Hur interagerar Newtons lagar med tennis?

När du tittar på tennis eller någon annan sport, du tittar på en demonstration av fysik, bara med mer glädje än det typiska fysikförsöket. Centralt för åtgärden är de tre lagar av rörelse som beskrevs 1687 av Sir Isaac Newton, Grand Slam-mästaren i förindustriell vetenskap. På många sätt är en tennisspel ett test av vilken spelare som manipulerar Newtons lagar till största effekten.

Lagen

Newtons första lagen om rörelse kallas vanligen lagen om tröghet: Ett objekt i ett tillstånd av enhetlig rörelse kommer att förbli i den rörelsen om den inte möter en yttre kraft, och ett vilotillstånd kommer att ligga i vila om det inte påverkas av en yttre kraft. Newtons andra lag definierar förhållandet mellan ett objekts massa, den kraft som appliceras på den och den acceleration som resulterar: Kraften är lika med masstiderna acceleration, eller F = ma. Newtons tredje lag om rörelse kan vara den som folk flest är bekant med, om bara för att de ser det citeras så ofta: För varje handling finns en lik och motsatt reaktion.

Den första lagen

I tennis är den mest uppenbara förekomsten av Newtons första lag vägen för bollen. När du slår bollen med din racket, leder den av i en viss riktning. Om du spelade spelet i vakuum av intergalaktiskt utrymme, ljusår från någon tyngdkraftsproducerande kropp, skulle bollen fortsätta i den riktningen mer eller mindre på obestämd tid, eftersom ingen yttre krafter skulle fungera på den. På jorden är dock två huvudstyrkor på jobbet: Luftmotståndet saktar bollen och gravitationen drar bollen mot marken.

Den andra lagen

När du tappade den tennbollen med din racket - i rymden eller på jorden - utövade du en kraft på den. Hur mycket kraft? Det är där Newtons andra lag kommer in: Kraften är lika med acceleration av masstider. I denna ekvation mäts massan i kilo och acceleration i en enhet som heter "meter per sekund per sekund". Acceleration är inte samma sak som hastighet; snarare, det är den takt som något påskyndar. Om ett föremål rör sig vid 1 m per sekund eller "m / s", och det går fort så att en sekund senare rör sig vid 2 m / s, så sped det upp 1 m / s på den ena sekunden - 1 m per sekund per sekund.

Nu tillbaka till den tennisboll du träffar: En tennisboll har en massa på ca 56 g, eller 0, 056 kg. Och låt oss säga att du lägger tillräckligt med zing på bollen att en tiondel av en sekund efter att du slog den, når den 100 mph eller 44. 7 m per sekund. Det är en accelerationshastighet på 447 m per sekund per sekund, eller m / s / s. Multiplicera 0. 056 kg gånger 447 m / s / s och du får 25. 032. Men 25. 032 av vad? Force mäts i enheter som kallas, tillräckligt med tillräckliga, Newtons.Du slår bollen med 25. 032 Newtons av våld. Trevlig servering.

Den tredje lagen

Du tjänar bollen, din motståndare returnerar tjänsten och du går för att återvända sin volley. Du planterar din fot på marken och skjuter av. Du trycker i en riktning - i en vinkel mot marken - och din kropp går i motsatt riktning, i en vinkel från marken. Den kraft som du pressade in i marken är den kraft som du drivs framåt. Det är handling och reaktion. Du är Newtons tredje lag om rörelse, i rörelse.