuguse suurusega, kuid vastassuunalise jõuga. See tähendab, et jõud esinevad alati paaridena. Me nimetame neid sageli mõjuvaks jõuks ja vastujõuks.
Oluline on mõista, et need jõud ei ole kunagi ühe keha sees. Vastujõud ei ole keha “sisemine reaktsioon”, vaid see tekib alati teise keha poolt avaldatud toimes. Kui lööte jalaga palli, siis jalg avaldab pallile jõudu, mis paneb palli lendama. Kuid samal ajal avaldab pall jalgpalluri jalale täpselt sama suure jõu vastassuunas. See on põhjus, miks löögi hetkel tunnete jalas põrutust. Pall ei “taha” teile haiget teha, see on lihtsalt füüsika paratamatus.
Miks me ei märka alati vastujõudude toimet?
Sageli tekib küsimus: kui iga jõud tekitab võrdse vastujõu, miks siis asjad üldse liiguvad? Miks me ei ole paigal nagu tasakaalus olevad objektid? Vastus peitub selles, et mõjuv jõud ja vastujõud mõjutavad erinevaid kehasid. Kui tõukate seina, siis sein surub teid täpselt sama tugevalt tagasi. Kuna sein on aga kinnitatud maapinna külge ja on massiivsem kui teie keha, ei hakka sein liikuma, kuid teie keha liigub seinast eemale.
Vaatame näiteid, kus see fenomen on selgelt nähtav:
-
Liikumine uiskudel: Nagu sissejuhatuses mainitud, kui lükkate kedagi, liigute ise tagasi. Uisud vähendavad hõõrdumist, mis muidu maskeeriks vastujõu mõju.
Raketi start: Rakett ei lükka end õhu vastu. See paiskab gaase suure kiirusega tahapoole. Gaasid avaldavad omakorda raketile võrdse ja vastassuunalise jõu, mis tõukab raketti edasi.
Kõndimine: Kui astute sammu, surub teie jalg maad tahapoole. Maa aga surub teie jalga ettepoole. Ilma hõõrdumiseta ja selle vastastikmõjuta me libiseksime kohapeal ega suudaks liikuda.
Ujumine: Ujuja lükkab käte ja jalgadega vett tahapoole, mis tähendab, et vesi lükkab uujat ettepoole.
Newtoni seaduste omavaheline seos
Newtoni kolm esimest seadust moodustavad tervikliku süsteemi. Esimene seadus kirjeldab inertsust – seda, kuidas kehad püüavad oma olekut säilitada. Teine seadus annab meile valemi jõu arvutamiseks (F = ma), aidates mõista, kui palju liikumine muutub. Kolmas seadus aga kirjeldab jõu olemust ja päritolu.
Ilma kolmanda seaduseta oleks võimatu kirjeldada süsteemide käitumist. See reegel on aluseks impulsi jäävuse seadusele. Kui kaks objekti põrkuvad, siis nende vastastikmõju on Newtoni kolmanda seaduse otsene tagajärg. See tagab, et energiat ja liikumist saab universumis jälgida ja prognoosida. See on põhjus, miks insenerid suudavad ehitada sildu, mis ei varise, ja lennukeid, mis püsivad õhus.
Igapäevaelu näited, mida me tihti ei märka
Meie igapäevane elu on täis Newtoni kolmanda seaduse rakendusi, kuid kuna me oleme nendega harjunud, ei pane me neid tähele. Võtame näiteks toolil istumise. Teie keha surub tooli istmele oma raskusega, mis tuleneb gravitatsioonijõust. Tool aga surub teid täpselt sama jõuga ülespoole. Kui tool oleks nõrgem kui teie raskus, ületaks teie raskus materjali vastujõudu ja tool puruneks. See vastastikmõju hoiab meid tasakaalus.
Samuti on oluline mõista, et vastujõud on alati hetkeline. Niipea kui mõjuv jõud lakkab, kaob ka vastujõud. Kui lõpetate palli löömise, lakkab ka palli poolt jalale avaldatav vastujõud. See on “sünkroonis” toimiv protsess, mis ei vaja aega ega ootamist. See on universumi reaalajas toimiv suhtlus kahe objekti vahel.
Müüdid ja väärarusaamad
Üks levinumaid eksiarvamusi on see, et vastujõud neutraliseerivad üksteist ja seetõttu ei tohiks midagi üldse liikuda. See on vale, kuna vastujõud ei toimi ühele ja samale kehale. Kui kaks jõudu toimiksid ühele kehale, oleksid need tõesti tasakaalus. Kuid kuna üks jõud mõjutab objekti A ja teine objekti B, siis mõlemad objektid reageerivad oma jõule vastavalt oma massile ja inertsile.
Teine müüt on seotud elutute objektidega. Inimesed arvavad sageli, et “aktiivsed” objektid, nagu inimene või mootor, avaldavad jõudu, aga “passiivsed” objektid, nagu sein või põrand, lihtsalt on seal. Füüsika vaatepunktist on sein aga sama aktiivne kui inimene. Kui sein ei avaldaks vastujõudu, kukuks inimene läbi seina või sein annaks järele. Seega on iga materjal, olgu see kivi, puit või vesi, võimeline avaldama vastujõudu vastavalt oma ehitusele.
Kuidas Newtoni seadus mõjutab tehnoloogiat
Kaasaegne inseneriteadus põhineb täielikult Newtoni seaduste mõistmisel. Autotööstuses on oluline mõista, kuidas rehv avaldab teele jõudu ja kuidas tee avaldab rehvile vastujõudu, mis paneb auto edasi liikuma. Kui teed on jäised ja hõõrdumine väheneb, ei saa rehv piisavalt jõudu teele avaldada ning vastujõudu ei teki, mistõttu auto libiseb.
Lennunduses on olukord veelgi dramaatilisem. Reaktiivmootor imeb õhku sisse, surub seda kokku, põletab kütusega ja paiskab suure kiirusega välja. See kiire väljapaiskuv õhuvool on mõjuv jõud. Vastavalt Newtoni kolmandale seadusele tekib vastujõud, mis lükkab lennukit edasi. Ilma selle seaduseta poleks võimalik aru saada, kuidas lennukid suudavad õhus püsida ja liikuda, hoolimata sellest, et nad on valmistatud tugevatest metallidest.
Korduma kippuvad küsimused
Kas vastujõud on alati täpselt sama tugev kui mõjuv jõud?
Jah, vastavalt Newtoni kolmandale seadusele on need alati võrdse suurusega. Kui mõjuv jõud on 50 njuutonit, on ka vastujõud täpselt 50 njuutonit, suunatud vastupidises suunas.
Kas vastujõud võib olla väiksem, kui objekt on liikuv?
Ei, vastujõud ei sõltu objekti liikumiskiirusest ega massist. See sõltub ainult sellest, kui suur jõud on rakendatud esimesele objektile. Küll aga võib objekti reaktsioon (kiirendus) olla erinev sõltuvalt selle massist.
Miks ma ei liigu edasi, kui ma lihtsalt seisan paigal?
Kui seisate paigal, on teie raskusjõud suunatud allapoole ja põranda toereaktsioon (vastujõud) on suunatud ülespoole. Need on tasakaalus, seega ei toimu vertikaalset liikumist.
Kas gravitatsioonil on ka vastujõud?
Jah. Kui Maa tõmbab teid gravitatsioonijõuga enda poole, siis Newtoni kolmanda seaduse kohaselt tõmbate ka teie Maad täpselt sama suure jõuga ülespoole. Kuna Maa mass on aga nii tohutult suur, on teie tõmbejõu mõju Maa liikumisele mõõtmatult väike.
Kas Newtoni kolmas seadus kehtib ka kosmoses?
Jah, füüsikaseadused on universaalsed. Kosmoses, kus puudub õhutakistus, on kolmanda seaduse toime veelgi selgemalt nähtav, sest välistegurid ei sega jõudude omavahelist toimet.
Miks füüsika mõistmine muudab maailmapilti
Newtoni kolmas seadus on suurepärane näide sellest, kuidas maailm on omavahel seotud. See õpetab meile, et mitte midagi ei toimu vaakumis – iga meie tegevus, olgu see füüsiline või metafoorne, tekitab reaktsiooni. Füüsilises maailmas tähendab see liikumist, energiat ja vastastikmõjusid, mis hoiavad kõike koos. Kui me mõistame neid lihtsaid aluseid, muutub ümbritsev maailm palju loogilisemaks.
See seadus ei ole ainult kooliõpiku materjal, vaid vahend, mille abil saame analüüsida kõike alates spordist kuni kosmosereisideni. See aitab meil mõista, et loodus on aus ja tasakaalustatud. Iga jõupingutus, mida me teeme, leiab vaste. See on lihtne, elegantne ja äärmiselt võimas põhimõte, mis paneb meie planeedi ja kogu universumi toimima just nii, nagu me seda igapäevaselt kogeme. Järgmine kord, kui kõnnite tänaval või lükkate ust, pidage meeles, et olete osa sellest lõputust ja põnevast jõudude mängust, mida Newton üle kolmesaja aasta tagasi kirjeldas.
