Isaac Newton, sy werk en sy wette
Die kosmiese denker wat deur 'n vallende appel betower is
Die briljante Isaac Newton se gedagtestroom was byna soos 'n kosmiese rivier wat uit allerlei takke in die heelal gevoed is. Maar hy was 'n beskeie mens, wat selfgenoegsaam en in stilte voortgewerk het en blykbaar nooit van plan was om sy belang­rike bevindings wêreldkundig te maak nie. Totdat Edmund Hal­ley (einste hy na wie die bekende komeet genoem is) van Newton se merkwaardige werk verneem het...
BO: Die Engelse portretskilder sir Godfrey Kneller's se portret van Isaac Newton op 46-jarige leeftyd.
REGS: 'n Jong Newton kyk na 'n vallende appel en begin wonder... (Hoewel navorsers self wonder of die voorval van die appel werklik so gebeur het soos altyd vertel word, lyk dit tog of daar waarheid in kan steek. Maar dat die appel op sy kop sou geval het, word as 'n blote versinsel van spotprent­tekenaars afgemaak!)
DIT het alles by 'n nederige appel begin... 'n vrug wat in sy tuin uit 'n boom geval het. Vir elke "gewone" mens sal só 'n toneeltjie so nietig wees dat hy dit sal sien en daarvan vergeet, maar vir die skrander jong Isaac Newton was dit 'n geweldige prikkel wat hom baie diep laat dink het.
Waarom val die appel dan aarde toe? Hoekom trek dit nie in die lug op of sywaarts nie? Watter vreemde krag veroorsaak dat dit uit die boom val en nie daar bly hang selfs wanneer dit van die boom af losbreek nie? Trouens, hoekom bly ek en jy aardgebonde en kan ons nie sommerso wegvlieg die ruimte in nie?
En, ewe belangrik, waarom wentel die maan om die aarde en slaan hy nie bloot 'n wilde koers in tussen die ontelbare sfere van heelal nie? Newton het gereken hy ken die antwoord...
SIR ISAAC NEWTON (1642-1727) was 'n Engelse wetenskaplike en wiskundige. Hy het die eerste lewenslig in Woolsthorpe, Lincolnshire, aanskou en is gebore nadat sy pa oorlede was. Sy ma het spoedig weer getrou en Isaac, wat deur sy ouma grootgemaak is, het 'n eensame en ongelukkige kindertyd gehad. In 1661 is hy egter na die Universiteit van Cambridge—waar 'n heeltemal nuwe lewe op hom gewag het.
Dit was omstreeks in die middel van die 1660's dat die val van daardie geskiedkundige appel sy gedagtes in 'n koers gestuur wat tot sy Universele Wet van Swaartekrag gelei het. Dit is egter nie die enigste wetenskaplike bevinding waarvoor hy tot vandag toe geëer word nie. Newton het boonop die aard van lig bestudeer en bevind dat wit lig uit al die kleure van die spektrum saamgestel is—kleure wat deur 'n glasprisma van mekaar geskei kan word.
Hy het in 1669 professor in wiskunde aan Cambridge geword. Sy hele teorie oor swaartekrag het hy in 1687 in sy beroemde Latynse boek Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Wiskundige Grondbeginsels van Natuurlike Filosofie) saamgevat. Daarin het hy sy wet van swaartekrag en sy drie wette van beweging beskryf.
Newton was baie lief vir wiskunde. Hy het ook sy kennis daarvan gebruik om berekeninge te maak van dinge wat hy in die natuur opgemerk het en wou verklaar. Hy het hom in verskillende natuurverskynsels verdiep, onder meer 'n komeet, die bewegings van die planete en die ligkringe om die maan.
As student was hy goed op stryk met sy studies toe die pes in 1664 in Cambridge uitbreek, die universiteit gesluit word en hy en al die ander studente verplig word om huis toe te gaan. Die universiteit bly langer as 'n jaar lank toe, wat Newton met baie tyd laat om oor die natuur en allerhande natuurverskynsels te peins. En toe, op 'n dag, sien hy die appel wat grond toe val...
Lank voor Newton het mense al geredeneer dat appels en ander dinge grond toe tuimel omdat die aarde hulle aantrek. Maar Newton is juis aan die wonder oor 'n ander eienaardigheid. Watter krag, vra hy homself af, is dit wat die maan in sy baan vashou en keer dat hy die ruimte inskiet, weg van die aarde af?
Terwyl hy nog besig is om daaroor na te dink, bemerk hy die vallende appel en verbind hy dit met sy bepeinsings oor die maan. Hoe ver in die lug op, mymer hy, strek die krag wat die appel nou net laat val het? Sou dit nie dalk so hoog wees dat dit tot by die maan en nog hoër reik nie? En só begin Newton vermoed dat die kragte wat die maan in sy baan hou eintlik maar dieselfde bekende swaartekrag is wat voorwerpe grond toe laat val.
Nou kan dit nie meer net by die maan en die appel bly nie. Hoe meer hy met homself oor die natuur en veral oor die sterrehemei redeneer, des te meer gevalle van swaartekrag vermoed hy.
Die son oefen krag uit op die planete, die komete en meteore, die planete op mekaar en elkeen op sy mane (as die betrokke planeet wel mane het), bevind hy. Wat meer sê, Newton bereken dat enige twee liggame in die ganse materiële geskape werklikheid 'n aantrekkingskrag op mekaar uitoefen—selfs jy en, sê, 'n dolende stuk ruimterots miljoene ligjare van jou af.
NEWTON se gedagtestroom was as 't ware soos 'n kosmiese rivier wat uit allerlei takke in die heelal gevoed is. Sy gevolgtrekkings staan vandag bekend as Newton se Universele Wet van Swaartekrag.
Hierdie wet beheers die bewegings van alle hemelliggame. Die grootte van die krag hang af van hoeveel materie die hemelliggame bevat en hoe ver hulle van mekaar is. Hoe meer materie hulle bevat, hoe groter is die krag wat hulle op mekaar uitoefen. Hoe verder hulle weer van mekaar is, des te kleiner is die krag, en as die afstand verdubbel word, word die krag 'n kwart so groot.
Nou kan 'n mens wel vra: As elke ding wat bestaan elke ander ding met so 'n krag aantrek, en as die hele wêreld dus so aanmekaar gehou word deur ontelbare onsigbare drade van krag wat gespan is tussen elke voorwerp en 'n ander een, waarom het mense nie lank voor Newton reeds hierdie "kragdraadjies" ontdek nie?
Die antwoord lê eintlik voor die hand. Die aantrekkingskragte tussen gewone voorwerpe is maar baie klein, in der waarheid totaal nietig in vergelyking met die aarde se aantrekkingskrag. As ons byvoorbeeld twee ronde loodballe van, sê, vier tot vyf kilogram elk sowat dertig sentimeter van mekaar sou plaas, dan is die aantrekkingskrag wat hulle op mekaar uitoefen, een drieduisend-miljoenste van die aarde se krag op elkeen.
'n Baie fyn apparaat is nodig om só 'n klein kraggie te meet—en só iets het natuurlik nie in Newton se tyd bestaan nie. Dis maar eers in die afgelope aantal dekades dat die klein aantrekkingskragte tussen swaar voorwerpe gemeet kon word.
VIR Newton het dit nie by swaartekrag gebly nie, maar ander natuurverskynsels het hom ook gefassineer, veral lig. Hy het lense en spieëls vir teleskope geslyp sodat hy met lig kon eksperimenteer. Sy groot ontdekking oor lig was dat sonlig deur middel van 'n glasprisma in al die kleure van die reënboog geskei kan word.
In 'n donker kamer het hy sonlig deur 'n klein gaatjie van buite af laat inskyn. Hy het 'n glasprisma by die gaatjie het gehou en toe sien hy die merkwaardige resultaat: pleks van 'n ligkolletjie op die muur was daar 'n lang streep in die kleure van die reënboog.
BO: 'n Prisma skei lig in die kleure van die reënboog. In Newton se tyd is geglo dat wit lig kleurloos is. Newton se ekperimente het hom oortuig dat al die kleure nie in die prisma setel nie, maar reeds aanwesig is in die lig self.
Die jong Newton se briljante prestasies op universiteit het nie ongesiens verbygegaan nie. Trouens, dit het sy leermeester en professor in wiskunde, ene dr. Bairow, só geïmponeer dat hy in 1669 besluit het om vir sy leerling plek te maak. Newton was toe maar net 26 jaar oud.
Nog 'n onderskeiding vir Newton was toe hy in 1772 tot "Fellow of the Royal Society" gekies is, die hoogste eerbetoon vir 'n Britse wetenskaplike.
NEWTON was 'n beskeie mens, wat selfgenoegsaam en in stilte voortgewerk het en blykbaar nooit van plan was om sy belangrike bevindings oor swaartekrag wêreldkundig te maak nie. Dit kon dalk selfs saam met hom graf toe gegaan, en miskien vir altyd vir die geleerde wêreld verborge gebly het, as die Engelse sterrekundige Edmund Halley nie heel toevallig daarvan verneem het nie.
Halley (einste hy na wie die bekende komeet genoem is) was so beïndruk toe hy te hore kom wat Newton alles op die gebied van die sterrekunde vermag het, dat hy hom oortuig het om dit te boek te stel. Die gevolg was Newton se beroemde boek, die Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Wiskundige Grondbeginsels van Natuurlike Filosofie), wat tussen die jare 1684 en 1687 ontstaan het.
REGS: Die titelblad van die eerste uitgawe van Newton se beroemde boek. Soos alle wetenskaplike boeke van destyds is dit in Latyn geskrywe, wat dit des te moeiliker gemaak het om te begryp.
Daar is vertel dat Halley alles uit Newton moes trek. Op 'n keer wou Newton glad nie verder skrywe nie, en Halley moes selfs erg soebat. Toe die "Royal Society", wat die geld vir die druk van die boek sou voorskiet, boonop op die ou end talm om dit te doen, het Halley dit op sy eie koste laat druk. Halley het darem al sy geld teruggekry, want die boek was gou uitverkoop. Eksemplare van die boek is vandag baie duur versamelstukke.
Hoewel Newton sy boek "Grondbeginsels" genoem het, is dit selfs vir vandag se geleerdes geen maklik verstaanbare geskrif nie. Soos alle wetenskaplike boeke van destyds is dit in Latyn geskrywe en boonop word al die dinge wat Newton daarin vir die eerste keer bewys het, vandag op makliker maniere afgelei.
Self het hy op 'n hele aantal van die gevolge van sy wet van swaartekrag gewys. Hy kon vir die eerste keer aantoon dat sekere skynbare onreëlmatighede in die bewegings van die maan en die planete juis só is vanweë die wet. Nog nooit het een so 'n eenvoudige wet soveel natuurraaisels verklaar nie. Newton self kon nie toepassings van sy wet ten volle uitput nie. Selfs in ons tyd sou sterrekundiges, drie eeue later, steeds besig wees om nuwe toepassings van die wet te vind.
Newton se drie wette van beweging
DIE verskynsel van beweging het reeds die antieke Grieke verbyster en selfs die befaamde Aristoteles kon dit nie op 'n aanvaarbare manier verklaar nie. Eeue later was die groot Italiaanse fisikus en sterrekundige Galileo Galilei (1564-1642) een van die eerste wetenskaplikes wat die grondbeginsels van beweging begryp het. Dit was egter Newton wat hierdie beginsels uiteindelik in die vorm van drie natuurwetenskaplike wette uiteengesit het—wat vandag steeds as Newton se Wette van Beweging bekend staan.
Die Eerste Wet van Beweging
• DAAR word baiemaal ook na hierdie wet verwys as die Wet van Traagheid. Dit gaan oor die neiging van 'n liggaam om op dieselfde plek te bly, 'n neiging wat toeneem hoe groter die massa van die liggaam is. Ons ken almal die verskynsel baie goed: hoe gro­ter die massa van 'n liggaam is, hoe meer krag het ons nodig om dit op te lig of te beweeg. Om 'n liggaam te beweeg is krag nodig, want as geen krag op 'n liggaam uitgeoefen word nie, bly dit óf in 'n toestand van rus óf (in die geval van be­wegende liggame) die snelheid en bewegingsrigting bly konstant.
Die Tweede Wet van Beweging
• DIE versnelling wat 'n liggaam ondergaan is, volgens hierdie wet, regstreeks eweredig met die krag wat daarop uitgeoefen word en die beweging vind in die rigting van die krag plaas. Met, sê maar, twee metaalballe waarvan die een dubbel so swaar as die ander is, moet jy dubbel soveel krag op die swaarder bal uitoefen om die twee balle met dieselfde versnelling oor 'n gelyk oppervlak te laat rol. Dieselfde geld as 'n mens 'n voorwerp gooi: hoe groter die massa van 'n klip is, hoe meer krag is nodig om dit net so ver as 'n ligte klippie te gooi.
Die Derde Wet van Beweging
• VAN hierdie wet is ons moontlik die minste bewus en tog vorm dit die grondslag van talle alledaagse verskynsels. Daarom is dit een van die belangrikste grondbeginsels van die fisika. Dit lui: Die kragte wat twee liggame op mekaar uit­oefen, is steeds ewe groot, maar teenoorgesteld gerig.
Kom ons verklaar dit aan die hand van 'n paar voorbeelde.
Gestel ons het 'n glasplaat waarvan die oppervlak absoluut gelyk is. Op die glasplaat staan twee speelgoedkarretjies. Hulle is ewe groot en het dieselfde massa. Plaas nou 'n spiraalveer tussen die karretjies en verbind die veer en die motortjies op só 'n manier met 'n garedraad dat die veer saamgedruk is, d.w.s. onder spanning verkeer. Brand die garedraad met 'n vuurhoutjie af en kyk wat gebeur: altwee motortjies beweeg met dieselfde snelheid van mekaar af weg en kom ewe ver van die beginpunt tot stilstand.
Wat het gebeur? Sodra die garedraad afgebrand is, oefen die veer 'n krag op die motortjie aan, sê, die regterkant uit. Vanweë sy traagheid begin beweeg hy stadig en oefen op sy beurt deur die veer 'n krag op die motortjie aan die linkerkant uit. Hierdie krag is die reaksie van die motortjie aan die regterkant op die druk van die veer. Aangesien die motortjie aan die linkerkant net soveel weerstand teen beweging bied as die motortjie aan die regterkant, beweeg hy net so vinnig en oefen hy deur die veer dieselfde reaksie op die motortjie aan die regterkant uit.
Kom ons kyk wat gebeur as ons die eksperiment 'n klein bietjie wysig. Gestel ons neem die motortjie aan die regterkant heeltemal weg en verbind nou die veer op so 'n manier met 'n garedraad dat die veer styf gespan is. As ons nou die garedraad afbrand, ontspan die veer onmiddellik na regs, aangesien daar aan dié kant geen weerstand is nie. Die motortjie aan die linkerkant beweeg glad nie. Aangesien die veer geen trae liggaam aan die regterkant teëgekom het waarop dit 'n aksie kon uitoefen nie, kan daar nou ook geen sprake wees van 'n reaksie op die motortjie aan die linkerkant nie, en daar werk dus geen krag daarop in nie.
Daarom word die Derde Wet van Beweging ook die beginsel van aksie en reaksie genoem. Soos reeds gesê, lui dit soos volg: Die kragte wat twee liggame op mekaar uitoefen, is steeds ewe groot, maar teenoorgesteld gerig.
Die Derde Wet van Beweging word uitstekend geïllustreer deur 'n toutrekwedstryd. Wanneer twee min of meer ewe sterk toutrekspanne teen mekaar meeding, staan die tou die meeste van die tyd doodstil, want die krag wat die twee spanne op die tou uitoefen, is ewe groot en teenoorgesteld gerig. As span A 'n bietjie sterker begin trek, moet span B ook sterker trek—om te verseker dat die reaksie (span B) gelyk bly aan die aksie (span A).
'n Verdere voorbeeld van hierdie verskynsel waarmee ons elke dag te doen kry, is die vashou van 'n voorwerp met die hand. Die aksie is in dié geval die swaartekrag van die aarde, wat probeer om die voorwerp in die rigting van die middelpunt van die aarde te versnel. Om dit te voorkom, moet ons 'n teenkrag of reaksie daarstel. Ons hou dus instinktief die voorwerp op so 'n manier vas dat die reaksie net so sterk is as die aksie, met die gevolg dat die swaartekrag opgehef word.
Dikwels word 'n onderlaag gebruik om die taak van die hand te verrig, byvoorbeeld 'n tafel, 'n stoel of die plankvloer van 'n vertrek. Dan kan dit natuurlik gebeur dat die Derde Wet van Newton nie bevredig word nie, soos wanneer 'n stoel te swak is om die swaar man te dra wat daarop gaan sit. In dié geval is die aksie nie langer gelyk aan die reaksie nie, aangesien die onderlaag (stoel) nie in staat is om die nodige reaksiekrag te lewer nie.
En daar val mnr. De Groot!
NEWTON is op 31 Maart 1727 in Londen oorlede en in die Westminster-abdy begrawe, 'n ryk en gesiene lid van die samelewing wat hom, benewens as wetenskaplike, ook as meester van die munt onderskei het. In hierdie rol het hy die Engelse muntstelsel hervorm. Hy het ook twee termyne lank die Universiteit van Cambridge in die Britse Laerhuis verteenwoordig. In 1705 is hy tot ridder geslaan.
Die digter Alexander Pope het die beskouing van Newton deur sy tydgenote in die volgende koeplet opgesom:
Newton se eie siening van homself was meer beskeie:
"Dit lyk of ek slegs soos 'n seun was wat op die seestrand speel en my nou en dan vermaak deur 'n gladder klippie of 'n mooier skulp as die gewone te vind, terwyl die groot Oseaan van Waarheid heeltemal onontdek voor my lê."
BO: Newton se graf in die Westminster-abdy in Londen. Die abdy is 'n kerk waar konink­likes tradisioneel gekroon en begrawe is.
Foto: Klaus-Dieter Keller van Duitsland,
* CHAMBERS ENCYCLOPEDIC ENGLISH DICTIONARY, 1994, onder reaksie van Robert Allen, pp. 872, 873
* AFRIKAANSE KINDERENSIKLOPEDIE, onder redaksie van dr. C.F. Albertyn, tweede hersiene uitgawe, vierde druk, boekdeel 5, pp. 8, 9, 10.
* KENNIS-ENSIKLOPEDIE, onder redaksie van H.D. Buttner, boekdeel 11, pp. 2268, 2269.
ALLE GRAFIKA IN DIE ARTIKEL IS OPENBARE BESIT, MEESTAL VANWEë DIE VERVAL VAN KOPIEREG WEENS OUDERDOM ("PUBLIC DOMAIN / OLD")