Introduktion

I förra kapitlet studerade vi modeller för rätlinjig rörelse med konstant hastighet eller konstant acceleration. I det här kapitlet går vi vidare och tittar på orsaken till rörelse. Vi inför begreppet kraft, och formulerar Newtons lagar med hjälp av det.

4.1 Från Aristoteles till Newton

Du har träffat på Aristoteles tidigare i boken. På hans tid var det vanligt att tänka sig att världen var uppbyggd av fyra element: jord, vatten, luft och eld. Aristoteles ansåg att elementen söker sin "naturliga plats" i världen. Luften ligger ovanför vattnet, som i sin tur ligger på jorden. Om du släpper en sten, så ramlar den ner mot sin naturliga plats på jorden. En luftbubbla i vatten stiger rakt upp genom vattnet till sin naturliga plats i luften. All naturlig rörelse går ut på att tingen söker sin naturliga plats. Sådan rörelse är rätlinjig och slutar med att tingen kommer till vila.

4.1 Aristoteles (384-322 f.Kr.)

Utöver naturlig rörelse finns det också påtvingad rörelse. En påtvingad rörelse sker till exempel när en häst drar en vagn, eller när en flicka ror en båt. Alla påtvingade rörelser möter motstånd och kräver krafter som verkar utifrån. Aristoteles ansåg att ju snabbare ett föremål rör sig, desto större måste den kraft vara som verkar på det. Han menade också att en konstant kraft ger en konstant hastighet. När kraften upphör att verka stannar föremålet.

Aristoteles lära om att all rörelse möter motstånd stämmer bra med vår vardagserfarenhet. Tänk till exempel på luftmotståndet när du cyklar. Aristoteles rörelselära verkade så förnuftig att den dominerade i nästan tvåtusen år. För att kunna se vad som är fel med den måste vi gå vidare till Galilei.

Galilei

4.2 Galileo Galilei (1564−1642)

Galilei insåg att det var nödvändigt att studera de allra enklaste rörelserna för att kunna förstå orsaken till rörelse. Därför studerade han mycket noggrant kulor som rullade nerför ett lutande plan. Utifrån sådana försök formulerade Galilei användbara definitioner för hastighet och acceleration och kom fram till rörelseformlerna. Han lät kulorna rulla vidare från det lutande planet ut på en vågrät yta. Han såg att ju slätare ytan var; desto längre rullade kulan. Vad skulle hända om kulan och den vågräta ytan kunde göras helt släta? Skulle kulan då fortsätta att rulla med samma hastighet? Utifrån sina observationer formulerade han två lagar som avvek från Aristoteles lära:

1. Om ingen kraft påverkar ett föremål i rörelse, så kommer det att fortsätta med konstant fart och riktning.
2. Om nettokraften är konstant skild från noll, så kommer hastigheten att ändras.

Galileis rörelselära blev på det viset enklare än Aristoteles lära. Galileis lära gjorde det också möjligt att studera krafter och rörelser mera systematiskt.

4.3 Genom att rulla mässingskulor nedför en ränna och samtidigt mäta tiden kunde Galilei visa att distansen som kulorna rullat var proportionell mot tiden i kvadrat.

Newton

4.4 Isaac Newton (1642-1727)

Många fysiker anser att Isaac Newton är tidernas störste forskare inom naturvetenskaperna. Han föddes i England, och började på universitetet i Cambridge när han var 21 år gammal. Året efter stängdes universitetet på grund av pestutbrott. Newton åkte hem, och på ett par år lade han grunden till dynamiken, det vill säga läran om kraft och rörelse. Han formulerade också gravitationslagen, som förklarar planeternas rörelser och andra fallrörelser. Dessutom utvecklade han de matematiska metoder som behövs för att beräkna rörelser. En av metoderna är beräkningar med derivator, ett matematiskt område som du kommer att se mycket av i dina framtida studier.