Закон інерції. Принцип відносності Галілея

Повсякденний життєвий досвід показує, що для того, щоб яке або тіло рухалося, до нього необхідно прикладати певні зусилля [1] – для пересування людина і тварини використовують свої м’язи, всі кошти транспорту забезпечені двигунами, якщо не підштовхувати ковзаючу по льоду шайбу, то вона зупиняється, ви можете легко продовжити цей ряд прикладів. Тому складається враження, що причиною руху тіла є вплив на нього інших тіл. Така точка зору панувала в наукових уявленнях людства протягом півтора тисяч років.

Доводилося навіть придумувати екзотичні пояснення для пояснення простих рухів. Так, наприклад, для пояснення польоту стріли, випущеної з лука, була придумана така хитромудра теорія. Стріла рухається в повітрі, повітряна середу перед стрілою є більш розрядженим, а позаду неї більш щільним, і саме цей щільніше повітря постійно підштовхує стрілу в польоті [2].

Однак подивимося на рух з іншої точки зору, спробуємо більш детально розглянути результати впливу одного тіла на інше.

Нехай деякий тіло, наприклад, важкий металевий кулю, падає з деякої висоти на поверхню землі. Він починає рухатися під дією притягання до землі, в ході падіння його швидкість зростає. Експериментально можна показати, що його рух можна описати як приблизно равноускоренное. Щоб зменшити прискорення пустимо цю кулю по жолобу, нахиленому під деяким кутом до горизонту. Котіться такої кулі, як і раніше залишається рівноприскореним, але величина прискорення зменшується в міру зменшення кута нахилу. Тому розумно припустити, що при русі по горизонтальному жолобу прискорення стане рівним нулю. Саме, прискорення, а не швидкість! Іншими словами, його рух буде рівномірним, з постійною швидкістю. Звичайно, з часом куля зупиниться, але його гальмування можна пояснити дією сил опору повітря і сил тертя.

Розглянемо ще один приклад. Штовхни шайбу по поверхні столу. Зрушившись на деяку відстань, вона зупиниться, отже, вона рухається з зменшується швидкістю, з негативним прискоренням. Замінимо поверхню столу, гладкою поверхню льоду. І повідомимо шайбі ту ж початкову швидкість. У цьому випадку шайба пройде до зупинки набагато більшу відстань. Отже, величина (модуль) її прискорення буде менше. Тому розумно вважати, що причиною негативного прискорення є сила опору з боку поверхні. Якщо якимось чином виключити дію поверхні, то рух шайби повинно тривати нескінченно довго.

У всіх випадках, виявляється можна знайти причину зміни (!) Швидкості – дія інших тіл.

Таким чином, можна стверджувати, що при відсутності впливу інших тіл, тіло продовжує рухатися з постійною швидкістю, зберігає швидкість свого руху. Властивість тіл зберігати свою швидкість називається інерцією, а вільний рух тел називають рухом за інерцією. Сформульоване твердження у фізиці носить назву закону інерції Галілея.

Відзначимо, що, коли говорять про русі з постійною швидкістю, мають на увазі сталість швидкості, як за величиною, так і за напрямком. Згадайте, як важко повернути на гладкому льоду – не вистачає зовнішніх сил, здатних змінити напрям швидкості. Говорячи надалі про рівномірний рух, ми будемо мати на увазі рух з постійною швидкістю, як по величині, так і за напрямком.

З проявом інерції ми постійно зустрічаємо в навколишньому світі. При різкому гальмуванні автобуса, пасажирів «кидає» вперед – вони продовжують рухатися з колишньою швидкістю. Якщо на стіл покласти аркуш паперу, а на нього поставити якій-небудь предмет, то можна різко висмикнути цей аркуш паперу так, що сам предмет не зрушить з місця.

У розділі «Кінематика» ми неодноразово підкреслювали, що механічний рух відносно – має сенс говорити тільки про рух одного тіла щодо іншого. Тому, у формулюванні закону інерції Г.Галилея ми упустили одну суттєву деталь – відносно якої системи відліку розглядається рух. Не важко навести приклад системи відліку, в якій закон інерції не виконується. Нехай поїзд починає відходити прискорено від вокзалу, в системі відліку, пов’язаної з поїздом, вокзал рухається з прискоренням, хоча явних взаємодій, що призводять до зміни швидкості вокзалу не помітно.

Тому закону інерції Г.Галилея [3] слід дати іншу інтерпретацію: існують такі системи відліку, в яких тіло рухається рівномірно, за відсутності взаємодії з іншими тілами. Такі системи відліку називаються інерційних.

Нехай деякий тіло А рухається рівномірно і прямолінійно щодо деякої системи відліку XOY. У будь-якій іншій системі відліку, яка рухається відносно XOY рівномірно, рух тіла А буде рівномірним (але, звичайно, з іншою швидкістю). Отже, будь-яка система відліку, яка рухається рівномірно відносно якоїсь системи відліку, сама є інерціальній.

Питання про існування інерційних систем відліку, насправді, не простий. У багатьох випадках, в якості системи відліку розглядають систему відліку, пов’язану з поверхнею землі. Строго кажучи, ця система не є інерціальній, так як Земля обертається навколо власної осі, тобто рухається з прискоренням. Ця неінерціальна проявляється в цілому ряді експериментів: русі маятника Фуко, відхиленням в польоті снарядів, підмиву одного з берегів річок та інших. Безумовно, ці ефекти малі, і при вирішенні багатьох завдань ними можна знехтувати, тобто вважати Землю інерціальній системою. Аналогічні міркування можна застосувати і до інших більш грандіозним системам, наприклад, пов’язаним з Сонцем або іншими зірками. Тому, питання про инерциальности тієї чи іншої системи відліку пов’язаний з тією точністю яка вимагається для опису фізичних явищ.

Таким чином, закон інерції постулює існування інерційних систем відліку. Далі, якщо не буде обумовлено особливо, ми будемо розглядати рух тіл саме в інерційних системах відліку.

Посилання на основну публікацію