Інерційні системи відліку. Принцип відносності


На будь-яке тіло можуть впливати інші тіла, що його оточують, внаслідок чого може змінитися стан руху (спокою) тіла, що спостерігається. Разом про те такі впливу може бути скомпенсовані (врівноважені) і викликати таких змін. Коли кажуть, що дії двох або кількох тіл компенсують одна одну, то це означає, що результат їхньої спільної дії такий самий, якби цих тіл зовсім не було. Якщо вплив на тіло інших тіл компенсується, то щодо Землі тіло перебуває або у спокої, або рухається прямолінійно та рівномірно.

Таким чином, ми приходимо до одного з основних законів механіки, який називається першим законом Ньютона.

1-й закон Ньютона (закон інерції)

Існують такі системи відліку, в яких тіло, що поступово рухається, знаходиться в стані спокою або рівномірного прямолінійного руху (руху за інерцією) до тих пір, поки впливи з боку інших тіл не виведуть його з цього стану.

Стосовно сказаного зміна швидкості тіла (тобто прискорення) завжди викликається впливом на це тіло будь-яких інших тіл.

1-й закон Ньютона виконується тільки в інерційній системі відліку.

Визначення

Системи відліку, щодо яких тіло, яке не відчуває на собі впливу інших тіл, спочиває або рухається рівномірно і прямолінійно, називаються інерційними.

Встановити, чи є дана системавідліку інерційною, можна лише досвідченим шляхом. У більшості випадків можна вважати інерційними системи відліку, пов'язані із Землею або з тілами відліку, які по відношенню до земної поверхнірухаються рівномірно та прямолінійно.

Малюнок 1. Інерційні системи відліку

В даний час експериментально підтверджено, що практично інерційна геліоцентрична система відліку, пов'язана з центром Сонця та трьома "нерухомими" зірками.

Будь-яка інша система відліку, що рухається щодо інерційної рівномірно і прямолінійно, сама є інерційною.

Галілей встановив, що жодними механічними дослідами, поставленими всередині інерційної системи відліку, неможливо встановити, чи ця система спочиває або рухається рівномірно і прямолінійно. Це твердження має назву принципу відносності Галілея, або механічного принципувідносності.

Цей принцип був згодом розвинений А. Ейнштейном і є одним із постулатів спеціальної теорії відносності. ІСО грають у фізиці виключно важливу роль, оскільки, згідно з принципом відносності Ейнштейна, математичний вираз будь-якого закону фізики має однаковий вигляд у кожній ІСО.

Якщо тіло відліку рухається з прискоренням, то пов'язана з ним система відліку є неінерційною, і в ній перший закон Ньютона несправедливий.

Властивість тіл зберігати у часі свій стан (швидкість руху, напрямок руху, стан спокою тощо) називають інертністю. Саме явище збереження швидкості тілом, що рухається, за відсутності зовнішніх впливівназивається інерцією.

Рисунок 2. Прояви інерції в автобусі на початку руху та гальмування

З проявом інертності тіл часто зустрічаємося у повсякденності. При різкому прискоренні автобуса пасажири, що у ньому, нахиляються назад (рис.2,а), а при різкому гальмуванні автобуса нахиляються вперед (рис.2,б), а повороті автобуса вправо - до лівої стінки. При великому прискоренні літака, що злітає, тіло пілота, прагнучи зберегти початковий стан спокою, притискається до сидіння.

Інертність тіл наочно проявляється при різкій зміні прискорень тіл системи, коли інерційна система відліку змінюється неінерційною, і навпаки.

Інертність тіла прийнято характеризувати його масою (інертною масою).

Сила, що діє на тіло з боку неінерційної системи відліку, називається силою інерції.

Якщо на тіло в неінерційній системі відліку одночасно діють декілька сил, одні з яких є "звичайними" силами, а інші - інерційними, то тіло буде відчувати одну результуючу силу, що є векторною сумою всіх сил, що діють на нього. Ця результуюча сила не є силою інерції. Сила інерції – це лише складова результуючої сили.

Якщо паличку, що підвішена на двох тонких нитках, повільно потягнути за шнур, прикріплений до її центру, то:

  1. паличка зламається;
  2. обірветься шнур;
  3. обірветься одна з ниток;
  4. можливий будь-який варіант, залежно від прикладеної сили

Малюнок 4

Сила прикладена до середини палички, у місці підвісу шнура. Оскільки, за 1 законом Ньютона, будь-яке тіло має інертність, частина палички в точці підвісу шнура буде рухатися під дією прикладеної сили, а інші частини палички, на які сила не діє, залишаться в спокої. Тому зламається паличка у точці підвісу.

Відповідь. Правильна відповідь 1.

Людина везе двоє зв'язаних саней, прикладаючи силу під кутом 300 до горизонту. Знайдіть цю силу, якщо відомо, що сани рухаються поступово. Маси саней по 40 кг. Коефіцієнт тертя 0,3.

$т_1$ = $т_2$ = $m$ = 40 кг

$(\mathbf \mu)$ = 0,3

$(\mathbf \alpha )$=$30^(\circ)$

$g$ = 9.8 м/с2

Малюнок 5

Так як сани рухаються з постійною швидкістю, то за першим законом Ньютона сума сил, що діють на сани, дорівнює нулю. Запишемо перший закон Ньютона для кожного тіла відразу в проекції на осі, і додамо закон сухого тертя Кулона для саней:

Вісь ОХ Вісь OY

\[\left\( \begin(array)(c) T-F_(тр1)=0 \\ F_(тр1)=\mu N_1 \\ F_(тр2)=\mu N_2 \\ F(cos \alpha - \ )F_(тр2)-T=0 \end(array) \right.\left\( \begin(array)(c) \end(array) \right.\]

$F=\frac(2\mu mg)((cos \alpha \ )+\mu (sin \alpha \ ))=\ frac(2\cdot 0.3\cdot 40\cdot 9.8)((cos 30() ^\circ \ )+0.3\cdot (sin 30()^\circ \ ))=231.5\ H$

Інерційними системами відлікуназивають такі системи, щодо яких всі тіла, які не відчувають дії сил, рухаються рівномірно і прямолінійно.

Якщо якась система відліку рухається щодо інерційної системи поступально, але не прямолінійно і рівномірно, а з прискоренням або обертаючись, то така система не може бути інерційною і закон інерції в ній не виконується.

У всіх інерційних системах відлікувсі механічні та фізичні процесипротікають абсолютно однаково (за однакових умов).

Відповідно до принципу відносності, все інерційні системи відлікурівноправні й усі прояви законів фізики у яких виглядають однаково, а записи цих законів у різних інерційних системах відліку мають однакову форму.

Якщо в ізотропному просторі існує хоча б одна інерційна система відліку, приходимо до висновку, що існує безліч таких систем, що рухаються один щодо одного поступально, рівномірно і прямолінійно. Якщо інерційні системи відліку існують, то простір однорідний і ізотропний, а час - однорідний.

Закони Ньютоната інші закони динаміки виконуються тільки в інерційних системах відліку.

Розглянемо приклад інерційної та неінерційної систем. Візьмемо візок, на якому знаходяться дві кульки. Один із них лежить на горизонтальній поверхні, а інший підвішений на нитці. Спочатку візок рухається щодо Землі прямолінійно і рівномірно ( а). Сили, що діють на кожну кульку по вертикалі, врівноважені, а по горизонталі на кульки ніякі сили не діють (силу опору повітря можна проігнорувати).

При будь-якій швидкості руху візка щодо землі ( υ 1, υ 2, υ 3і т.д.) кульки будуть спокої щодо візка, головне, щоб швидкість була постійною.

Однак, коли візок наїде на піщаний насип ( б), її швидкість почне швидко зменшуватися, внаслідок чого візок зупиниться. Під час гальмування візка обидві кульки почнуть рухатися - змінять свою швидкість щодо візка, хоча їх ніякі сили не штовхають.

У цьому вся прикладі першої (умовно нерухомої) системою відліку є Земля. Друга система відліку, що рухається щодо першої - візок. Поки візок рухався рівномірно і прямолінійно, кульки перебували у спокої щодо візка, тобто виконувався закон інерції. Як тільки візок став гальмувати, тобто почав рухатися з прискоренням щодо інерційної (першої) системи відліку, закон інерції перестав виконуватися.

Суворо інерційної системи відліку немає. Реальна система відліку завжди пов'язується з якимось конкретним тілом, стосовно якого вивчається різних об'єктів. Всі реальні тіла рухаються з будь-яким прискоренням, отже будь-яка реальна системавідліку може розглядатися як інерційна лише приблизно.

Інерційною системоюз дуже високим ступенемточності вважається геліоцентрична система, пов'язана з центром Сонця та координатними осями, спрямованими на три далекі зірки. Цю систему використовують у завданнях небесної механіки та космонавтики. У більшості технічних завдань інерційною системою відліку вважають будь-яку систему, жорстко пов'язану із землею (або будь-яким тілом, яке спочиває або рухається прямолінійно та рівномірно щодо поверхні Землі).

Стародавні філософи намагалися зрозуміти суть руху, виявити вплив зірок та Сонця на людину. Крім того, люди завжди намагалися виявити ті сили, які діють на матеріальну точку у процесі її руху, а також у момент спокою.

Аристотель вважав, що за відсутності руху на тіло не впливають будь-які сили. Спробуємо з'ясувати, які системи відліку називають інерційними, наведемо їх приклади.

Стан спокою

У повсякденному життіважко виявити такий стан. Практично у всіх видах механічного рухупередбачається присутність сторонніх сил. Причиною є сила тертя, яка дає багатьом предметам залишати своє початкове становище, виходити зі стану спокою.

Розглядаючи приклади інерційної системи відліку, відзначимо, що вони відповідають 1 закону Ньютона. Тільки після його відкриття вдалося пояснити стан спокою, вказувати сили, які у цьому стані тіло.

Формулювання 1 закону Ньютона

У сучасній інтерпретації він пояснює існування систем координат, щодо яких можна розглядати відсутність на матеріальну точку зовнішніх сил. З погляду Ньютона, інерційними називаються системи відліку, які дозволяють розглядати збереження швидкості тіла протягом тривалого часу.

Визначення

Які системи відліку є інерційними? Приклади їх вивчаються у шкільному курсі фізики. Інерційними вважають такі системи відліку, щодо яких матеріальна точка пересувається із постійною швидкістю. Ньютон уточнював, що будь-яке тіло може перебувати в подібному стані доти, доки немає необхідності прикладати до нього сили, здатні змінювати такий стан.

Насправді закон інерції виконується не завжди. Аналізуючи приклади інерційних і неінерційних систем відліку, розглянемо людину, що тримається за поручні в транспорті, що пересувається. При різкому гальмуванні машини людина автоматично пересувається щодо транспорту, незважаючи на відсутність зовнішньої сили.

Виходить, що не приклади інерційної системи відліку відповідають формулюванню 1 закону Ньютона. Для уточнення закону інерції було запроваджено уточнене відліку, у яких він бездоганно виконується.

Види систем відліку

Які системи відліку називають інерційними? Скоро це стане зрозумілим. «Наведіть приклади інерційних систем відліку, в яких виконується 1 закон Ньютона» - подібне завдання пропонують школярам, ​​які вибрали фізику як екзамен у дев'ятому класі. Для того щоб впоратися з поставленим завданням, необхідно мати уявлення про інерційні та неінерційні системи відліку.

Інерція передбачає збереження спокою чи рівномірного прямолінійного руху тіла до того часу, поки тіло перебуває у ізоляції. "Ізольованими" вважають тіла, які не пов'язані, не взаємодіють, віддалені один від одного.

Розглянемо деякі приклади інерційної системи відліку. Якщо вважати системою відліку зірку в Галактиці, а не автобус, виконання закону інерції для пасажирів, які тримаються за поручні, буде бездоганним.

Під час гальмування цей транспортний засіб продовжуватиме рівномірний прямолінійний рух доти, доки на нього не впливатимуть інші тіла.

Які приклади інерційної системи відліку можна навести? Вони повинні мати зв'язку з аналізованим тілом, проводити його інертність.

Саме таких систем виконується 1 закон Ньютона. У реального життяважко розглядати рух тіла щодо інерційних систем відліку. Неможливо потрапити на далеку зірку, щоб із нею проводити земні експерименти.

Як умовні системи відліку приймають Землю, незважаючи на те, що вона пов'язана з предметами, розміщеними на ній.

Розрахувати прискорення в інерційній системі відліку можна, якщо вважати як систему відліку поверхню Землі. У фізиці немає математичного запису 1 закону Ньютона, але саме він є основою для виведення багатьох фізичних визначень та термінів.

Приклади інерційних систем відліку

Школярам іноді складно зрозуміти фізичні явища. Дев'ятикласникам пропонується завдання наступного змісту: Які системи відліку називаються інерційними? Наведіть приклади таких систем». Припустимо, що візок із кулею спочатку рухається по рівній поверхні, маючи постійну швидкість. Далі вона пересувається по піску, в результаті куля приводиться в прискорений рух, незважаючи на те, що на нього не діють інші сили (їх сумарний вплив дорівнює нулю).

Суть того, що відбувається, можна пояснити тим, що під час руху піщаною поверхнею система перестає бути інерційною, вона має постійну швидкість. Приклади інерційних та неінерційних систем відліку свідчать про те, що у певний проміжок часу відбувається їх перехід.

При розгоні тіла прискорення має позитивну величину, а при гальмуванні цей показник стає негативним.

Криволінійний рух

Щодо зірок та Сонця рух Землі здійснюється по криволінійній траєкторії, що має форму еліпса. Та система відліку, у якій центр поєднується із Сонцем, а осі спрямовані певні зірки, вважатиметься інерційною.

Зазначимо, що будь-яка система відліку, яка прямолінійно і рівномірно пересуватиметься щодо геліоцентричної системи, є інерційною. Криволінійне рух здійснюється з деяким прискоренням.

Враховуючи той факт, що Земля здійснює рух навколо своєї осі, система відліку, яка пов'язана з її поверхнею, щодо геліоцентричної рухається з деяким прискоренням. У подібної ситуаціїможна зробити висновок, що система відліку, яка пов'язана з поверхнею Землі, пересувається з прискоренням щодо геліоцентричної, тому її не можна вважати інерційною. Але значення прискорення подібної системи настільки мало, що у багатьох випадках істотно впливає специфіку механічних явищ, що розглядаються щодо неї.

Щоб вирішувати практичні завдання технічного характеру, прийнято вважати інерційною систему відліку, яка жорстко пов'язана з поверхнею Землі.

Відносність Галілея

Усі інерційні системи відліку мають важливе властивість, що описується принципом відносності. Суть його полягає в тому, що будь-яке механічне явище при однакових початкових умовахздійснюється однаково незалежно від обраної системи відліку.

Рівноправність ІСО за принципом відносності виражається у таких положеннях:

  • У таких системах однакові, тому будь-яке рівняння, яке описується ними, виражається через координати та час, залишається незмінним.
  • Результати механічних дослідів, що проводяться, дозволяють встановлювати, чи буде система відліку спочивати, або вона здійснює прямолінійний рівномірний рух. Будь-яка система умовно може бути визнана нерухомою, якщо інша при цьому здійснює щодо неї рух із деякою швидкістю.
  • Рівняння механіки залишаються незмінними стосовно перетворенням координат у разі переходу від однієї системи до другої. Можна описати те саме явище в різних системах, але їх фізична природа при цьому змінюватися не буде.

Вирішення задач

Перший приклад.

Визначте, чи є інерційною системою відліку: а) штучний супутник Землі; б) дитячий атракціон.

Відповідь.У першому випадку не йдеться про інерційну систему відліку, оскільки супутник пересувається орбітою під впливом сили земного тяжіння, отже, рух відбувається з деяким прискоренням.

Другий приклад.

Система звіту міцно пов'язана із ліфтом. У яких ситуаціях її можна називати інерційною? Якщо ліфт: а) падає донизу; б) пересувається рівномірно нагору; в) прискорено піднімається; г) поступово прямує вниз.

Відповідь.а) При вільному падінніз'являється прискорення, тому система відліку, що пов'язана з ліфтом, не буде інерційною.

б) При рівномірному пересуванні ліфта система є інерційною.

в) Під час руху з деяким прискоренням систему відліку вважають інерційною.

г) Ліфт пересувається повільно, має негативне прискорення, тому не можна назвати систему відліку інерційною.

Висновок

Протягом усього часу свого існування людство намагається зрозуміти явища, що відбуваються у природі. Спроби пояснити відносність руху були ще Галілео Галілеєм. Ісааку Ньютону вдалося вивести закон інерції, який стали використовувати як основний постулат при проведенні обчислень у механіці.

Нині систему визначення положення тіла включають тіло, прилад визначення часу, і навіть систему координат. Залежно від цього, рухомим чи нерухомим є тіло, можна дати характеристику положення певного об'єкта у потрібний проміжок часу.

Загальний курс фізики

Вступ.

Фізика (грец., від physis - природа), наука про природу, що вивчає найпростіші і водночас найбільш загальні властивості матеріального світу (закономірності явищ природи, властивості та будова матерії та закони її руху). Поняття фізики та її закони лежать в основі всього природознавства. Фізика відноситься до точних наук та вивчає кількісні закономірності явищ. Тому, звісно, ​​мовою фізики є математика.

Матерія може існувати у двох основних формах: речовина та поле. Вони взаємопов'язані між собою.

Приклади: щество- Тверді тіла, рідини, плазма, молекули, атоми, елементарні частинки і т.д.

Поле– електромагнітне поле (кванти (порції) поля – фотони);

гравітаційне поле (кванти поля – гравітони).

Взаємозв'язок речовини та поля- анігіляція електронно-позитронної пари.

Фізика, безумовно, є світоглядною наукою, а знання її основ – необхідний елемент будь-якої освіти, культури сучасної людини.

У той же час фізика має велике прикладне значення. Саме їй завдячує абсолютна більшість технічних, інформаційних та комунікаційних досягнень людства.

Більше того, останні десятиліття фізичні методи дослідження знаходять усі більше застосуванняу, здавалося б, далеких від фізики науках, таких як соціологія та економіка.

Класична механіка

Механіка – розділ фізики, у якому вивчається найпростіша формаруху матерії – переміщення тіл у просторі та часі.

Спочатку основні принципи (закони) механіки як науки були сформульовані І. Ньютон у вигляді трьох законів, що отримали його ім'я.

Використовуючи векторний спосіб опису, швидкість можна визначити як похідну від радіус-вектора точки чи тіла , а маса виступає тут як коефіцієнт пропорційності.

  1. При взаємодії двох тіл кожне з них діє інше тіло з однаковою за значенням, але протилежною за напрямом силою.

Ці закони випливають із досвіду. Там побудована вся класична механіка. Тривалий час вважалося, що це явища можуть бути описані цими законами. Однак з часом розширювалися межі людських можливостей, і досвід показав, що закони Ньютона справедливі не завжди, а класична механіка, як наслідок, має певні межі застосування.

Крім того, трохи пізніше ми звернемося до класичної механіки з дещо іншого боку – виходячи із законів збереження, які в певному сенсі є більш загальними законами фізики, ніж закони Ньютона.

1.2. Межі застосування класичної механіки.

Перше обмеження пов'язане зі швидкостями об'єктів, що розглядаються. Досвід показав, що закони Ньютона залишаються справедливими лише за умови де швидкість світла у вакуумі ( ). При цих швидкостях лінійні масштаби та проміжки часу не змінюються під час переходу від однієї системи відліку до іншої. Тому простір та час абсолютніу класичній механіці.

Отже, класична механіка визначає рух із малими відносними швидкостями, тобто. це нерелятивістська фізика. Обмеження з боку великих швидкостей- Перше обмеження застосування класичної механіки Ньютона.

Крім того, досвід показує, що застосування законів ньютонівської механіки є неправомірним до опису мікрооб'єктів: молекул, атомів, ядер, елементарних частинок і т.д. Починаючи з розмірів

(), адекватний опис явищ, що спостерігаються, дають інші

закони – квантові. Саме їх необхідно використовувати, коли характерна величина, яка описує систему та має розмірність Скажімо, для електрона, що знаходиться в атомі, маємо . Тоді величина, що має розмірність моменту імпульсу, дорівнює: .

Будь-яке фізичне явище – це послідовність подій. Подієюназивається те, що відбувається в даній точці простору на даний момент часу.

Для опису подій вводяться простір та час- Категорії, що позначають основні форми існування матерії. Простір висловлює порядок існування окремих об'єктів, а час – порядок зміни явищ. Простір та час необхідно розмітити. Розмітка здійснюється шляхом введення тіл відліку та реперних (масштабних) тіл.

Системи відліку. Інерційні системи відліку.

Для опису руху тіла або моделі, що використовується – матеріальної точки може бути застосований векторний спосібописи, коли положення об'єкта, що цікавить нас, задають за допомогою радіус-вектора відрізка, спрямованого від тіла відліку в цікаву для нас точку, становище якої у просторі може змінюватися з часом. Геометричне місце кінців радіус-вектора називають траєкторієюрухомої точки.

2.1. Системи координат.

Іншим способом опису руху тіла є координатний, В якому з тілом відліку жорстко пов'язують певну систему координат.

У механіці, й у фізиці взагалі, у різних завданнях зручно користуватися різними системами координат. Найчастіше використовуються, так звані, декартова, циліндрична та сферичнасистеми координат.

1) Декартова система координат: вводяться три взаємно перпендикулярні осі із заданими масштабами по всіх трьох осях (лінійки). Початок відліку по всіх осях береться від тіла. Межі зміни кожної координат від до .

Радіус-вектор, що задає положення точки, визначається через її координати як

. (2.1)

Малий об'єм у декартовій системі:

,

або в нескінченно малих приростах:

(2.2)

2) Циліндрична система координат: як змінні вибираються відстань від осі , кут повороту від осі x і висота вздовж осі від тіла відліку.

3) Сферична система координат: вводиться відстань від тіла відліку до точки і кути, що цікавить.

повороту і , що відраховуються від осей і відповідно.

Радіус-вектор – функція змінних

,

межі зміни координат:

Декартові координати пов'язані зі сферичними наступними співвідношеннями

(2.6)

Елемент обсягу у сферичних координатах:

(2.7)

2.2. Система відліку.

Для побудови системи відліку жорстко пов'язану із тілом відліку систему координат необхідно доповнити годинами. Годинник може знаходитися в різних точках простору, тому його потрібно синхронізувати. Синхронізація годинника здійснюється за допомогою сигналів. Нехай час поширення сигналу з точки, де сталася подія, до точки спостереження дорівнює . Тоді наш годинник повинен у момент появи сигналу показувати час , якщо годинник у точці події в момент його наступу показує час . Такий годинник будемо вважати синхронізованим.

Якщо відстань від точки простору, де сталася подія, до точки спостереження, а швидкість передачі сигналу, то . У класичній механіці приймається, що швидкість розповсюдження сигналу . Тому вводиться один годинник у всьому просторі.

Сукупність тіла відліку, системи координат та годинутворюють Систему відліку(З).

Є безліч систем відліку. Досвід дає, що поки невеликі швидкості в порівнянні зі швидкістю світла , лінійні масштаби та проміжки часу не змінюютьсяпід час переходу з однієї системи відліку до іншої.

Інакше кажучи, у класичній механіці простір та час абсолютні.

Якщо , то масштаби та інтервали часу залежить від вибору СО, тобто. простір та час стають поняттями відносними. Це вже область релятивістської механіки.

2.3.Інерційні системи відліку(ІСО).

Отже, ми стоїмо перед вибором системи відліку, де могли б вирішувати завдання механіки (описувати рух тіл і встановлювати причини, що його викликають). З'ясовується, що далеко не всі системи відліку рівноправні не тільки при формальному описі завдання, але, що важливіше, по-різному становлять причини, що викликають зміну стану тіла.

Систему відліку, в якій закони механіки формулюються найпростіше, дозволяє встановити перший закон Ньютона, який постулює існування інерційних систем відліку- ІСО.

I закон класичної механіки – закон інерції Галілея-Ньютона.

Існує така система відліку, в якій матеріальна точка, якщо виключити її взаємодію з рештою тіла, буде рухатися за інерцією, тобто. зберігати стан спокою чи рівномірного прямолінійного руху.

Це інерційна система відліку (ІСО).

В ІСО зміна руху матеріальної точки (прискорення) зумовлено лише її взаємодією з іншими тілами, але не залежить від властивостей самої системи відліку.

З найдавніших часів рух матеріальних тіл не переставав хвилювати уми вчених. Так, наприклад, сам Аристотель вважав, що якщо на тіло не діють жодні сили, то таке тіло завжди перебуватиме у спокої.

І лише через 2000 років італійський вчений Галілео Галілей зміг виключити з формулювання Арістотеля слово «завжди». Галілей зрозумів, що перебування тіла у стані спокою не є єдиним наслідком відсутності зовнішніх сил.

Тоді Галілей заявив: тіло, на яке не діють жодні сили, буде перебувати в спокої, або рухатися рівномірно прямолінійно. Тобто, рух з однаковою швидкістю прямою траєкторією, з погляду фізики, рівнозначний стану спокою.

Що таке стан спокою?

У житті цей факт спостерігати дуже складно, оскільки завжди має місце сила тертя, яка не дає предметам та речам залишати свої місця. Але якщо уявити нескінченно довгу, абсолютно слизьку і гладку ковзанку, на якій стоїть тіло, то стане очевидно, що якщо надати тілу імпульсу, то тіло рухатиметься нескінченно довго і по одній прямій.

І справді, на тіло діють лише дві сили: сила тяжіння і сила реакції опори. Але вони розташовані на одній прямій і спрямовані один проти одного. Таким чином, за принципом суперпозиції ми маємо, що загальна сила, що діє на таке тіло дорівнює нулю.

Однак це ідеальний випадок. У житті сила тертя поводиться майже завжди. Галілей зробив важливе відкриття, прирівнявши стан спокою та рух із постійною швидкістю по прямій лінії. Але цього було замало. Виявилося, що ця умова виконується не у всіх випадках.

Ясність у це питання вніс Ісаак Ньютон, який узагальнив дослідження Галілея і таким чином сформулював Перший Закон Ньютона.

Перший закон Ньютона: формулюємо самі

Існують два формулювання першого закону Ньютона сучасне та формулювання самого Ісаака Ньютона. У вихідному варіанті перший закон Ньютона дещо неточний, а сучасний варіанту спробах виправити цю неточність виявився дуже заплутаним і тому невдалим. Ну а оскільки істина завжди десь поряд, то спробуємо знайти це «поряд» і розібратися, що ж є даний закон.

Сучасне формулюваннязвучить так: «Існують такі системи відліку, звані інерціальними, щодо яких матеріальна точка за відсутності зовнішніх впливів зберігає величину та напрямок своєї швидкості необмежено довго».

Інерційні системи відліку

Інерційними називають системи відліку, у яких виконується закон інерції. Закон інерції полягає в тому, що тіла зберігають свою швидкість незмінною, якщо на них не діють інші тіла. Виходить дуже незручно, малозрозуміло і нагадує комічну ситуацію, коли на запитання: "Де це "тут"?" відповідають: "Це тут", а на наступне логічне запитання: "А де це "тут"?" відповідають: "Це тут". Олія олійна. Замкнуте коло.

Формулювання самого Ньютонатака: «Будь-яке тіло продовжує утримуватися в стані спокою або рівномірного і прямолінійного руху, поки і оскільки воно не спонукається докладеними силами змінити цей стан».

Проте практично цей закон виконується який завжди. Переконатися у цьому можна просто. Коли людина стоїть, не тримаючись за поручні, в автобусі, що рухається, і автобус різко гальмує, то людина починає рухатися вперед щодо автобуса, хоча його не примушує до цього жодна видима сила.

Тобто щодо автобуса перший закон Ньютона у початковому формулюванні не виконується. Очевидно, що він потребує уточнення. Уточненням і є запровадження інерційних систем відліку. Тобто таких систем відліку, в яких виконується перший закон Ньютона. Це не зовсім зрозуміло, тому спробуємо перекласти все це людською мовою.

Інерційні та неінерційні системи відліку

Властивість інерції будь-якого тіла така, що доки тіло залишається ізольованим від інших тіл, воно зберігатиме свій стан спокою або рівномірного прямолінійного руху. «Ізольованим» - це означає не пов'язаним, нескінченно віддаленим від інших тіл.

На практиці це означає, що якщо в нашому прикладі за систему відліку прийняти не автобус, а якусь зірку на околиці Галактики, то перший закон Ньютона абсолютно точно виконуватиметься для безтурботного пасажира, який не тримається за поручні. При гальмуванні автобуса він продовжуватиме свій рівномірний рух, доки на нього не вплинуть інші тіла.

Ось такі системи відліку, які ніяк не пов'язані з тілом, що розглядається, і які ніяк не впливають на інертність тіла, називаються інерційними. Для таких систем відліку перший закон Ньютона у його вихідному формулюванні абсолютно справедливий.

Тобто закон можна сформулювати так: у системах відліку, абсолютно не пов'язаних з тілом, швидкість тіла за відсутності стороннього впливу залишається незмінною. У такому вигляді перший закон Ньютона легко доступний розуміння.

Проблема у тому, що практично дуже складно розглядати рух конкретного тіла щодо таких систем отсчета. Ми не можемо переміститися на нескінченно далеку зірку і здійснювати звідти будь-які досліди на Землі.

Тому за таку систему відліку умовно часто приймають Землю, хоча вона і пов'язана з тілами, що знаходяться на ній, і впливає на характеристики їх руху. Для багатьох розрахунків таке наближення виявляється достатнім. Тому прикладами інерційних систем відліку можна вважати Землю для розташованих на ній тіл, Сонячну системудля її планет і таке інше.

Перший закон Ньютона не описується будь-якою фізичною формулою, проте за допомогою нього виводяться інші поняття та визначення. По суті цей закон постулює інертність тіл. І так виходить, що для інерційних систем відліку закон інерції і є перший закон Ньютона.

Ще приклади інерційних систем та першого закону Ньютона

Так, наприклад, якщо візок з кулею буде їхати спочатку рівною поверхнею, з постійною швидкістю, а потім заїде на піщану поверхню, то куля всередині візка почне прискорений рух, хоча ніякі сили на нього не діють (насправді, діють, але їх сума дорівнює нулю).

Відбувається це від того, що система відліку (в даному випадку візок) в момент попадання на піщану поверхню стає неінерційною, тобто перестає рухатися з постійною швидкістю.

Перший Закон Ньютона вносить важливе розмежування між інерційними та неінерційними системами відліку. Також важливим наслідком цього закону є той факт, що прискорення, у певному сенсі, важливіше за швидкість тіла.

Оскільки рух із постійною швидкістю по прямій лінії суть перебування у стані спокою. Тоді як рух із прискоренням явно свідчать, що або сума сил, прикладених до тіла, не дорівнює нулю, або сама система відліку, в якій знаходиться тіло, є неінерційною, тобто рухається з прискоренням.

Причому прискорення то, можливо як позитивним (тіло прискорюється), і негативним (тіло сповільнюється).

Потрібна допомога у навчанні?

Попередня тема: Відносність руху: поняття та приклади
Наступний тема: Другий закон Ньютона: формула та визначення + маленький досвід