Інерціальні системи відліку перший закон Ньютона

Головна nbsp> nbsp Wiki-підручник nbsp> nbsp Фізика nbsp> nbsp9 клас nbsp> nbspІнерціальние системи відліку: перший закон Ньютона

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

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, рівнозначно станом спокою.

Що є стан спокою?

У житті цей факт спостерігати дуже складно, оскільки завжди має місце сила тертя, яка не дає предметів і речей 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 діють тільки дві сили: сила тяжіння і сила реакції опори. Але розташовані вони 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 проявляє себе майже в усіх випадках. Галілей зробив важливе відкриття, прирівнявши стан спокою і рух з постійною швидкістю по прямій лінії. Але цього було недостатньо. Виявилося, що умова це виконується не у всіх випадках.

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

Перший закон Ньютона: формулюємо самі

Існують два формулювання першого закону Ньютона сучасна і формулювання самого Ісаака Ньютона. У вихідному варіанті перший закон Ньютона кілька неточний, а сучасний варіант в 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 являє собою цей закон.

Сучасна формулювання звучить наступним чином: «Існують такі системи відліку, звані інерційних, щодо яких матеріальна точка при відсутності зовнішніх впливів зберігає величину і напрямок своєї швидкості необмежено довго».

Інерціальні системи відліку

Інерційних 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 кострубато, малозрозумілою і нагадує комічну ситуацію, коли на питання: "Де це« тут »?" Відповідають: "Це тут", а на наступний логічне запитання: "А де це« тут »?" Відповідають: "Це тут" . Масло масляне. Замкнуте коло.

Формулювання самого Ньютона така: «Усяке тіло продовжує утримуватися в стані спокою або рівномірного і прямолінійного руху, поки й оскільки 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 щодо автобуса, хоча його не примушується до цього жодна видима сила.

Тобто, щодо автобуса перший закон Ньютона в початкової 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 неінерційні 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. «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 буде абсолютно точно виконуватися для безтурботного пасажира, що не тримається за поручні. При гальмуванні автобуса він буде продовжувати своє 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 інерційних. Для таких систем відліку перший закон Ньютона в його вихідного формулювання абсолютно справедливий.

Тобто закон можна сформулювати так. в 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 будь-які 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 тел, Сонячну систему для її планет і так далі.

Перший закон Ньютона не описується будь-якої фізичної формулою, однак за допомогою нього виводяться інші поняття і визначення. По суті, цей закон постулює інертність тел. І 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 візки 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 неінерціальної, тобто перестає рухатися з постійною швидкістю.

Перший Закон Ньютона вносить важливе розмежування між інерційних і неінерційній 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 суть перебування 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 неінерціальної, тобто рухається з прискоренням.