ИСО. Первый закон Ньютона

Переходим к следующему разделу механики, который называется динамикой. В данной теме разговор пойдёт об инерциальных системах отсчета, а также о первом законе Исаака Ньютона.

До этой темы говорилось о законах кинематики, которые помогают рассчитать положение тела в определенный момент времени, с какой скоростью и по какой траектории оно движется. Таким образом, кинематика отвечает на вопросы «Что? Где? Когда? и Как?». Но она не может дать ответ на еще на один главный вопрос — «Почему?» (почему тело двигается именно так, а не иначе). Например, почему мяч, катящийся по земле, рано или поздно останавливается? Или почему происходит резкое изменение скорости двух автомобилей при их столкновении?

Все дело здесь в том, что для полного описания механического движения тел необходимо изучить и взаимодействие тел, которое является причиной изменения их механического состояния.

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

Основная задача динамики состоит в том, чтобы определить положения тела в произвольный момент времени по известному начальному положению, начальной скорости и, главное, силам, действующим на тело. Например, очевидно, что если тело покоится, то оно не сдвинется с места до тех пор, пока кто-то или что-то не подействует на него.

Но есть и не совсем очевидная сторона основного утверждения механики: тело будет двигаться с постоянной скоростью, пока на него не подействуют какие-то другие тела. Казалось бы, это противоречит всем нашим бытовым наблюдениям.

Еще в свое время Аристотель, исследуя природные явления пришел к выводу, что для создания постоянной скорости движения необходимо воздействие других тел, а при отсутствии какого-либо взаимодействия тела должны оставаться неподвижными (то есть движется движимое). Эта его идея помогла понять огромное количество наблюдаемых явлений, но она не смогла объяснить все движения, которые происходят в природе. Так 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,

– движение тел, падающих на земную поверхность

– 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. И только в 18 веке Галилео Галилей сделал первый шаг для единого объяснения этих двух типов движения. Он сформулировал закон инерции.

Закон инерции Галилей выражал так: «Движение тела, на которое не действуют внешние силы, либо равнодействующая их равна нулю, является равномерным движением по окружности». Именно 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 Исаак Ньютон. В его представлении 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. Пусть имеется лошадь, которая тянет телегу с арбузом равномерно и прямолинейно относительно земли. Арбуз будет находиться в покое относительно телеги при любой скорости ее движения относительно земли — главное, чтобы эта скорость была постоянна. Но, когда лошадь с телегой резко останавливается, арбуз приходит в движение, то есть изменяет свою скорость относительно телеги, хотя нет никаких сил, которые толкали бы его.

Значит, в системе отсчета, связанной с телегой, 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 инерции 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.

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

Системы отсчета, в которых выполняется первый закон Ньютона называют инерциальными. То есть, инерциальная система отсчета — это система отсчета, относительно которой тело при компенсации внешних воздействий движется прямолинейно и равномерно (или же покоится).

Необходимо отметить, что мы говорим о Земле, как об инерциальной системе отсчета в большинстве случаев. Однако, существуют ситуации, когда движение Земли тоже нужно учитывать. В этом случае, за начало отсчёта берется центр Солнца.

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

Примером неинерциальной системы отсчета является движущийся автобус, относительно которого пассажиры, находящиеся в нем, покоятся. Однако, если автобус начинает резко разгоняться или тормозить, люди начинают падать назад или вперед, без всякого видимого воздействия со стороны других тел. Дело в том, что относительно Земли, пассажиры не изменили свою скорость, но изменил скорость автобус. Значит, относительно автобуса, пассажиры тоже изменили свою скорость. Так вот, системы, подобные этому автобусу и являются неинерциальными.

Очевидно, что если найти какую-то инерциальную систему отсчета, то любая другая система, двигающаяся с постоянной скоростью, относительно этой системы, так же будет являться инерциальной. Так, например, тот же автобус, двигаясь с постоянной скоростью, относительно Земли, является инерциальной системой отсчета, до тех пор, пока он не начнет изменять свою скорость.

Возникает вопрос: будут ли уравнения движения иметь один и тот же вид в различных инерциальных системах отсчета?

Для ответа на этот вопрос, проведем мысленный эксперимент, который в свое время предложил Галилей. Человек находится в каюте корабля. Никакого движения в пространстве он не ощущает — ему кажется, что корабль стоит на месте. Возникает вопрос: покоится ли корабль или движется равномерно и прямолинейно. Можно ли установить это, не выглядывая в иллюминатор? Допустим, что с данной целью можно производить всевозможные эксперименты, наблюдая различные механические явления в каюте. Исследуются колебания маятников, движение теннисного мяча по полу, его вращательное движение. Детально известен ход этих явлений в неподвижной лаборатории на земле, и теперь можно попытаться найти какие-либо отклонения в их протекании, вызванные равномерным прямолинейным движением судна.

Удивительно, но никаких отклонений обнаружить не удастся. Поставив в каюте корабля, движущегося равномерно и прямолинейно, любой механический эксперимент и сопоставив его с аналогичным экспериментом на Земле, не будет обнаружено ни каких отличий в полученных результатах. То есть равномерное прямолинейное движение корабля никак не сказывается на протекании любых механических явлений на нем.

На основании этого эксперимента Галилей сформулировал принцип относительности, который гласит, что всякое механическое явление при одних и тех же начальных условиях протекает одинаково в любой инерциальной системе отсчёта. Иными словами, с точки зрения механических явлений инерциальные системы отсчёта совершенно равноправны и никакой механический эксперимент не в состоянии выделить и сделать привилегированной какую-то одну из них по сравнению с остальными.

Основные выводы:

– Сформулирована основная задача динамики.

– Дана формулировка первого закона Ньютона.

– Показано различие инерциальных и неинерциальных систем отсчета.

– Сформулирован принцип относительности Галилео Галилея.