Què canvia una força en un cos?
Al banc hi ha dos carretons aturats en un rail sense fregament, l'A d'1 kg i el B de 4 kg. El botó Empeny aplica a cadascun la mateixa força, 2 N, durant els mateixos 2 s, i després els deixa córrer sols. Mentre la força actua, la velocitat de l'A creix quatre vegades més de pressa que la del B; quan s'acaba, l'A continua a 4 m/s i el B a 1 m/s.
Des del final de l'empenta, les dues rectes del gràfic queden horitzontals. Sense força, cap carretó no guanya ni perd velocitat, i el B continuaria a 1 m/s per tant de rail com n'hi hagués. Els carretons aturats, abans de prémer el botó, són el mateix cas amb velocitat zero. Això és la inèrcia, que Galileu ja havia observat.
La segona llei parla del moment, el producte de la massa per la velocitat, i diu que la força és el ritme amb què aquest moment varia en el temps. Amb la massa constant, la derivada només toca la velocitat i la llei es converteix en \(F = ma\): els mateixos 2 N donen al carretó d'1 kg una acceleració de 2 m/s² i al de 4 kg una de 0,5 m/s². En aquest sentit la massa mesura la inèrcia, la resistència d'un cos a deixar-se canviar la velocitat, i el banc ho mostra en els pendents de les dues rectes durant l'empenta.
força, mentre actua velocitat
Els moments finals guarden la part més curiosa. L'A acaba amb 1 kg per 4 m/s, el B amb 4 kg per 1 m/s, i tots dos tenen els mateixos 4 kg·m/s. Sumant la segona llei al llarg de l'empenta, la variació del moment és la força multiplicada pel temps durant el qual ha actuat, l'impuls \(F\,T\), i la massa no entra en el compte. Qualsevol parell de masses als controls acaba amb moments iguals; el que decideix la massa és com es reparteix aquest moment entre molta massa i poca velocitat o al revés. La lliçó de secundària sobre l'impuls fa servir la mateixa relació per explicar per què un xoc més llarg fa menys mal.
La llei deixa una cosa oberta, i convé dir quina. No diu què és una força ni d'on ve; diu quant canvia el moment per segon mentre actua. Per preveure un moviment falta una segona informació, la llei de la força de cada cas, i el pas 3 fa servir la de la molla per calcular un moviment sencer. La lliçó de secundària sobre la segona llei treballa \(F = ma\) amb forces donades; aquí interessa la forma amb el moment, que és la que el mateix Newton va escriure, parlant de quantitat de moviment.
Al Feynman: §9-1 Momentum and force ↗
Per conversar
- Posa l'A a 0,5 kg i el B a 8 kg. Quantes vegades més gran és la velocitat final de l'A que la del B? I els moments finals?
- Redueix la força a la meitat i duplica la durada de l'empenta. Què canvia al gràfic? I en els moments finals?
- Amb les dues masses iguals, què passa amb les dues rectes del gràfic?
- Durant l'empenta, els dos moments surten sempre iguals als quadres, tot i que les velocitats són ben diferents. Per què? Compara-ho amb el quadre F·t.
- Per pensar, ja que el banc no té fregament: en un rail de debò, com quedarien les rectes després de l'empenta? Què diu això del fregament?