Інерціальні системи відліку: перший закон Ньютона

З найдавніших часів рух матеріальних тіл не переставало хвилювати розуми вчених. Так, наприклад, сам Аристотель вважав, що якщо на тіло не діють ніякі сили, то таке тіло завжди буде знаходитися в спокої.

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

Тоді Галілей заявив:

Тіло, на яке не діють ніякі сили, буде або перебувати в спокої, або рухатися рівномірно прямолінійно.

Тобто, рух з однаковою швидкістю по прямій траєкторії, з точки зору фізики, рівнозначний стану спокою.

Що таке стан спокою тіла?

У житті цей факт спостерігати дуже складно, оскільки завжди має місце сила тертя, яка не дає предметам і речам залишати свої місця. Але якщо уявити собі нескінченно довгий, абсолютно слизький і гладкий каток, на якому стоїть тіло, то стане очевидно, що якщо додати тілу імпульс, то тіло буде рухатися нескінченно довго і по одній прямій.

І справді, на тіло діє тільки дві сили:

  • сила тяжіння;
  • сила реакції опори.

Але розташовані вони на одній прямій і направлені один проти одного. Таким чином, за принципом суперпозиції, ми маємо, що загальна сила, яка діє на таке тіло дорівнює нулю.

Однак це ідеальний випадок. У житті сила тертя проявляє себе майже у всіх випадках. Галілей зробив важливе відкриття, прирівнявши стан спокою і рух з постійною швидкістю по прямій лінії. Але цього було недостатньо. 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

Існують два формулювання першого закону Ньютона – сучасна формулювання і формулювання самого Ісака Ньютона. У вихідному варіанті перший закон Ньютона кілька неточний, а сучасний варіант у спробах виправити цю неточність виявився дуже заплутаним і тому невдалим. Ну а так як істина завжди десь поруч, то спробуємо знайти це «поруч» і розібратися, що ж представляє собою цей закон.

Сучасна формулювання звучить наступним чином:

«Існують такі системи відліку, звані інерціальними, щодо яких матеріальна точка при відсутності зовнішніх впливів зберігає величину і напрямок своєї швидкості необмежено довго».

Інерціальні системи відліку

Інерціальними називають системи відліку, в яких виконується закон інерції. Закон же інерції полягає в тому, що тіла зберігають свою швидкість незмінною, якщо на них не діють інші тіла. Виходить дуже складно, незрозуміло і нагадує комічну ситуацію, коли на запитання: “Де це «тут»?” – Відповідають: “Це тут”, а наступне логічне запитання: “А де це «тут»? ” – Відповідають: “Це ту”. Масло масляне, замкнуте коло.

Формулювання самого Ньютона наступне:

«Усяке тіло продовжує утримуватися в стані спокою або рівномірного і прямолінійного руху, поки воно не примушується прикладеними силами змінити цей стан».

Однак на практиці цей закон виконується не завжди. Переконатися в цьому можна елементарно. Коли людина стоїть, не тримаючись за поручні в рухомому автобусі, і автобус різко гальмує, то людина починає рухатися вперед відносно автобуса, хоча людину не спонукає до цього жодна видима сила.

Тобто, щодо автобуса перший закон Ньютона в початковому формулюванні не виконується. Очевидно, що він потребує уточнення. Уточненням і є введення інерційних систем відліку. Тобто, таких систем відліку, в яких перший закон Ньютона виконується. Це не зовсім зрозуміло, тому спробуємо перевести все це на людську мову.

Інерціальні і неінерціальні системи відліку

Властивість інерції будь-якого тіла таке, що до тих пір, поки тіло залишається ізольованим від інших тіл, воно буде зберігати свій стан спокою або рівномірного прямолінійного руху.

«Ізольоване» – це значить ніяк не пов’язане, нескінченно віддалене 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 буде абсолютно точно виконуватися для безтурботного пасажира, який не тримається за поручні. При гальмуванні автобуса він продовжуватиме свій рівномірний рух, поки на нього не подіють інші тіла.

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

Тобто закон можна сформулювати так:

У системах відліку, абсолютно ніяк не пов’язаних з тілом, швидкість тіла при відсутності стороннього впливу залишається незмінною.

У такому вигляді перший закон Ньютона легко доступний для розуміння.

Проблема полягає в тому, що на практиці дуже складно розглядати рух конкретного тіла щодо таких систем відліку. Ми не можемо переміститися на нескінченно далеку зірку і звідти здійснювати які-небудь досліди на Землі.

Тому за таку систему відліку умовно часто приймають Землю, хоча вона і пов’язана з розташованими на ній тілами і впливає на характеристики їх руху. Але для багатьох розрахунків таке наближення виявляється достатнім. Тому прикладами інерційних систем відліку можна вважати:

  • Землю для розташованих на ній тіл,
  • Сонячну систему для її планет і так далі.

Перший закон Ньютона не описується ніякою фізичною формулою, однак за допомогою нього виводяться інші поняття і визначення. По суті, цей закон постулює інертність тіл.

Таким чином виходить, що для інерційних систем відліку закон інерції і є перший закон Ньютона.

Ще приклади інерційних систем і першого закону Ньютона

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

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

Перший Закон Ньютона вносить важливе розмежування між інерціальними і неінерціальними системами відліку. Також важливим наслідком цього закону є той факт, що прискорення, в деякому сенсі, важливіше швидкості тіла.

Оскільки рух з постійною швидкістю по прямій лінії знаходиться в стані спокою. Тоді як рух з прискоренням явно свідчать про те, що:

  • або сума сил, прикладених до тіла, не дорівнює нулю;
  • або сама система відліку, в якій знаходиться тіло, є неінерціальною, тобто рухається з прискоренням.

Причому прискорення може бути як позитивним (тіло прискорюється), так і негативним (тіло сповільнюється).

Посилання на основну публікацію