Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета

Первый закон Ньютона

Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета.

Опираясь на наблюдение явлений движения, греческие ученые 2400 лет тому назад пришли к заключению, что естественным положением тела является спокойствие, поскольку все тела от природы" ленивы", или инертны (от лат. iners - бездеятельный, неподвижный). Возникновение движений тел возможно лишь в результате действия активной силы, а прекращение действия этой силы приводит к остановке тела. Математически рассуждение греков можно по-разному . Тогда, когда наблюдали движение, но не понимали его причин (движение Солнца, Луны, звезд и других небесных тел), давали такое объяснение: эти предметы двигают боги.

Такая механика на то время была по нраву церкви.

Ошибки в понимании механических движений древнегреческих ученых исправил итальянский ученый Г. Галилей, опираясь на эксперименты с несложными механическими системами. В опытах со скатыванием свинцового шарика из наклонной плоскости он заметил, что расстояние S1 движения шарика по песку меньшее от расстояний S2 и S3, которые прошел шарик по гладкой доске и мраморе. Это отличие Галилей объяснил тем, что сила трения во время движения по песку намного больше силы во время движения шарика по доске или отшлифованном мраморе.

Результаты экспериментов Галилея свидетельствовали о том, что чем меньшее сопротивление движению, тем меньшее изменение скорости и тем дольше двигается шарик. Рассуждая над этими результатами, Галилей пришел к гениальному заключению: при полном отсутствии силы трения или сопротивления скорость тела становится постоянной, и для поддержания движения не нужно прикладывать ни одной силы. Явление сохранения телом скорости при отсутствии внешних действий на него со стороны других тел, называют инерцией, а это свойство тела - инертностью.

О том, что телу свойственно хранить не любое движение, а именно прямолинейный, свидетельствует такой опыт. Шарик, который двигается прямолинейно по плоской горизонтальной поверхности, сталкиваясь с препятствием, которое имеет криволинейную форму, под действием этого препятствия вынуждена двигаться по дуге. Однако, когда шарик доходит до конца препятствия, она перестает двигаться криволинейно и опять начинает двигаться по прямой.

Рассматривая механические движения в доме на берегу моря и в каюте корабля, Г. Галилей обнаружил, что они осуществляются одинаково, когда корабль плывет по гладкой поверхности без ускорения. Очень важным для всего дальнейшего развития физики оказалось утверждение Галилея о том, что никакими механическими опытами, которые проводятся внутри инерциальной системы отсчета (для пассажира ею является каюта корабля), невозможно установить, находится эта система в спокойствии или двигается равномерно и прямолинейно. Это утверждение называют принципом относительности Галилея.

Человек в каюте корабля может установить факт движения только тогда, когда она будет наблюдать внешние тела: остров, берег моря и тому подобное.

Инерциальными Ньютон назвал такие системы, для которых единственным источником ускорения является сила, то есть взаимодействие с другими телами. Системы отсчета, которые двигаются относительно инерциальных систем с ускорением (поступательно или вращательный), он назвал неинерциальными. Ньютон, рассматривая инерциальную систему отсчета (ИСО), так и не смог указать тело, которое бы было для нее телом отсчета. Окружающие тела двигаются ускоренно: дом вращается вокруг оси Земли, а вместе с ее поверхностью вокруг Солнца.

Системы отсчета, которые связаны с окружающими телами, неинерциальные, но их ускорения по большей части очень малые. Ускорение автобуса представляет около 1 м/с2, большого корабля - несколько см/с2, Земли - 6 мм/с2, Солнца - около 10-8 см/с2. Соответственно, чем большая масса тела отсчета, тем меньше его ускорение. Поэтому ИСВ - это абстрактное понятие, если бы она существовала, то имела бы бесконечно большую массу. Очевидно, что наибольшую массу из окружающих нас тел имеет Солнце, потому связанная с ним система отсчета является почти инерциальной.

В этой ИСО начало отсчета координат совмещают с центром Солнца, а координаты осей проводят в направлении к реальным звездам, которые можно считать неподвижными.

Однако для описания многих механических явлений в земных условиях ИСО связывают с Землей, при этом пренебрегают вращательными движениями Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца. Например, изучая свободное падение, нужно было бы учитывать ускорение лаборатории (2-3 см/с2), поскольку Земля вращается вокруг своей оси. Но ускорение лаборатории в несколько сот раз меньше от ускорения свободного падения, потому им обычно пренебрегают. В большинстве задач Землю считают идеальным телом отсчета, а связанные с ней системы - инерциальными.

Теперь понятно, что абсолютно неподвижных тел или тел, которые двигаются строго равномерно и прямолинейно в природе не существует, потому инерциальная система отсчета - такая же абстракция, как и материальная точка, абсолютно твердое тело. Инерциальными системами отсчета называют системы, относительно которых тело двигается равномерно прямолинейно или находится в спокойствии. Время во всех ИСО измеряют одинаково. Масса тела m = const, его ускорение и силы взаимодействия не зависят от скорости ИСО.

В любых ИСО все механические явления происходят одинаково при одних и тех же начальных условиях (другая формулировка принципа относительности Галилея).

Определив роль системы отсчета, сформулируем первый закон Ньютона так: в инерциальной системе отсчета материальная точка хранит состояние спокойствия или равномерного прямолинейного движения, если на нее не действуют другие тела или действие внешних тел скомпенсована

Существенным является то, что в ИСО (например, автобус на остановке) для сохранения спокойствия не нужно прикладывать никаких усилий, а в неинерциальной системе отсчета (например, автобус в момент резкого торможения) пассажирам для этого придется напрягать мышцы, держась за перила.

Анализировать механическое движение и взаимодействие тел легче всего в ИСО, потому в дальнейшем будем использовать именно такие системы отсчета.

Как выплывает из первого закона Ньютона, при условиях равновесия всех прилагаемых к телу сил, оно двигается прямолинейно с постоянной скоростью, как говорят "по инерции". Поэтому данный закон иногда называют также законом инерции, считая "инертностью" не вялость тел, а их свойство хранить состояние своего движения, пока действие внешних сил не изменит его.

Поступательное движение по инерции происходит не часто. Примерами может быть падение парашютиста при условии уравновешивания силы притяжения силой сопротивления воздуха, равномерное движение транспорта по горизонтальной поверхности и тому подобное.