ИСО. первый закон Ньютона

Не знаю, чем я могу казаться миру, но сам себе я кажусь только мальчиком, играющим на берегу, развлекающимся тем, что от поры до времени отыскиваю камушек более цветистый, чем обыкновенно, или красивую раковину, в то время как великий океан истины расстилается передо мною неисследованным.

Исаак Ньютон.

До сих пор говорилось о законах кинематики, которые помогают нам рассчитать, где находиться изучаемое тело, с какой скоростью и по какой траектории оно движется.

Как известно, кинематика отвечает на вопросы «Что? Где? Когда? и Как?». Например, рассмотрим, с точки зрения кинематики, строки из поэмы А.С. Пушкина «Руслан и Людмила» и попытаемся ответить на ее главные вопросы:

У лукоморья дуб зеленый,

Златая цепь на дубе том:

И днем и ночью кот ученый

Всё ходит по цепи кругом…

И так, что или какое тело движется?

— Кот-ученый.

Где тело находится?

— На цепи.

Когда движется?

— И днем и ночью.

Как движется?

— По цепи кругом.

Но кинематика не отвечает еще на один главный вопрос — «Почему?» (почему тело движется именно так, а не иначе).

Для полного описания механического движения тел необходимо изучить взаимодействие тел, являющееся причиной изменения их механического состояния.

Раздел механики, в котором изучается движение тел с учетом их взаимодействия, называют динамикой.

Основная задача динамики состоит в определении положения тела в произвольный момент времени по известному начальному положению, начальной скорости и силам, действующим на тело.

Вопрос о причинах движения возник в сознании человека более двух десятков столетий назад.

Исследуя природные явления, Аристотель пришел к выводу, что для создания постоянной скорости движения необходимо воздействие других тел. Отсюда следует, что при отсутствии взаимодействия тела должны оставаться неподвижными (т.е. движется движимое). Эта идея помогает понять огромное количество наблюдаемых явлений, но она не объясняет все движения, которые происходят в природе. Аристотелю казалось, что существует несколько причин, вызывающих то или иное движение, и, следовательно, несколько разных видов движения: движение тел, находящихся под непосредственным воздействием других тел (например, лошадь тянет телегу), движение тел, падающих на земную поверхность и движение небесных тел.

На протяжении двух тысяч лет со времен Аристотеля кажущееся различие между движением тел по земной поверхности и в мировом пространстве являлось тормозом на пути развития механики. Только в XVII веке Галилео Галилей сделал первый шаг для единого объяснения этих двух типов движений. Он сформулировал закон инерции.

Закон этот Галилей выражал так: «Движение тела, на которое не действуют внешние силы, либо равнодействующая их равна нулю, является равномерным движением по окружности».Так, по мнению Галилея, двигались небесные тела, «предоставленные самим себе». Рассматривая взгляд Галилея на инерцию, убеждаемся в его неправомерности: ошибка в рассуждениях возникла из-за того, что Галилей не знал о законе всемирного тяготения, открытого позже Ньютоном.

На самом же деле движение по инерции может быть только равномерным и прямолинейным.

Поэтому формулировка закона инерции требовала дополнений. Первым, кто попытался внести ясность в закон инерции, сформулированный Галилеем, был И.Ньютон. В представлении И.Ньютона этот закон звучит следующим образом: всякая материальная точка сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку воздействие со стороны других тел побуждает его изменить это состояние.

Однако со временем выяснилось, что и закон Ньютона выполняется не во всех системах отсчета. В этом можно убедиться с помощью опыта. Сначала тележка движется прямолинейно и равномерно относительно земли. На ней находится шарик.

Шарик будет находиться в покое относительно тележки при любой скорости ее движения относительно земли — главное, чтобы эта скорость была постоянна.

Но когда тележка попадает в песочную насыпь, ее скорость быстро уменьшается, в результате чего тележка останавливается. Во время торможения тележки шарик приходит в движение, т.е. изменяет свою скорость относительно тележки, хотя нет никаких сил, которые толкали бы его. Значит, в системе отсчета, связанной с тележкой, тормозящей относительно земли, закон инерции не выполняется.

Таким образом, к формулировке закона инерции, данной Ньютоном, следует добавить, что закон справедлив не для всех систем отсчета.

Поэтому с точки зрения современных представлений закон Ньютона формулируется так:

Существуют такие системы отсчета, относительно которых поступательно движущееся тело сохраняет скорость неизменной, если на него не действуют другие тела или действие этих тел скомпенсировано.

Это утверждение в физике называют первым законом Ньютона, в соответствии с которым состояние покоя или равномерного прямолинейного движения тел не требует для своего поддержания каких-либо внешних воздействий. В этом проявляется особое динамическое свойство физических тел, называемое их инертностью и характеризующее «отзывчивость» тел на воздействие других тел.

Из опыта следует, что груженый автомобиль (более инертный) труднее разогнать или остановить при движении, чем такой же не гружёный автомобиль (менее инертный).

Явление сохранения состояния покоя или равномерного прямолинейного движения тел при отсутствии воздействия со стороны других тел называют инерцией.

Теперь, зная эти два понятия — инерция и инертность— вы легко сможете сами ответить на вопрос, почему человек споткнувшись падает лицом вперед, а поскользнувшись — назад.

Первый закон Ньютона называют законом инерции. Он не подлежит экспериментальной проверке (это – постулат), т.к. изолированных тел нет. Но если создать такие условия, что взаимодействие (главным образом трение) по возможности устранить, то движение все больше будет удовлетворять этому закону.

Следует отметить, что всякое движение имеет смысл, если указана система отсчета. Системы отсчета, в которых выполняется первый закон Ньютона называют инерциальными.

Инерциальная система отсчета — это система отсчета, относительно которой тело при компенсации внешних воздействий движется прямолинейно и равномерно.

Системы же отсчета, которые движутся с ускорением относительно инерциальных называют неинерциальными.

Если найдена одна инерциальная система отсчета, то любая система отсчета, движущаяся относительно этой системы равномерно и прямолинейно, является инерциальной.

В условиях, при которых можно не учитывать вращение Земли и ее движение вокруг Солнца, любая система отсчета с неподвижным относительно Земли телом отсчета является инерциальной.

Если же необходимо учитывать движение Земли, то инерциальной считают систему, связанную с Солнцем.

Основные выводы:

– Первый закон Ньютона гласит, что существуют такие системы отсчета, относительно которых поступательно движущееся тело сохраняет скорость неизменной, если на него не действуют другие тела или действие этих тел скомпенсировано.

– Инертность — это свойство тел приобретать определенное ускорение при данном воздействии.

– Инерция — это явление сохранения состояния покоя или равномерного прямолинейного движения тела при отсутствии воздействия со стороны других тел.

– Инерциальная система отсчета — это система отсчета, относительно которой тело при компенсации внешних воздействий движется прямолинейно и равномерно.