Основное утверждение механики. Первый закон Ньютона

На прошлых уроках мы рассматривали движение тел с ускорением. И всегда, в формулировках задач было упомянуто, чем вызвано ускорение того или иного тела.

Приведем ряд примеров: мяч, катящийся по земле, рано или поздно останавливается. Это происходит из-за сил трения, с которым вы познакомились ещё в седьмом классе.

Также, при любом столкновении меняется скорость: например, при столкновении машин, столкновении частиц, столкновении метеорита с планетой и так далее. Можно привести ещё много примеров, но вся суть будет сводиться к одному и тому же: изменение скорости, то есть ускорение, обусловлено взаимодействием тел.

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 бытовым наблюдениям. Но не стоит забывать о том, что, находясь на Земле, все тела взаимодействуют с поверхностью Земли или, как минимум, с воздухом. И сама Земля, конечно же, оказывает определённое воздействие на тела, находящиеся в непосредственной близости.

Если же мы рассмотрим движение какого-либо астероида или космического аппарата, дрейфующего в космическом пространстве, то они будут двигаться с постоянной скоростью сколь угодно долго, пока гравитационное поле других небесных тел не окажет то или иное воздействие на них.

Еще в самом начале курса мы говорили о том, что решающее значение имеет выбор системы отсчета. Говоря об основном утверждении механики, необходимо ввести термин «инерциальная система отсчета».

Инерциальной системой отсчёта называется такая система отсчёта, в которой ускорение тела определяется только действием на него других тел.

Например, в системе отсчёта, связанной с Землей, любое изменение скорости тела будет определяться воздействием на него других тел. Примером неинерциальной системы отсчета является движущийся автобус, относительно которого пассажиры покоятся. Однако, если он начинает разгоняться или тормозить, то 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 являются неинерциальными. Иными словами, если система двигается с ускорением, относительно другой системы, то эта система отсчета является неинерциальной.

Основное утверждение механики выполняется только в инерциальных системах отсчета. Используя основное утверждение механики и определение инерциальной системы отсчета, Исаак Ньютон вывел свой первый закон. Этот закон гласит следующее: существуют системы отсчета, называемые инерциальными, относительно которых тело движется прямолинейно и равномерно, если на него не действуют другие тела или действие этих тел скомпенсировано.

Этот закон обобщает все приведенные до этого примеры. Первый закон Ньютона, или закон инерции описывает самое простое движение: движение тела без какого-либо воздействия на него.

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

Позднее мы узнаем, что инертной характеристикой тела является его масса. Вы, наверняка, замечали, что чем больше масса тела, тем сложнее его остановить или, наоборот, разогнать.

Если вы нашли какую-то инерциальную систему отсчета, то любая другая система, двигающаяся с постоянной скоростью, относительно этой системы, тоже будет 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.

Необходимо отметить, что мы говорим о Земле, как об инерциальной системе отсчета в большинстве случаев. Такая система отсчёта, связанная с Землёй, называется геоцентрической.

Однако, существуют ситуации, когда движение Земли тоже нужно учитывать. В этом случае, за начало отсчёта берется центр Солнца. Система отсчета, связанная с центром Солнца, является инерциальной и называется гелиоцентрической.

Несмотря на это, не стоит забывать, что относительно каких-либо других тел, система отсчёта, связанная с Солнцем, не является инерциальной.