SlideShare a Scribd company logo
1 of 47
Download to read offline
How	
  The	
  Universe	
  Works:
	
  
Mo2on	
  &	
  Forces
	
  
Lecture	
  3	
  
AST	
  102,	
  Prof.	
  Rice	
  
Monday	
  10:10	
  –	
  11:50	
  am	
  
September	
  16,	
  2013	
  
AMer	
  today’s	
  class,	
  you	
  should	
  be	
  able	
  to…	
  	
  
… Define	
  speed,	
  velocity	
  and	
  accelera2on	
  	
  
and	
  explain	
  their	
  rela2onship	
  
… Interpret	
  a	
  plot	
  of	
  an	
  object’s	
  mo2on	
  
… Explain	
  Newton’s	
  First	
  Law	
  
… Use	
  Newton’s	
  Second	
  and	
  Third	
  Laws	
  to	
  
describe	
  mo2on	
  in	
  response	
  to	
  forces	
  
… Describe	
  the	
  four	
  fundamental	
  forces	
  
Propor2onali2es	
  can	
  be	
  very	
  useful.	
  
“The	
  area	
  of	
  a	
  square	
  is	
  propor2onal	
  to	
  	
  
the	
  length	
  of	
  a	
  side,	
  squared.”	
  
A	
  ∝	
  s2	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
side	
  =	
  z 	
  side	
  =	
  2z	
  
area	
  =	
  A 	
  area	
  =	
  ?	
  
The	
  volume	
  of	
  a	
  sphere	
  is	
  V	
  =	
  4/3	
  π	
  R3.	
  
Which	
  expression	
  is	
  a	
  propor2onality?	
  
V	
  ∝	
  π	
  R3	
  	
  
V	
  ∝	
  4/3	
  π	
  R3	
  	
  
V	
  ∝	
  4/3	
  	
  R3	
  	
  
V	
  ∝	
  R3	
  	
  
Two	
  2mes	
  larger.	
  
Four	
  2mes	
  larger.	
  
Six	
  2mes	
  larger.	
  
Eight	
  2mes	
  larger.	
  
The	
  volume	
  of	
  a	
  sphere	
  is	
  propor2onal	
  to	
  
the	
  radius	
  cubed.	
  	
  If	
  we	
  double	
  the	
  radius	
  
of	
  the	
  sphere,	
  the	
  volume	
  is	
  now…	
  
V∝r3	
  
(2r)3	
  =	
  23	
  x	
  r3	
  =	
  8	
  x	
  r3	
  
Eight	
  2mes	
  larger.	
  
The	
  volume	
  of	
  a	
  sphere	
  is	
  propor2onal	
  to	
  
the	
  radius	
  cubed.	
  	
  If	
  we	
  double	
  the	
  radius	
  
of	
  the	
  sphere,	
  the	
  volume	
  is	
  now…	
  
Sphere	
  A	
  has	
  a	
  radius	
  twice	
  as	
  large	
  as	
  Sphere	
  B.	
  
What	
  is	
  the	
  ra2o	
  of	
  volumes	
  of	
  the	
  spheres?	
  
Va	
  /	
  Vb	
  =	
  1/8	
  
Va	
  /	
  Vb	
  =	
  8	
  
Va	
  /	
  Vb	
  =	
  4/3	
  
Va	
  /	
  Vb	
  =	
  3/4	
  
The	
  area	
  of	
  a	
  circle	
  is	
  A	
  =	
  π	
  R2.	
  Circle	
  X	
  is	
  three	
  
2mes	
  the	
  radius	
  of	
  circle	
  Y	
  (RX	
  =	
  3RY).	
  What	
  is	
  the	
  
ra2o	
  of	
  the	
  area	
  of	
  circle	
  X	
  to	
  the	
  area	
  of	
  circle	
  Y?	
  
AX	
  /	
  AY	
  =	
  6	
  
AX	
  /	
  AY	
  =	
  9	
  
AX	
  /	
  AY	
  =	
  1/6	
  
AX	
  /	
  AY	
  =	
  1/9	
  
Speed:	
  distance	
  traveled	
  per	
  unit	
  2me	
  
V	
  =	
  
t	
  
d	
  
Units:	
  “miles	
  per	
  hour”	
  
…expressed	
  frac2onally:	
   V	
  =	
  
hr	
  
miles	
  
Slope	
  is	
  “rise	
  over	
  run”	
  
d	
  
t	
  
Δd	
  
Δt
	
  
V	
  =	
  
Δt	
  	
  (s)	
  
Δd	
  	
  (m)	
  
A	
  speedometer	
  reads	
  the	
  
instantaneous	
  speed:	
  the	
  speed	
  	
  
you	
  are	
  traveling	
  at	
  that	
  instant.	
  
Imagine	
  driving	
  from	
  
campus	
  to	
  Atlan2c	
  City.	
  
d	
  
t	
  
Prejy	
  slow	
  leaving	
  CSI...	
  
…but	
  much	
  faster	
  on	
  
the	
  expressway.	
  
The	
  tangent	
  to	
  the	
  curve	
  gives	
  the	
  instantaneous	
  speed.	
  
CSI	
  
278	
  
NJ	
  Turnpike	
  
Shallow	
  slope,	
  
low	
  speed	
  
Steep	
  slope,	
  
high	
  speed	
  
An	
  analogy:	
  
Speed:	
  rate	
  of	
  change	
  of	
  distance	
  per	
  unit	
  2me	
  
Accelera2on:	
  rate	
  of	
  change	
  of	
  speed*	
  per	
  unit	
  2me	
  
a	
  =	
  
Δt	
  
ΔV	
  
“Zero	
  to	
  60	
  in	
  4	
  seconds!”	
  
a	
  =	
  
4	
  s	
  
60	
  mi/hr	
  
=	
  
s	
  
6.7	
  m/s	
  
a	
  =	
  6.7	
  m/s2
	
  
	
  
“6.7	
  meters	
  per	
  second,	
  per	
  second”
	
  
*	
  In	
  a	
  straight	
  line!	
  
Can	
  accelera2on	
  be	
  nega2ve	
  while	
  
speed	
  is	
  posi2ve?	
  
Yes	
  
No	
  
d	
  
t	
  
Yes!	
  	
  Nega2ve	
  accelera2on	
  means	
  
slowing	
  down.	
  
If	
  the	
  speed	
  of	
  a	
  car	
  is	
  non-­‐zero	
  (V≠0),	
  	
  
can	
  the	
  accelera2on	
  of	
  the	
  car	
  be	
  zero?	
  
Yes	
  
No	
  
Depends	
  on	
  the	
  velocity	
  
Yes	
  
Example:	
  a	
  car	
  cruising	
  in	
  a	
  straight	
  line	
  	
  
at	
  65	
  mph	
  has	
  zero	
  accelera2on.	
  
If	
  the	
  speed	
  of	
  a	
  car	
  is	
  non-­‐zero	
  (V≠0),	
  	
  
can	
  the	
  accelera2on	
  of	
  the	
  car	
  be	
  zero?	
  
Velocity	
  is	
  speed	
  and	
  direc2on	
  
Accelera2on	
  is	
  the	
  rate	
  of	
  change	
  of	
  velocity	
  per	
  unit	
  2me	
  
Velocity	
  changes	
  in	
  circular	
  mo2on	
  (because	
  the	
  direc2on	
  
changes),	
  even	
  at	
  a	
  constant	
  speed.	
  
Therefore,	
  there	
  is	
  accelera2on	
  in	
  circular	
  mo2on!	
  
Imagine	
  you	
  throw	
  a	
  ball	
  straight	
  up	
  in	
  the	
  air.	
  	
  
At	
  its	
  highest	
  point,	
  the	
  ball’s…	
  
Velocity	
  and	
  accelera2on	
  are	
  both	
  zero	
  
	
  
Velocity	
  is	
  non-­‐zero,	
  but	
  accelera2on	
  is	
  zero	
  
	
  
Velocity	
  is	
  zero,	
  but	
  accelera2on	
  is	
  non-­‐zero	
  
	
  
Velocity	
  and	
  accelera2on	
  are	
  both	
  non-­‐zero	
  
Imagine	
  you	
  throw	
  a	
  ball	
  straight	
  up	
  in	
  the	
  air.	
  	
  
At	
  its	
  highest	
  point,	
  the	
  ball’s…	
  
Velocity	
  is	
  zero,	
  but	
  accelera2on	
  is	
  non-­‐zero	
  
The	
  ball	
  reaches	
  the	
  top…	
  
…and	
  pauses	
  (speed	
  =	
  0)	
  
But	
  no2ce:	
  accelera2on	
  (Δv/Δt)	
  is	
  always	
  the	
  same!	
  
Aristotle	
  (c.	
  350	
  BC):	
  
Natural	
  state	
  of	
  a	
  body	
  is	
  rest.	
  
Plenty	
  of	
  evidence!	
  
If	
  you	
  want	
  to	
  keep	
  something	
  moving,	
  you	
  
must	
  compel	
  it	
  to	
  move:	
  you	
  must	
  force	
  it	
  to	
  
move	
  to	
  overcome	
  its	
  natural	
  tendency	
  to	
  
come	
  to	
  rest.	
  
Galileo	
  (c.	
  1600):	
  
Maybe	
  natural	
  state	
  of	
  a	
  body	
  is	
  	
  
whatever	
  it	
  is	
  already	
  doing!	
  
What	
  is	
  unnatural	
  about	
  being	
  in	
  mo2on?	
  
If	
  something	
  is	
  in	
  mo2on,	
  maybe	
  I	
  need	
  	
  
to	
  force	
  it	
  to	
  stop?	
  
Counterintui2ve?	
  
(Opposite	
  of	
  what	
  you	
  might	
  think?)	
  
A	
  force	
  is	
  a	
  push	
  or	
  
pull	
  one	
  object	
  exerts	
  
upon	
  another	
  object.	
  
Newton’s	
  Laws	
  of	
  Mo2on	
  
1.	
  A	
  body	
  will	
  remain	
  at	
  
constant	
  velocity	
  unless	
  acted	
  
on	
  by	
  a	
  net	
  external	
  force.	
  
A	
  marble	
  is	
  rolled	
  around	
  a	
  circular	
  piece	
  of	
  
metal,	
  as	
  shown.	
  	
  The	
  metal	
  ends	
  at	
  X	
  (the	
  
circle	
  is	
  not	
  complete.	
  	
  When	
  the	
  ball	
  gets	
  to	
  X,	
  
which	
  path	
  does	
  it	
  take?	
  
B	
  
C	
  
D	
  
X	
  
A	
  
A	
  marble	
  is	
  rolled	
  around	
  a	
  circular	
  piece	
  of	
  
metal,	
  as	
  shown.	
  	
  The	
  metal	
  ends	
  at	
  X	
  (the	
  
circle	
  is	
  not	
  complete.	
  	
  When	
  the	
  ball	
  gets	
  to	
  X,	
  
which	
  path	
  does	
  it	
  take?	
   C	
  
X	
  
Newton’s	
  Laws	
  of	
  Mo2on	
  
1.	
  A	
  body	
  will	
  remain	
  at	
  	
  
constant	
  velocity	
  unless	
  	
  
acted	
  on	
  by	
  a	
  net	
  external	
  force.	
  
Newton’s	
  Laws	
  of	
  Mo2on	
  
1.	
  A	
  body	
  will	
  remain	
  at	
  	
  
constant	
  velocity	
  unless	
  	
  
acted	
  on	
  by	
  a	
  net	
  external	
  force.	
  
2.	
  F	
  =	
  m	
  •	
  a	
  
F	
  =	
  m	
  •	
  a	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  or…	
   a	
  =	
  	
  
F	
  
m	
  
The	
  accelera2on	
  due	
  to	
  a	
  par2cular	
  amount	
  
of	
  force	
  depends	
  on	
  the	
  body’s	
  mass.	
  
Newton’s	
  2nd	
  Law	
  says	
  mass	
  is	
  a	
  measure	
  of	
  
just	
  how	
  badly	
  an	
  object	
  “wants”	
  to	
  remain	
  
at	
  constant	
  velocity.	
  
Mass:	
  a	
  measure	
  of	
  stuff,	
  a	
  quan2ty	
  of	
  ma:er.	
  
A	
  soccer	
  player	
  first	
  kicks	
  a	
  soccer	
  
ball,	
  then	
  kicks	
  a	
  bowling	
  ball	
  with	
  
the	
  same	
  strength	
  of	
  kick.	
  	
  	
  	
  
Which	
  ball	
  leaves	
  her	
  foot	
  going	
  
faster?	
  
The	
  bowling	
  ball,	
  it’s	
  heavier	
  
The	
  soccer	
  ball,	
  it’s	
  lighter	
  
Neither,	
  both	
  travel	
  at	
  the	
  same	
  speed	
  
A	
  soccer	
  player	
  first	
  kicks	
  a	
  soccer	
  
ball,	
  then	
  kicks	
  a	
  bowling	
  ball	
  with	
  
the	
  same	
  strength	
  of	
  kick.	
  	
  	
  	
  
Which	
  ball	
  leaves	
  her	
  foot	
  going	
  
faster?	
  
The	
  bowling	
  ball,	
  it’s	
  heavier	
  
The	
  soccer	
  ball,	
  it’s	
  lighter	
  
Neither,	
  both	
  travel	
  at	
  the	
  same	
  speed	
  
a	
  =	
  	
  
F	
  
m	
  
Earth	
  completes	
  a	
  circular*	
  orbit	
  
around	
  the	
  Sun	
  every	
  365.25	
  days.	
  	
  
Is	
  Earth	
  accelera2ng?	
  
Yes	
  
No	
  
*	
  Well,	
  almost	
  exactly	
  circular.	
  
Earth	
  completes	
  a	
  circular*	
  orbit	
  
around	
  the	
  Sun	
  every	
  365.25	
  days.	
  	
  
Is	
  Earth	
  accelera2ng?	
  
Yes!	
  
	
  
*	
  Well,	
  almost	
  exactly	
  circular.	
  
So…	
  is	
  there	
  a	
  force?	
  
In	
  the	
  old	
  Bri2sh	
  measuring	
  system,	
  
the	
  unit	
  of	
  force	
  is	
  a	
  pound	
  (lb).	
  
In	
  the	
  metric	
  system,	
  the	
  unit	
  of	
  force	
  
is	
  a	
  Newton	
  (N).	
  
Hang	
  on!	
  	
  My	
  weight	
  is	
  a	
  force?	
  
In	
  the	
  metric	
  system,	
  the	
  unit	
  of	
  mass	
  	
  
is	
  a	
  kilogram	
  (kg).	
  
One	
  carbon	
  atom	
  has	
  mass	
  of	
  2	
  x	
  10-­‐26	
  kg!!	
  
0	
  sec:	
  distance	
  fallen	
  0m,	
  v	
  =	
  0	
  m/s	
  
1	
  sec:	
  distance	
  fallen	
  ~5m,	
  v	
  ~	
  10	
  m/s	
  
2	
  sec:	
  distance	
  fallen	
  ~20m,	
  v	
  ~	
  20	
  m/s	
  
3	
  sec:	
  distance	
  fallen	
  ~45m,	
  v	
  ~	
  30	
  m/s	
  
Accelera2on	
  of	
  gravity	
  on	
  Earth	
  ~	
  10	
  m/s2	
  
 	
  	
  Scale	
  
Fgr	
  =	
  m	
  •	
  a	
  
m	
  
But	
  why	
  doesn’t	
  the	
  scale	
  fall	
  through	
  the	
  floor?	
  
A	
  2	
  kg	
  object	
  weighs	
  ~20	
  N.	
  
The	
  force	
  of	
  gravity	
  pulls	
  the	
  box	
  onto	
  the	
  scale.	
  
The	
  strength	
  of	
  the	
  pull	
  is	
  the	
  weight	
  of	
  the	
  box.	
  
Newton’s	
  Laws	
  of	
  Mo2on	
  
3.	
  If	
  an	
  object	
  (A)	
  exerts	
  a	
  force	
  on	
  another	
  
object	
  (B),	
  then	
  object	
  B	
  exerts	
  a	
  force	
  of	
  
equal	
  magnitude	
  in	
  the	
  opposite	
  direc2on	
  
on	
  object	
  A.	
  
1.	
  A	
  body	
  will	
  remain	
  at	
  	
  
constant	
  velocity	
  unless	
  	
  
acted	
  on	
  by	
  a	
  net	
  external	
  force.	
  
2.	
  F	
  =	
  m	
  •	
  a	
  
A	
  rocket	
  exerts	
  a	
  force	
  on	
  
gases,	
  expelling	
  them.	
  
The	
  expelled	
  gases	
  exert	
  a	
  
force	
  of	
  equal	
  magnitude	
  
on	
  the	
  rocket,	
  but	
  in	
  the	
  
opposite	
  direc2on.	
  
Imagine	
  you	
  are	
  standing	
  
on	
  a	
  wheeled	
  cart,	
  and	
  you	
  
throw	
  a	
  rock	
  as	
  shown.	
  	
  	
  	
  	
  
Is	
  the	
  cart	
  put	
  into	
  mo2on?	
  
Yes,	
  it	
  moves	
  to	
  the	
  leM.	
  
Yes,	
  it	
  moves	
  to	
  the	
  right.	
  
No,	
  it	
  remains	
  in	
  place.	
  
When	
  a	
  moving	
  cue	
  ball	
  
strikes	
  a	
  sta2onary	
  8	
  ball,	
  
which	
  exerts	
  more	
  force?	
  
The	
  cue	
  ball	
  exerts	
  more	
  force.	
  
The	
  8	
  ball	
  exerts	
  more	
  force.	
  
The	
  balls	
  exert	
  equal	
  force.	
  
There	
  are	
  four	
  fundamental	
  forces:	
  
• Gravita2onal	
  
• Electromagne2c	
  	
  
• Weak	
  nuclear	
  
• Strong	
  nuclear	
  	
  
Long	
  range,	
  very	
  weak,	
  ajrac2ve	
  
Long	
  range,	
  ajrac2ve	
  or	
  repulsive	
  
Short	
  range,	
  very	
  strong,	
  ajrac2ve	
  
Very	
  short	
  range,	
  transmuta2onal	
  
All	
  four	
  fundamental	
  forces	
  play	
  important	
  
roles	
  in	
  astronomy.	
  
The	
  electromagne2c	
  force	
  is	
  the	
  source	
  
of	
  all	
  chemistry	
  and	
  biology.	
  
+	
   -­‐	
  
+	
   +	
  
Likes	
  repel…	
   …and	
  opposites	
  ajract.	
  
This	
  force	
  forms	
  atoms,	
  molecules,	
  and	
  cells,	
  
and	
  is	
  the	
  cause	
  of	
  most	
  “contact	
  forces.”	
  
While	
  it	
  acts	
  at	
  infinite	
  distances,	
  it	
  usually	
  
cancels	
  itself	
  out	
  far	
  from	
  paired	
  charges.	
  
Gravity	
  is	
  the	
  weakest	
  of	
  the	
  four	
  forces.	
  
The	
  electromagne2c	
  repulsion	
  
between	
  two	
  protons	
  is	
  1043	
  2mes	
  
stronger	
  than	
  the	
  gravita2onal	
  
ajrac2on	
  between	
  them!	
  	
  
+	
   +	
  
Gravity	
  is	
  very	
  important	
  in	
  
astronomy	
  because	
  it	
  acts	
  
over	
  enormous	
  distances	
  
and	
  is	
  always	
  ajrac2ve.	
  
The	
  strong	
  nuclear	
  force	
  is	
  the	
  strongest	
  
of	
  the	
  four	
  fundamental	
  forces.	
  
It	
  must	
  be	
  strong	
  to	
  overcome	
  electromagne2c	
  
force	
  inside	
  an	
  atomic	
  nucleus.	
  	
  But	
  it	
  acts	
  only	
  
over	
  very	
  short	
  range,	
  and	
  is	
  not	
  felt	
  between	
  
even	
  neighboring	
  atoms.	
  
This	
  force	
  plays	
  a	
  cri2cal	
  role	
  in	
  nucleosynthesis.	
  
The	
  weak	
  nuclear	
  force	
  makes	
  the	
  Sun	
  shine.	
  
This	
  force	
  is	
  “weak”	
  in	
  comparison	
  to	
  the	
  other	
  
nuclear	
  force,	
  but	
  is	
  s2ll	
  1038	
  2mes	
  stronger	
  than	
  
gravity!	
  	
  Like	
  the	
  strong	
  force,	
  the	
  weak	
  force	
  is	
  
very	
  short	
  range.	
  
The	
  weak	
  force	
  is	
  important	
  in	
  nuclear	
  reac2ons,	
  
where	
  it	
  can	
  change	
  sub-­‐atomic	
  par2cles	
  from	
  
one	
  type	
  into	
  another.	
  	
  It’s	
  a	
  cri2cal	
  part	
  of	
  how	
  
the	
  Sun	
  makes	
  its	
  energy.	
  
Next	
  Class	
  
² HTUW:	
  Gravity	
  &	
  Orbits	
  
Wednesday,	
  September	
  18	
  
² Read	
  sec2ons	
  4.4	
  and	
  4.5	
  
² Homework	
  2	
  due	
  Sunday	
  night	
  
September	
  22	
  (Chapter	
  4)	
  	
  

More Related Content

Similar to Lecture3.pdf

T2 forces dinàmica
T2 forces dinàmicaT2 forces dinàmica
T2 forces dinàmicaVictor Perez
 
150301 camp elèctric
150301 camp elèctric150301 camp elèctric
150301 camp elèctricjvsirerol
 
Moviment Harmònic Simple
Moviment Harmònic SimpleMoviment Harmònic Simple
Moviment Harmònic Simplejvsirerol
 
F2 b u6 moviment ondulatori
F2 b u6 moviment ondulatoriF2 b u6 moviment ondulatori
F2 b u6 moviment ondulatoripaniscus
 
Ciències Experimentals: Ones electromagnètiques (La Llum)
Ciències Experimentals: Ones electromagnètiques (La Llum)Ciències Experimentals: Ones electromagnètiques (La Llum)
Ciències Experimentals: Ones electromagnètiques (La Llum)Ruth Escolar
 
tema 7 relativitat
tema 7 relativitattema 7 relativitat
tema 7 relativitatsalvador
 
Fis 2 bat_u1_presentacions-2016-17
Fis 2 bat_u1_presentacions-2016-17Fis 2 bat_u1_presentacions-2016-17
Fis 2 bat_u1_presentacions-2016-17Dolores Torremocha
 
Física moderna
Física modernaFísica moderna
Física modernajvsirerol
 
Forces i pressió
Forces i pressióForces i pressió
Forces i pressióJosep Broch
 
Física - PAC 3 - Multimedia (UOC) - Paquita Ribas
Física - PAC 3 - Multimedia (UOC) - Paquita RibasFísica - PAC 3 - Multimedia (UOC) - Paquita Ribas
Física - PAC 3 - Multimedia (UOC) - Paquita RibasPaquita Ribas
 
Tema 10 interaccions fonamentals
Tema 10 interaccions fonamentalsTema 10 interaccions fonamentals
Tema 10 interaccions fonamentalsXavier Roura
 

Similar to Lecture3.pdf (20)

ONES
ONESONES
ONES
 
T2 forces dinàmica
T2 forces dinàmicaT2 forces dinàmica
T2 forces dinàmica
 
ENERGIA
ENERGIAENERGIA
ENERGIA
 
150301 camp elèctric
150301 camp elèctric150301 camp elèctric
150301 camp elèctric
 
Lecture2.pdf
Lecture2.pdfLecture2.pdf
Lecture2.pdf
 
Ones
OnesOnes
Ones
 
Tema 5 forces
Tema 5 forcesTema 5 forces
Tema 5 forces
 
Moviment Harmònic Simple
Moviment Harmònic SimpleMoviment Harmònic Simple
Moviment Harmònic Simple
 
F2 b u6 moviment ondulatori
F2 b u6 moviment ondulatoriF2 b u6 moviment ondulatori
F2 b u6 moviment ondulatori
 
Ciències Experimentals: Ones electromagnètiques (La Llum)
Ciències Experimentals: Ones electromagnètiques (La Llum)Ciències Experimentals: Ones electromagnètiques (La Llum)
Ciències Experimentals: Ones electromagnètiques (La Llum)
 
W i E
W i EW i E
W i E
 
tema 7 relativitat
tema 7 relativitattema 7 relativitat
tema 7 relativitat
 
Ones
OnesOnes
Ones
 
El moviment ondulatori
El moviment ondulatoriEl moviment ondulatori
El moviment ondulatori
 
Fis 2 bat_u1_presentacions-2016-17
Fis 2 bat_u1_presentacions-2016-17Fis 2 bat_u1_presentacions-2016-17
Fis 2 bat_u1_presentacions-2016-17
 
Física moderna
Física modernaFísica moderna
Física moderna
 
Forces i pressió
Forces i pressióForces i pressió
Forces i pressió
 
Pizarra 1fis grup_06
Pizarra 1fis grup_06Pizarra 1fis grup_06
Pizarra 1fis grup_06
 
Física - PAC 3 - Multimedia (UOC) - Paquita Ribas
Física - PAC 3 - Multimedia (UOC) - Paquita RibasFísica - PAC 3 - Multimedia (UOC) - Paquita Ribas
Física - PAC 3 - Multimedia (UOC) - Paquita Ribas
 
Tema 10 interaccions fonamentals
Tema 10 interaccions fonamentalsTema 10 interaccions fonamentals
Tema 10 interaccions fonamentals
 

More from Dr Robert Craig PhD

Hofstra Living environment Dr Rob
Hofstra Living environment Dr RobHofstra Living environment Dr Rob
Hofstra Living environment Dr RobDr Robert Craig PhD
 
Chapter 2-Your text book ves 5.pptx
Chapter 2-Your text book ves 5.pptxChapter 2-Your text book ves 5.pptx
Chapter 2-Your text book ves 5.pptxDr Robert Craig PhD
 
Brown dwarfs and planets jaslyn.pdf
Brown dwarfs and planets jaslyn.pdfBrown dwarfs and planets jaslyn.pdf
Brown dwarfs and planets jaslyn.pdfDr Robert Craig PhD
 
Day 1 Martin file from syllabus ves 5.pptx
Day 1 Martin file from syllabus ves 5.pptxDay 1 Martin file from syllabus ves 5.pptx
Day 1 Martin file from syllabus ves 5.pptxDr Robert Craig PhD
 
Astronomy chapter 1 power point.pptx
Astronomy chapter 1 power point.pptxAstronomy chapter 1 power point.pptx
Astronomy chapter 1 power point.pptxDr Robert Craig PhD
 
5Page43 how to classify stars parkslope heard from Annie.pdf
5Page43 how to classify stars parkslope  heard from Annie.pdf5Page43 how to classify stars parkslope  heard from Annie.pdf
5Page43 how to classify stars parkslope heard from Annie.pdfDr Robert Craig PhD
 
1-D Kinematics AP Lab Graphing.docx
1-D Kinematics AP Lab Graphing.docx1-D Kinematics AP Lab Graphing.docx
1-D Kinematics AP Lab Graphing.docxDr Robert Craig PhD
 
03 - Average Rates of Changec Cameron 1 Sara Hill.pdf
03 - Average Rates of Changec Cameron 1 Sara Hill.pdf03 - Average Rates of Changec Cameron 1 Sara Hill.pdf
03 - Average Rates of Changec Cameron 1 Sara Hill.pdfDr Robert Craig PhD
 
5.4- Measuring the Earth with Eratosthenes. Ves 2.pdf
5.4- Measuring the Earth with Eratosthenes. Ves 2.pdf5.4- Measuring the Earth with Eratosthenes. Ves 2.pdf
5.4- Measuring the Earth with Eratosthenes. Ves 2.pdfDr Robert Craig PhD
 
chapter 2 redone parkslope ves 4.pdf
chapter 2 redone parkslope ves 4.pdfchapter 2 redone parkslope ves 4.pdf
chapter 2 redone parkslope ves 4.pdfDr Robert Craig PhD
 
season_path_of_the_sun_and_latitude.pdf
season_path_of_the_sun_and_latitude.pdfseason_path_of_the_sun_and_latitude.pdf
season_path_of_the_sun_and_latitude.pdfDr Robert Craig PhD
 

More from Dr Robert Craig PhD (20)

Hofstra Living environment Dr Rob
Hofstra Living environment Dr RobHofstra Living environment Dr Rob
Hofstra Living environment Dr Rob
 
pdf (4) 4.pdf
pdf (4) 4.pdfpdf (4) 4.pdf
pdf (4) 4.pdf
 
Mastering_Assignments.pdf.pdf
Mastering_Assignments.pdf.pdfMastering_Assignments.pdf.pdf
Mastering_Assignments.pdf.pdf
 
Lecture0.pdf
Lecture0.pdfLecture0.pdf
Lecture0.pdf
 
lecture 11 of 12 ves 1.pptx
lecture 11 of 12 ves 1.pptxlecture 11 of 12 ves 1.pptx
lecture 11 of 12 ves 1.pptx
 
Chapter 2-Your text book ves 5.pptx
Chapter 2-Your text book ves 5.pptxChapter 2-Your text book ves 5.pptx
Chapter 2-Your text book ves 5.pptx
 
Brown dwarfs and planets jaslyn.pdf
Brown dwarfs and planets jaslyn.pdfBrown dwarfs and planets jaslyn.pdf
Brown dwarfs and planets jaslyn.pdf
 
Day 1 Martin file from syllabus ves 5.pptx
Day 1 Martin file from syllabus ves 5.pptxDay 1 Martin file from syllabus ves 5.pptx
Day 1 Martin file from syllabus ves 5.pptx
 
Astronomy chapter 1 power point.pptx
Astronomy chapter 1 power point.pptxAstronomy chapter 1 power point.pptx
Astronomy chapter 1 power point.pptx
 
5Page43 how to classify stars parkslope heard from Annie.pdf
5Page43 how to classify stars parkslope  heard from Annie.pdf5Page43 how to classify stars parkslope  heard from Annie.pdf
5Page43 how to classify stars parkslope heard from Annie.pdf
 
1-D Kinematics AP Lab Graphing.docx
1-D Kinematics AP Lab Graphing.docx1-D Kinematics AP Lab Graphing.docx
1-D Kinematics AP Lab Graphing.docx
 
03 - Average Rates of Changec Cameron 1 Sara Hill.pdf
03 - Average Rates of Changec Cameron 1 Sara Hill.pdf03 - Average Rates of Changec Cameron 1 Sara Hill.pdf
03 - Average Rates of Changec Cameron 1 Sara Hill.pdf
 
5.4- Measuring the Earth with Eratosthenes. Ves 2.pdf
5.4- Measuring the Earth with Eratosthenes. Ves 2.pdf5.4- Measuring the Earth with Eratosthenes. Ves 2.pdf
5.4- Measuring the Earth with Eratosthenes. Ves 2.pdf
 
4.6- The Wanderers ves 7.pptx
4.6- The Wanderers ves 7.pptx4.6- The Wanderers ves 7.pptx
4.6- The Wanderers ves 7.pptx
 
Physics chapter 1.docx
Physics chapter 1.docxPhysics chapter 1.docx
Physics chapter 1.docx
 
chapter 2 redone parkslope ves 4.pdf
chapter 2 redone parkslope ves 4.pdfchapter 2 redone parkslope ves 4.pdf
chapter 2 redone parkslope ves 4.pdf
 
4.6- The Wanderers ves 7.pptx
4.6- The Wanderers ves 7.pptx4.6- The Wanderers ves 7.pptx
4.6- The Wanderers ves 7.pptx
 
season_path_of_the_sun_and_latitude.pdf
season_path_of_the_sun_and_latitude.pdfseason_path_of_the_sun_and_latitude.pdf
season_path_of_the_sun_and_latitude.pdf
 
phys40115050-course-outline.pdf
phys40115050-course-outline.pdfphys40115050-course-outline.pdf
phys40115050-course-outline.pdf
 
Phy100sp20_Lec2.pdf
Phy100sp20_Lec2.pdfPhy100sp20_Lec2.pdf
Phy100sp20_Lec2.pdf
 

Lecture3.pdf

  • 1. How  The  Universe  Works:   Mo2on  &  Forces   Lecture  3   AST  102,  Prof.  Rice   Monday  10:10  –  11:50  am   September  16,  2013  
  • 2. AMer  today’s  class,  you  should  be  able  to…     … Define  speed,  velocity  and  accelera2on     and  explain  their  rela2onship   … Interpret  a  plot  of  an  object’s  mo2on   … Explain  Newton’s  First  Law   … Use  Newton’s  Second  and  Third  Laws  to   describe  mo2on  in  response  to  forces   … Describe  the  four  fundamental  forces  
  • 3. Propor2onali2es  can  be  very  useful.   “The  area  of  a  square  is  propor2onal  to     the  length  of  a  side,  squared.”   A  ∝  s2             side  =  z  side  =  2z   area  =  A  area  =  ?  
  • 4. The  volume  of  a  sphere  is  V  =  4/3  π  R3.   Which  expression  is  a  propor2onality?   V  ∝  π  R3     V  ∝  4/3  π  R3     V  ∝  4/3    R3     V  ∝  R3    
  • 5. Two  2mes  larger.   Four  2mes  larger.   Six  2mes  larger.   Eight  2mes  larger.   The  volume  of  a  sphere  is  propor2onal  to   the  radius  cubed.    If  we  double  the  radius   of  the  sphere,  the  volume  is  now…  
  • 6. V∝r3   (2r)3  =  23  x  r3  =  8  x  r3   Eight  2mes  larger.   The  volume  of  a  sphere  is  propor2onal  to   the  radius  cubed.    If  we  double  the  radius   of  the  sphere,  the  volume  is  now…  
  • 7. Sphere  A  has  a  radius  twice  as  large  as  Sphere  B.   What  is  the  ra2o  of  volumes  of  the  spheres?   Va  /  Vb  =  1/8   Va  /  Vb  =  8   Va  /  Vb  =  4/3   Va  /  Vb  =  3/4  
  • 8. The  area  of  a  circle  is  A  =  π  R2.  Circle  X  is  three   2mes  the  radius  of  circle  Y  (RX  =  3RY).  What  is  the   ra2o  of  the  area  of  circle  X  to  the  area  of  circle  Y?   AX  /  AY  =  6   AX  /  AY  =  9   AX  /  AY  =  1/6   AX  /  AY  =  1/9  
  • 9. Speed:  distance  traveled  per  unit  2me   V  =   t   d   Units:  “miles  per  hour”   …expressed  frac2onally:   V  =   hr   miles   Slope  is  “rise  over  run”   d   t   Δd   Δt   V  =   Δt    (s)   Δd    (m)  
  • 10. A  speedometer  reads  the   instantaneous  speed:  the  speed     you  are  traveling  at  that  instant.   Imagine  driving  from   campus  to  Atlan2c  City.   d   t   Prejy  slow  leaving  CSI...   …but  much  faster  on   the  expressway.   The  tangent  to  the  curve  gives  the  instantaneous  speed.   CSI   278   NJ  Turnpike  
  • 11. Shallow  slope,   low  speed   Steep  slope,   high  speed   An  analogy:  
  • 12. Speed:  rate  of  change  of  distance  per  unit  2me   Accelera2on:  rate  of  change  of  speed*  per  unit  2me   a  =   Δt   ΔV   “Zero  to  60  in  4  seconds!”   a  =   4  s   60  mi/hr   =   s   6.7  m/s   a  =  6.7  m/s2     “6.7  meters  per  second,  per  second”   *  In  a  straight  line!  
  • 13. Can  accelera2on  be  nega2ve  while   speed  is  posi2ve?   Yes   No  
  • 14. d   t   Yes!    Nega2ve  accelera2on  means   slowing  down.  
  • 15. If  the  speed  of  a  car  is  non-­‐zero  (V≠0),     can  the  accelera2on  of  the  car  be  zero?   Yes   No   Depends  on  the  velocity  
  • 16. Yes   Example:  a  car  cruising  in  a  straight  line     at  65  mph  has  zero  accelera2on.   If  the  speed  of  a  car  is  non-­‐zero  (V≠0),     can  the  accelera2on  of  the  car  be  zero?  
  • 17. Velocity  is  speed  and  direc2on   Accelera2on  is  the  rate  of  change  of  velocity  per  unit  2me   Velocity  changes  in  circular  mo2on  (because  the  direc2on   changes),  even  at  a  constant  speed.   Therefore,  there  is  accelera2on  in  circular  mo2on!  
  • 18.
  • 19. Imagine  you  throw  a  ball  straight  up  in  the  air.     At  its  highest  point,  the  ball’s…   Velocity  and  accelera2on  are  both  zero     Velocity  is  non-­‐zero,  but  accelera2on  is  zero     Velocity  is  zero,  but  accelera2on  is  non-­‐zero     Velocity  and  accelera2on  are  both  non-­‐zero  
  • 20. Imagine  you  throw  a  ball  straight  up  in  the  air.     At  its  highest  point,  the  ball’s…   Velocity  is  zero,  but  accelera2on  is  non-­‐zero  
  • 21. The  ball  reaches  the  top…   …and  pauses  (speed  =  0)   But  no2ce:  accelera2on  (Δv/Δt)  is  always  the  same!  
  • 22. Aristotle  (c.  350  BC):   Natural  state  of  a  body  is  rest.   Plenty  of  evidence!   If  you  want  to  keep  something  moving,  you   must  compel  it  to  move:  you  must  force  it  to   move  to  overcome  its  natural  tendency  to   come  to  rest.  
  • 23. Galileo  (c.  1600):   Maybe  natural  state  of  a  body  is     whatever  it  is  already  doing!   What  is  unnatural  about  being  in  mo2on?   If  something  is  in  mo2on,  maybe  I  need     to  force  it  to  stop?   Counterintui2ve?   (Opposite  of  what  you  might  think?)  
  • 24. A  force  is  a  push  or   pull  one  object  exerts   upon  another  object.  
  • 25. Newton’s  Laws  of  Mo2on   1.  A  body  will  remain  at   constant  velocity  unless  acted   on  by  a  net  external  force.  
  • 26. A  marble  is  rolled  around  a  circular  piece  of   metal,  as  shown.    The  metal  ends  at  X  (the   circle  is  not  complete.    When  the  ball  gets  to  X,   which  path  does  it  take?   B   C   D   X   A  
  • 27. A  marble  is  rolled  around  a  circular  piece  of   metal,  as  shown.    The  metal  ends  at  X  (the   circle  is  not  complete.    When  the  ball  gets  to  X,   which  path  does  it  take?   C   X  
  • 28. Newton’s  Laws  of  Mo2on   1.  A  body  will  remain  at     constant  velocity  unless     acted  on  by  a  net  external  force.  
  • 29. Newton’s  Laws  of  Mo2on   1.  A  body  will  remain  at     constant  velocity  unless     acted  on  by  a  net  external  force.   2.  F  =  m  •  a  
  • 30. F  =  m  •  a                or…   a  =     F   m   The  accelera2on  due  to  a  par2cular  amount   of  force  depends  on  the  body’s  mass.   Newton’s  2nd  Law  says  mass  is  a  measure  of   just  how  badly  an  object  “wants”  to  remain   at  constant  velocity.   Mass:  a  measure  of  stuff,  a  quan2ty  of  ma:er.  
  • 31. A  soccer  player  first  kicks  a  soccer   ball,  then  kicks  a  bowling  ball  with   the  same  strength  of  kick.         Which  ball  leaves  her  foot  going   faster?   The  bowling  ball,  it’s  heavier   The  soccer  ball,  it’s  lighter   Neither,  both  travel  at  the  same  speed  
  • 32. A  soccer  player  first  kicks  a  soccer   ball,  then  kicks  a  bowling  ball  with   the  same  strength  of  kick.         Which  ball  leaves  her  foot  going   faster?   The  bowling  ball,  it’s  heavier   The  soccer  ball,  it’s  lighter   Neither,  both  travel  at  the  same  speed   a  =     F   m  
  • 33. Earth  completes  a  circular*  orbit   around  the  Sun  every  365.25  days.     Is  Earth  accelera2ng?   Yes   No   *  Well,  almost  exactly  circular.  
  • 34. Earth  completes  a  circular*  orbit   around  the  Sun  every  365.25  days.     Is  Earth  accelera2ng?   Yes!     *  Well,  almost  exactly  circular.   So…  is  there  a  force?  
  • 35. In  the  old  Bri2sh  measuring  system,   the  unit  of  force  is  a  pound  (lb).   In  the  metric  system,  the  unit  of  force   is  a  Newton  (N).   Hang  on!    My  weight  is  a  force?   In  the  metric  system,  the  unit  of  mass     is  a  kilogram  (kg).   One  carbon  atom  has  mass  of  2  x  10-­‐26  kg!!  
  • 36. 0  sec:  distance  fallen  0m,  v  =  0  m/s   1  sec:  distance  fallen  ~5m,  v  ~  10  m/s   2  sec:  distance  fallen  ~20m,  v  ~  20  m/s   3  sec:  distance  fallen  ~45m,  v  ~  30  m/s   Accelera2on  of  gravity  on  Earth  ~  10  m/s2  
  • 37.      Scale   Fgr  =  m  •  a   m   But  why  doesn’t  the  scale  fall  through  the  floor?   A  2  kg  object  weighs  ~20  N.   The  force  of  gravity  pulls  the  box  onto  the  scale.   The  strength  of  the  pull  is  the  weight  of  the  box.  
  • 38. Newton’s  Laws  of  Mo2on   3.  If  an  object  (A)  exerts  a  force  on  another   object  (B),  then  object  B  exerts  a  force  of   equal  magnitude  in  the  opposite  direc2on   on  object  A.   1.  A  body  will  remain  at     constant  velocity  unless     acted  on  by  a  net  external  force.   2.  F  =  m  •  a  
  • 39. A  rocket  exerts  a  force  on   gases,  expelling  them.   The  expelled  gases  exert  a   force  of  equal  magnitude   on  the  rocket,  but  in  the   opposite  direc2on.  
  • 40. Imagine  you  are  standing   on  a  wheeled  cart,  and  you   throw  a  rock  as  shown.           Is  the  cart  put  into  mo2on?   Yes,  it  moves  to  the  leM.   Yes,  it  moves  to  the  right.   No,  it  remains  in  place.  
  • 41. When  a  moving  cue  ball   strikes  a  sta2onary  8  ball,   which  exerts  more  force?   The  cue  ball  exerts  more  force.   The  8  ball  exerts  more  force.   The  balls  exert  equal  force.  
  • 42. There  are  four  fundamental  forces:   • Gravita2onal   • Electromagne2c     • Weak  nuclear   • Strong  nuclear     Long  range,  very  weak,  ajrac2ve   Long  range,  ajrac2ve  or  repulsive   Short  range,  very  strong,  ajrac2ve   Very  short  range,  transmuta2onal   All  four  fundamental  forces  play  important   roles  in  astronomy.  
  • 43. The  electromagne2c  force  is  the  source   of  all  chemistry  and  biology.   +   -­‐   +   +   Likes  repel…   …and  opposites  ajract.   This  force  forms  atoms,  molecules,  and  cells,   and  is  the  cause  of  most  “contact  forces.”   While  it  acts  at  infinite  distances,  it  usually   cancels  itself  out  far  from  paired  charges.  
  • 44. Gravity  is  the  weakest  of  the  four  forces.   The  electromagne2c  repulsion   between  two  protons  is  1043  2mes   stronger  than  the  gravita2onal   ajrac2on  between  them!     +   +   Gravity  is  very  important  in   astronomy  because  it  acts   over  enormous  distances   and  is  always  ajrac2ve.  
  • 45. The  strong  nuclear  force  is  the  strongest   of  the  four  fundamental  forces.   It  must  be  strong  to  overcome  electromagne2c   force  inside  an  atomic  nucleus.    But  it  acts  only   over  very  short  range,  and  is  not  felt  between   even  neighboring  atoms.   This  force  plays  a  cri2cal  role  in  nucleosynthesis.  
  • 46. The  weak  nuclear  force  makes  the  Sun  shine.   This  force  is  “weak”  in  comparison  to  the  other   nuclear  force,  but  is  s2ll  1038  2mes  stronger  than   gravity!    Like  the  strong  force,  the  weak  force  is   very  short  range.   The  weak  force  is  important  in  nuclear  reac2ons,   where  it  can  change  sub-­‐atomic  par2cles  from   one  type  into  another.    It’s  a  cri2cal  part  of  how   the  Sun  makes  its  energy.  
  • 47. Next  Class   ² HTUW:  Gravity  &  Orbits   Wednesday,  September  18   ² Read  sec2ons  4.4  and  4.5   ² Homework  2  due  Sunday  night   September  22  (Chapter  4)