ન્યૂટનનો પહેલો નિયમ શું છે?

ગેલીલિયો અને ન્યૂટન પહેલા, ઘણા લોકો વિચારતા હતા કે પદાર્થ ધીમો પડે છે કારણકે તેઓ આમ કરવા માટે વલણ ધરાવે છે.પણ તે લોકો ઘણા બધા બળને ધ્યાનમાં લેતા ન હતા—જેમ કે, ઘર્ષણ ગુરુત્વાકર્ષણ, અને હવાનો અવરોધ—અહીં પૃથ્વી પર જેના કારણે પદાર્થ તેનો વેગ બદલે છે. જો આપણે ખૂબ જ ઊંડા અવકાશમાં પદાર્થની ગતિનું નિરીક્ષણ કરી શકીએ, તો આપણે જોઈશું કે જો પદાર્થ પાસે વેગ હોય, તો પદાર્થ તે વેગ સાથે ત્યાં સુધી ગતિ ચાલુ રાખે જ્યાં સુધી તેની ગતિને બદલવા ત્યાં કોઈ બળ ન હોય. સમાન રીતે, જો પદાર્થ અવકાશમાં સ્થિર અવસ્થામાં હોય, તો પદાર્થ ત્યાં સુધી સ્થિર જ રહે જ્યાં સુધી તેની ગતિને બદલવા ત્યાં કોઈ બળ ન હોય.

નીચેના વીડિયોમાં, આપણને જોઈ શકીએ છીએ કે ઇન્ટરનેશનલ સ્પેસ સ્ટેશનમાં રહેલા પદાર્થો ક્યાં તો સ્થિર જ રહે છે અથવા સ્પેસ સ્ટેશનની સાપેક્ષમાં અચળ વેગથી ગતિ ત્યાં સુધી ચાલુ રાખે જ્યાં સુધી તેના પર કોઈ બળ લગાડવામાં ન આવે.

પદાર્થ બળના કારણે જ પોતાની દિશા બદલે છે તે વિચારને ન્યૂટનના પ્રથમ નિયમ માં સમાવવામાં આવ્યો છે.

ન્યૂટનનો પ્રથમ નિયમ: જ્યાં સુધી પદાર્થ પર કોઈ પરિણામી બાહ્ય બળ લગાડવામાં ન આવે ત્યાં સુધી પદાર્થ સ્થિર હોય તો સ્થિર જ રહે છે, અથવા જો તે ગતિમાં હોય, તો પોતાની ગતિ અચળ વેગથી ચાલુ રાખે છે.

નોંધો કે ક્રિયાપદનો પુનરાવર્તિત ઉપયોગ રહે જ છે. આપણે આ નિયમને ગતિની અવસ્થા જાળવવા તરીકે વિચારી શકીએ ન્યૂટનનો ગતિનો પહેલો નિયમ જણાવે છે કે—ત્યાં વેગમાં થતા કોઈ પણ ફેરફાર માટે, ક્યાં તો મૂલ્ય અથવા દિશામાં, ત્યાં કોઈક કારણ હોવું જોઈએ જે—પરિણામી બાહ્ય બળ છે. ટેબલ અથવા જમીન પર સરકતો પદાર્થ તેના પર કામ કરતા ઘર્ષણ બળના કારણે ધીમો પડે છે. પણ હવાના હોકી ટેબલ પર, જ્યાં હવા પકને ટેબલને સ્પર્શ કરતો અટકાવે છે, પક જ્યાં સુધી તેના પર બળ ન લાગે ત્યાં સુધી લગભગ અચળ વેગથી ગતિ કરવાનું ચાલુ રાખે છે—જેમ કે તે જયારે ટેબલની બીજી બાજુ જાય ત્યારે.

બળ એ એક પદાર્થ પર બીજા પદાર્થ વડે લાગતો ધક્કો અથવા ખેંચાણ છે. બળ $F$‍ ના એકમને સામાન્ય રીતે ન્યૂટન અથવા ફક્ત $\text{N}$‍ કહેવામાં આવે છે.

બાહ્ય બળ એ પદાર્થની અંદરના બળની જગ્યાએ પદાર્થ પર બહારની તરફથી લાગતું બળ છે. ઉદાહરણ તરીકે, ગુરુત્વાકર્ષણ બળ જે પૃથ્વી ચંદ્ર પર લગાડે છે એ ચંદ્ર પરનું બાહ્ય બળ થાય. તેમ છતાં, ગુરુત્વાકર્ષણ બળ જે ચંદ્રની અંદરનો ભાગ ચંદ્રની બહારના ભાગ પર લગાડે છે તે ચંદ્રનું આંતરિક બળ થાય. પદાર્થની અંદર લાગતું બળ પદાર્થની ગતિને અસર કરતુ નથી..

પદાર્થ પરનું પરિણામી બળ, જેને $\mathrm{\Sigma }F$‍ તરીકે લખવામાં આવે છે, એ પદાર્થ પરનું કુલ બળ છે. જો પદાર્થ પર ઘણા બધા બળ લાગતા હોય, તો પરિણામી બળ એ બધા જ બળનો સરવાળો છે. પરંતુ ધ્યાન રાખો—બળ $F$‍ એ સદિશ છે, પરિણામી બળ $\mathrm{\Sigma }F$‍ શોધવા માટે, સદિશોના સરવાળાની જેમ બળને ઉમેરવા પડે.

બીજા શબ્દોમાં, જો થીજેલા બરિટોસના બૉક્સ પાસે જમણી બાજુ લાગતું 45 ન્યુટન બળનું મૂલ્ય અને ડાબી બાજુ લાગતું 30 ન્યૂટન બળનું મૂલ્ય હોય, તો સમક્ષિતિજ દિશામાં પરિણામી બળ

ન્યૂટનનો પહેલો નિયમ કહે છે કે જો પદાર્થ પરનું પરિણામી બળ શૂન્ય ($\mathrm{\Sigma }F=0$‍) હોય, તો પદાર્થ પાસે શૂન્ય પ્રવેગ હશે. તેનો અર્થ જરૂરિયાતપણે એવો નથી કે પદાર્થ સ્થિર અવસ્થામાં છે, પણ તેનો અર્થ થાય કે એવેગ અચળ છે. બીજા શબ્દોમાં, સ્થિર અવસ્થામાં—અચળ શૂન્ય વેગ—અથવા અચળ વેગ સાથે—અચળ શૂન્યેતર વેગથી ગતિ.

થીજેલા બરિટોસના બૉક્સ માટે, જમણી બાજુના બળનું મૂલ્ય 45 ન્યૂટન હોય અને ડાબી બાજુના બળનું મૂલ્ય 45 ન્યૂટન હોય, તો પરિણામી બળ શૂન્ય થાય. બરિટોસનું બૉક્સ ક્યાં તો અચળ વેગથી ગતિ કરવાનું ચાલુ રાખે—જો બળ લગાડવામાં આવે તે પહેલા વેગથી શરૂઆત થઇ હોય તો—અથવા સ્થિર રહે—જો બળ લગાડવામાં આવે તે પહેલા તે સ્થિર હોય તો.

પદાર્થનો સ્થિર અથવા અચળ વેગ સાથે ગતિમાં રહેવાના ગુણધર્મને જડત્વ કહે છે. ન્યૂટનના પહેલા નિયમને ઘણી વાર જડત્વનો નિયમ પણ કહે છે. આપણે અનુભવથી જાણીએ છીએ, કેટલાક પદાર્થ પાસે બીજા કરતા વધુ જડત્વ હોય છે. બાસ્કેટબોલ કરતા મોટા બાઉલ્ડરની ગતિ બદલવી ઘણી અઘરી છે, ઉદાહરણ તરીકે.

પદાર્થના જડત્વને તેના દળ વડે માપવામાં આવે છે. પદાર્થને પ્રવેગિત કરવો કેટલો જટિલ છે તેના વડે દળ નક્કી કરી શકાય. જો પદાર્થ પાસે દળ વધુ હોય, તો તેને પ્રવેગિત કરવો અઘરો છે.

તેમજ, લગભગ, જો કંઈકમાં વધુ "દ્રવ્ય"—અથવા જથ્થો—હોય, તો તેની પાસે વધુ દળ હશે, અને તેના વેગ, દા.ત., પ્રવેગને બદલાવો તેટલો જ અઘરો હશે.

સ્પેસ પ્રોબ ઊંડા અવકાશમાં જમણી બાજુ અચળ વેગથી ગતિ કરે છે—ગ્રહ અને તારાઓની કોઈ પણ અસરથી ઘણું દૂર—તેના બંધ રોકેટ સાથે. જો બે રોકેટ થ્રુસ્ટર બંને બતાવ્યા મુજબ ડાબી અને જમણી દિશામાં એકસમાન બળ લગાડવા વારાફરતી ચાલુ થતા હોય, તો રોકેટની ગતિ સાથે શું થાય?

a. સ્પેસ પ્રોબ અચળ વેગ સાથે ચાલુ રહેશે.
b. સ્પેસ પ્રોબની ઝડપ વધશે.
c. સ્પેસ પ્રોબ ધીમું પડશે અને અંતે બંધ થઇ જશે.
d. સ્પેસ પ્રોબ તરત જ બંધ થઇ જશે.

સાચો જવાબ a છે. ન્યૂટનના પહેલા નિયમ પ્રમાણે, પદાર્થની ગતિ બદલવા માટે શૂન્યેતર પરિણામી બળની જરૂર હોય છે. સ્પેસ પ્રોબ પરનું પરિણામી બળ શૂન્ય છે—કારણકે તેના પરના બળ કેન્સલ થાય છે—તેથી ત્યાં પ્રોબના વેગમાં કોઈ ફેરફાર થતો નથી.

નીચેની આકૃતિમાં બતાવ્યા પ્રમાણે એલિવેટરને કેબલ વડે અચળ વેગ સાથે ઉપર ખેંચવામાં આવે છે. જયારે એલિવેટર ઉપરની તરફ અચળ વેગ સાથે ગતિ કરતી હોય, ત્યારે એલિવેટર પરના નીચેની તરફના ગુરુત્વાકર્ષણ બળના મૂલ્ય—$F_g$‍—ની સરખામણીમાં કેબલ વડે એલિવેટર પરના ઉપરની તરફના બળનું મૂલ્ય—$F_c$‍—શું થાય?

a. $F_c$‍ એ $F_g$‍ કરતા મોટું છે.
b. $F_c$‍ એ $F_g$‍ ને સમાન છે.
c. $F_c$‍ એ $F_g$‍ કરતા નાનું છે.
d. $F_c$‍ એ $F_g$‍ કરતા નાનું અથવા મોટું હોઈ શકે, જે એલિવેટરના દળ પર આધાર રાખે છે.

સાચો જવાબ b છે. જો એલિવેટર અચળ વેગથી ગતિ કરતી હોય, તો પરિણામી બળ શૂન્ય જ હોવું જોઈએ. એલિવેટર પરનું પરિણામી બળ શૂન્ય થવા માટે, ઉપર અને નીચેના બળ સંપૂર્ણ રીતે કેન્સલ થવા જોઈએ.

સ્પેસ પ્રોબ ઊંડા અવકાશમાં જમણી બાજુ અચળ વેગથી ગતિ કરે છે—ગ્રહ અને તારાઓની કોઈ પણ અસરથી ઘણું દૂર—તેના બંધ રોકેટ સાથે. જો રોકેટ થ્રુસ્ટર બતાવેલી દિશામાં બળના ટૂંકા વિસ્ફોટ માટે ચાલુ અને બંધ થતા હોય, તો થ્રુસ્ટર બંધ થયા બાદ રોકેટ વડે કપાયેલો પથ નીચેનામાંથી કોણ સારી રીતે દર્શાવે?

a. પથ a
b. પથ b
c. પથ c
d. પથ d

સાચો જવાબ c છે. રોકેટ થ્રુસ્ટર બંધ થઇ ગયા બાદ, ત્યાં સ્પેસ પ્રોબ પરનું પરિણામી બળ શૂન્ય હશે. એકવાર પરિણામી બળ શૂન્ય થઈ જાય, વેગ—મૂલ્ય અને દિશા બંને—અચળ હોવો જોઈએ. ન્યૂટનના પહેલા નિયમને કારણે, સ્પેસ પ્રોબ સીધી રેખામાં અચળ ઝડપે ગતિ કરે છે. હકીકત એ છે કે ત્યાં સ્પેસ પ્રોબ પરનું શિરોલંબ બળ સ્પેસ પ્રોબ પરના સમક્ષિતિજ વેગને અસર કરતુ નથી, તે ફક્ત શિરોલંબ વેગને બદલે છે. અચળ શિરોલંબ અને સમક્ષિતિજ વેગ અવકાશમાંથી સીધી વિકર્ણ રેખામાં જાય છે.