Newtonin toinen laki
Kun resultanttivoima työntää kappaletta, kappale kiihtyy – se nopeutuu, hidastuu tai muuttaa suuntaansa. Suurempi voima tarkoittaa suurempaa kiihtyvyyttä; massiivisempi kappale kiihtyy vähemmän.
Kaava
F = m · a
- F — voima (N): kappaleeseen vaikuttava nettotyöntö tai -veto
- m — massa (kg): kuinka paljon ainetta kappaleessa on – sen vastus kiihtymistä vastaan
- a — kiihtyvyys (m/s²): kuinka nopeasti kappaleen nopeus muuttuu joka sekunti
Ratkaistu esimerkki
2 kg rattaat kitkattomalla lattialla työnnetään vakaalla 8 N voimalla. Kuinka nopeasti ne kiihtyvät?
- m = 2 kg
- F = 8 N
- a = F / m
- a = 8 N / 2 kg
a = 4 m/s²
Testaa itseäsi
Sama 8 N työntö vaikuttaa nyt raskaampaan 4 kg rattaaseen. Mikä sen kiihtyvyys on?
- 4 m/s²
- Oikea vastaus: 2 m/s²
- 32 m/s²
Oikein! Massan kaksinkertaistaminen puolittaa kiihtyvyyden: 8 N ÷ 4 kg = 2 m/s².
Antaakseen alkuperäisille 2 kg rattaille kaksinkertaisen kiihtyvyyden (8 m/s²), voiman on oltava…
- Oikea vastaus: 16 N
- 4 N
- 8 N
Täsmälleen – kiihtyvyys on verrannollinen voimaan: F = 2 kg × 8 m/s² = 16 N.
Missä tätä näkee
Ostoskärryä on helppo työntää tyhjänä ja vaikeaa työntää ruokatarvikkeilla lastattuna – sama voima, vähemmän kiihtyvyyttä, koska massa kasvoi. Auton moottori tuntuu heikommalta perävaunua vetäessä samasta syystä: resultanttivoima pysyy samankaltaisena, mutta yhdistetty massa on paljon suurempi.
Yleiset virheet
Yleinen väärinkäsitys on, että voimaa tarvitaan pitämään jotakin liikkeessä vakionopeudella – voimaa tarvitaan vain nopeuden muuttamiseen, ja liikkeessä oleva kappale, johon vaikuttaa nolla resultanttivoimaa, jatkaa samalla nopeudella ikuisesti. Toinen on käsitellä F = ma muodossa ”voima aiheuttaa nopeuden” muodon ”voima aiheuttaa kiihtyvyyden” sijaan – suuri voima suurella massalla voi silti tuottaa pienen kiihtyvyyden.
Miten tämä kytkeytyy
Tämä rakentuu suoraan vapaapudotuksen ja heittoliikkeen päälle, joissa painovoima jo kiihdytti kappaleita – Newtonin toinen laki selittää tuon kiihtyvyyden kaavana F = ma, jossa F on kappaleen paino. Se johtaa liikemäärän säilymiseen, joka oikeasti on Newtonin toinen ja kolmas laki sovellettuna kahteen kappaleeseen, jotka työntävät toisiaan yhtä aikaa.