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Raymond A. Serway
Chris Vuille
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Chapter Four
The Laws of Motion
Classical Mechanics
Describes the relationship between themotion of objects in our everyday world andthe forces acting on them
Conditions when Classical Mechanics does notapply
Very tiny objects (< atomic sizes)
Objects moving near the speed of light
Introduction
Newton’s Laws
This chapter will look at an introduction toNewton’s three laws of motion and his law ofgravity
These laws are considered among the greatestachievements of the human mind
Introduction
Forces
Commonly imagined as a push or pull on someobject
Vector quantity
May be a contact force or a field force
Contact forces result from physical contact between twoobjects
Field forces act between disconnected objects
Section 4.1
Contact and Field Forces
Section 4.1
0402
Fundamental Forces
Types
Strong nuclear force
Electromagnetic force
Weak nuclear force
Gravity
Characteristics
All field forces
Listed in order of decreasing strength
Only gravity and electromagnetic in mechanics
Section 4.1
Sir Isaac Newton
1642 – 1727
Formulated basicconcepts and laws ofmechanics
Universal Gravitation
Calculus
Light and optics
Built upon Galileo’sconcepts of motion
Section 4.2
04p90
Newton’s First Law
An object moves with a velocity that isconstant in magnitude and direction, unlessacted on by a nonzero net force
The net force is defined as the vector sum of allthe external forces exerted on the object
Section 4.2
External and Internal Forces
External force
Any force that results from the interactionbetween the object and its environment
Internal forces
Forces that originate within the object itself
They cannot change the object’s velocity
Section 4.2
Inertia
Is the tendency of an object to continue in itsoriginal motion
In the absence of a force
Thought experiment
Hit a golf ball
Hit a bowling ball with the same force
The golf ball will travel farther
Both resist changes in their motion
Section 4.2
Mass
A measure of the resistance of an object tochanges in its motion due to a force
The larger the mass, the less it accelerates underthe action of a given force
SI units are kg
Scalar quantity
Section 4.2
Newton’s Second Law
The acceleration of an object is directlyproportional to the net force acting on it andinversely proportional to its mass.
 
Can also be applied three-dimensionally
Section 4.3
Eqn46
Units of Force
SI unit of force is a Newton (N)
US Customary unit of force is a pound (lb)
1 N = 0.225 lb
See table 4.1 for a summary of units
Section 4.3
Eqn47
Eqn48
Some Notes About Forces
Forces cause changes in motion
Motion can occur in the absence of forces (constantvelocity, no acceleration)
All the forces acting on an object are added asvectors to find the net force acting on the object
Mass is not a force itself
Newton’s Second Law is a vector equation
Section 4.3
Eqn46
Gravitational Force
Mutual force of attraction between any twoobjects
Expressed by Newton’s Law of UniversalGravitation:
Every particle in the Universe attracts every other particlewith a force that is directly proportional to the product ofthe masses of the particles and inversely proportional tothe square of the distance between them
Section 4.3
Eqn49
Weight
The magnitude of the gravitational forceacting on an object of mass m near the Earth’ssurface is called the weight w of the object
w = m g is a special case of Newton’s Second Law
g is the acceleration due to gravity
 can also be found from the Law of UniversalGravitation
Section 4.3
More about weight
Weight is not an inherent property of anobject
Mass is an inherent property
Weight depends upon location (accelerationdue to gravity times mass equals weight)
Section 4.3
Eqn50
Newton’s Third Law
If object 1 and object 2 interact, the forceexerted by object 1 on object 2 is equal inmagnitude but opposite in direction to theforce exerted by object 2 on object 1.
 
Equivalent to saying a single isolated force cannotexist
Section 4.4
Newton’s Third Law cont.
F12 may be called the actionforce and F21 the reactionforce
Actually, either force can bethe action or the reactionforce
The action and reactionforces act on differentobjects
Section 4.4
0409b
Some Action-Reaction Pairs
 
   is the normal force, theforce the table exerts on theTV
   is always perpendicular tothe surface
    is the reaction – the TV onthe table
 
Section 4.4
0410a
Eqn52
Eqn52
Eqn52
Eqn51
Eqn53
Eqn56
More Action-Reaction pairs
 
  is the force the Earthexerts on the object
  is the force the objectexerts on the earth
 
Section 4.4
0410a
Eqn54
Eqn55
Eqn57
Eqn59
Eqn58
Newton’s Law uses theforces acting on anobject
               are acting onthe object
                are acting onother objects
Forces Acting on an Object
Section 4.4
0410b
Applications of Newton’s Laws
Assumptions
Objects behave as particles
Can ignore rotational motion (for now)
Masses of strings or ropes are negligible
Interested only in the forces acting on the object
Can neglect reaction forces
Section 4.5
More Assumptions – Ropes
Ignore any frictional effects of the rope
Ignore the mass of the rope
The magnitude of the force exerted along the rope is called thetension
The tension is the same at all points in the rope
Section 4.5
0411
Free Body Diagram
A diagram of the forces acting on an object
Must identify all the forces acting on theobject of interest
Choose an appropriate coordinate system
If the free body diagram is incorrect, thesolution will likely be incorrect
Section 4.5
Eqn60
Free Body Diagram, Example
The magnitude of force T isthe tension acting on thebox
The tension is the same at allpoints along the rope
               are the forcesexerted by the earth andthe ground
Section 4.5
0412
Free Body Diagram, final
Only forces acting directly on the object areincluded in the free body diagram
Reaction forces act on other objects and so arenot included
The reaction forces do not directly influence theobject’s motion
Section 4.5
Solving Newton’s Second LawProblems
Read the problem at least once
Draw a picture of the system
Identify the object of primary interest
Indicate forces with arrows
Label each force
Use labels that bring to mind the physical quantityinvolved
Section 4.5
Solving Newton’s Second LawProblems, cont
Draw a free body diagram
If additional objects are involved, draw separate free bodydiagrams for each object
Choose a convenient coordinate system for each object
Apply Newton’s Second Law
The x- and y-components should be taken from the vectorequation and written separately
Solve for the unknown(s)
Section 4.5
Equilibrium
An object either at rest or moving with aconstant velocity is said to be in equilibrium
The net force acting on the object is zero(since the acceleration is zero)
Section 4.5
Eqn61
Equilibrium cont.
Easier to work with the equation in terms of itscomponents:
This could be extended to three dimensions
A zero net force does not mean the object is notmoving, but that it is not accelerating
Section 4.5
Eqn62
Equilibrium Example – Free BodyDiagrams
Section 4.5
0414
Inclined Planes
Choose the coordinatesystem with x along theincline and yperpendicular to theincline
Replace the force ofgravity with itscomponents
Section 4.5
0415
Multiple Objects – Example
When you have more than one object, theproblem-solving strategy is applied to eachobject
Draw free body diagrams for each object
Apply Newton’s Laws to each object
Solve the equations
Section 4.5
Multiple Objects – Example, cont.
Section 4.5
0420
Note:  The magnitude of the tension
force is the same throughout the
rope, and opposes gravity for each
object.
Forces of Friction
When an object is in motion on a surface orthrough a viscous medium, there will be aresistance to the motion
This is due to the interactions between the objectand its environment
This is resistance is called friction
Section 4.6
More About Friction
Friction is proportional to the normal force
The force of static friction is generally greater thanthe force of kinetic friction
The coefficient of friction (µ) depends on thesurfaces in contact
The direction of the frictional force is opposite thedirection of motion
The coefficients of friction are nearly independent ofthe area of contact
Section 4.5
Static Friction, ƒs
Static friction acts tokeep the object frommoving
If F increases, so does ƒs
If F decreases, so does ƒs
ƒs  µs n
Use = sign for impendingmotion only
Section 4.5
0421c
0421a
Kinetic Friction, ƒk
The force of kineticfriction acts when theobject is in motion
ƒk = µk n
Variations of thecoefficient with speedwill be ignored
Section 4.5
0421b
0421c
Friction, final
Adjust the force and seewhere you are on thegraph
Note especially where ƒ= Fs
Section 4.5
0421
Some Coefficients of Friction
Section 4.5
04T2
Block on a Ramp, Example withFriction
Axes are rotated as usual onan incline
The direction of impendingmotion would be down theplane
Friction acts up the plane
Opposes the motion
Apply Newton’s Laws andsolve equations
Section 4.5
0423
Example
How fast is a block traveling on a frictionlessramp 25 degrees above the horizontal if theblock is released from rest, and allowed totravel for 10.0 meters down the ramp?
Connected Objects
Apply Newton’s Lawsseparately to each object
The magnitude of theacceleration of both objectswill be the same
The tension is the same ineach diagram
Solve the simultaneousequations
Section 4.5
0425
Connected Objects – SystemApproach
Treating the system as one object allows analternative method or a check
Use only external forces
Not the tension – it’s internal
The mass is the mass of the system
Doesn’t tell you anything about any internalforces
Section 4.5
Example
m2
m1
Masses m1 = 4.00 kg and m2 = 9.00 kg are connected by a light string that passes overa frictionless pulley. As shown in the diagram, m1 is held at rest on the floor and m2 restson a fixed incline of angle 40 degrees. The masses are released from rest, and m2 slides1.00 m down the incline in 4 seconds. Determine (a) The acceleration of each mass (b)The coefficient of kinetic friction and (c) the tension in the string.
m1g
m2g
FN
T
T
Ff
40
40
m2gcos40
m2gsin40
Example
Other Types of Friction
Friction between themoving car’s wheelsand the road is staticfriction
Unless the car is skidding
Also have the airresistance,
Air resistance changeswith velocity
Section 4.5
0427
Eqn63