Основное утверждение механики

Изучив кинематику, мы узнали, что такое перемещение, скорость и ускорение. Например, зная, что ускорение падающего мячика постоянно, по формулам кинематики мы легко можем найти его скорость и перемещение. Но вот почему ускорение мячика при падении было постоянным? А если он будет падать на Луне? Будет ли отличаться его движение там от движения здесь — на Земле?

Описывая, как движется тело, как по одним характеристикам движения найти другие, кинематика не отвечает на вопрос «Почему тело в данных условиях движется именно так, а не иначе?». Раздел механики, который выявляет причины, определяющие характер движения, и объясняет, каким образом они влияют на движение, называется динамикой.

Динамика позволяет нам ответить на многие вопросы. К примеру, падение камня на землю и обращение спутника вокруг Земли вызваны одной и той же силой — силой тяготения.

Динамика позволяет нам рассчитать и ускорение свободного падения не только на нашей планете, но и на других космических телах. Одним словом, этот раздел механики содержит законы, которым подчиняются движения ЛЮБЫХ макроскопических тел — от маленького шарика до планеты, от Солнечной системы до галактик.

Но от чего же зависит движение тела? Ведь все мы знаем, что поднятый над поверхностью земли камень не остаётся висеть в воздухе, а падает вниз. А вот тело, лежащее на столе, придёт в движение лишь тогда, когда на него подействует какое-либо другое тело.

Рассмотрим такой пример. Возьмём пружинный пистолет и выстрелим из него металлическим шариком. Описав дугу, шарик упадёт на землю. Если мы сожмём пружинку сильнее, шарик упадёт дальше, так как его начальная скорость будет больше. Изменим направление начальной скорости шарика, установив пистолет под небольшим углом. Движение шарика вновь стало другим. А что, если уменьшить высоту, с которой запускается шарик?

Его дальность полёта уменьшилась. Если установить магнит недалеко от пистолета, то траектория и дальность полёта шарика вновь изменятся. Наконец, если мы с вами заменим металлический шарик на, например, пластмассовый, то мы сможем наблюдать существенное изменение движения.

На основании проделанного опыта можно утверждать, что движение тела зависит: от его начального положения и начальной скорости, от действия на него окружающих тел и от характеристик самого тела.

При этом изменение скорости тела (а значит, ускорение) всегда вызывается воздействием на него каких-либо других тел.

Это утверждение выражает принцип причинности в механике Ньютона. Он исключает влияние данного события на событие прошедшее. Оно может влиять лишь на последующие события. То есть смотрите. У нас есть мяч, летящий горизонтально с постоянной скоростью. На его пути возникает стена, о которую мяч бьётся. Удар мяча о стену — это событие, которое никак не повлияло на то, что происходило с мячом в прошлом. А вот будущее мяча изменилось: после отскока меняется траектория его движения и скорость.

Таким образом, принцип причинности позволяет описать реакцию тела или системы тел на внешние воздействия.

Теперь посмотрим на, казалось бы, очевидную вещь. Пусть у нас есть автомобиль и летящий над ним вертолёт, которые движутся с постоянной скоростью. Что произойдёт, если отключить их двигатели? Правильно: вертолёт рухнет на землю, а автомобиль спустя некоторое время остановится. Значит, чтобы их скорость оставалась неизменной, необходимо, чтобы двигатели обеих машин были постоянно включены и создавали необходимую силу тяги.

Так считали и известные учёные древности, например Аристотель. И это казалось настолько очевидным, что на протяжении почти двадцати веков все были убеждены, что движение тела с постоянной скоростью нуждается для своего поддержания в действиях, производимых на тело извне, то есть в некоторой активной причине. Считали, что без такой поддержки тело обязательно остановится. Поскольку Аристотель пользовался авторитетом, то это неправильное понимание причин движения являлось основной догмой механики в течение почти двух тысяч лет.

Опровергнуть эти представления удалось лишь в первой половине XVII века известному итальянцу Галилео Галилею. Он применил метод, ставший в физике основным методом исследования: изучая явления природы, следует проверять каждую догадку, предположение, идею на опыте.

Проведём и мы опыт, подобный опытам Галилея. Пусть у нас есть наклонный жёлоб, металлический шарик и стол. Накроем стол какой-нибудь тканью и пустим шарик по жёлобу. Отметим положение шарика и повторим опыт ещё два раза, заменяя ткань, например, на картон и стекло.

Не трудно заметить, что по стеклу шарик прокатится дальше всего, так как действие силы трения было наименьшим. Тогда становится очевидным, что в случае отсутствия трения шарик может двигаться с постоянной скоростью сколь угодно долго, даже несмотря на то, что на шарик продолжают действовать сила тяжести и сила упругости. Но их действия уравновешивают (или говорят компенсируют) друг друга.

Тогда Галилей сделал вывод, что скорость движения тела остаётся постоянной, если на тело не действуют силы или силы действуют, но они компенсируют друг друга.

Такое движение называют движением по инерции.

Напомним, что инерция — это явление, при котором тело сохраняет свою скорость, пока на него не действуют другие тела или их действие скомпенсировано.

Это явление не является само собой разумеющимся. Понадобился гений Галилея и Ньютона, чтобы его осознать. Ньютону вслед за Галилеем удалось окончательно развеять одно из глубочайших заблуждений человечества о законах движения тел.

Если действий со стороны других тел на данное тело нет, значит, согласно основному утверждению механики, ускорение тела равно нулю. То есть тело будет покоиться или двигаться с постоянной скоростью.

Конечно же, в земных условиях на тело всегда действуют силы. Но астрономические наблюдения над космическими аппаратами, запущенными для исследования отдалённых планет и покинувшими Солнечную систему, подтверждают, что для движения по инерции никакие силы не нужны.

Тело, которое не взаимодействует с другими телами, называется свободным.

Свободное тело всегда движется с постоянной скоростью или покоится. И только действие со стороны другого тела способно изменить его скорость.

Так, например, если бы со стороны земли не было бы силы сопротивления движению, то скорость автомобиля с выключенным двигателем оставалась бы неизменной.

А теперь давайте подумаем, является ли свободное падение падением свободного тела?.. Очевидно, что нет, так как свободное падение тела — это движение тела под действием только силы тяжести. То есть на тело в этом случае действует Земля, притягивающая его и сообщающая ему ускорение. А раз тело взаимодействует с Землёй, то его нельзя считать свободным телом.

Анализ многочисленных опытов позволил Галилею сформулировать закон инерции: тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если на него не действуют другие тела или их действия компенсируются.

В этом законе заключена главная идея механики: действовать на тело необходимо не для того, чтобы сохранить его скорость постоянной, а чтобы изменить её как по модулю, так и по направлению.

При этом с точки зрения динамики состояние покоя и состояние равномерного прямолинейного движения не различаются.