Первый закон Ньютона
1. При изучении равномерного и равноускоренного движений нас интересовало, как движется тело; мы не ставили задачу ответить на вопрос, почему тело движется с постоянной скоростью или с постоянным ускорением.
На вопрос о том, почему тело движется так, а не иначе, отвечает раздел механики, называемый динамикой.
В основе динамики лежат три закона Ньютона, которые были сформулированы им в конце XVII в. и явились обобщением результатов наблюдений и опытов.
2. Вы уже изучали в курсе физики 7 класса явление инерции и закон инерции, который открыл Галилей, а английский ученый Исаак Ньютон (1643—1727) обобщил и включил в систему законов динамики. Галилей проделал мысленный эксперимент, который заключался в следующем. Если гладкому массивному шару предоставить возможность самопроизвольно скатываться вниз по гладкой наклонной плоскости с возрастающей скоростью, то его движение будет продолжаться бесконечно долго. Если же шару сообщить некоторую скорость, направленную вверх вдоль наклонной плоскости, то он будет двигаться вверх с уменьшающейся скоростью и в конце концов остановится. Если положить шар на гладкую горизонтальную поверхность и толкнуть его, то шар будет двигаться по этой поверхности сколь угодно долго с неизменной скоростью, поскольку нет причин, которые заставили бы его замедлять или ускорять свое движение.
Можно проделать опыт, аналогичный мысленному эксперименту Галилея. Шарик, скатившись по желобу (рис. 41), движется по горизонтальной поверхности. Если на пути шарика насыпать песок, то шарик быстро остановится. Положив на поверхность кусок
Рис. 41
48
сукна или стекло, можно заметить, что шарик пройдет по поверхности тем больший путь, чем меньше сопротивление его движению.
Если предположить, что трение отсутствует, то, очевидно, шарик будет сохранять свою скорость неизменной. Он будет двигаться равномерно и прямолинейно, пока на него не подействуют другие тела и не изменят его скорость.
Именно к такому выводу и пришел Галилей. Он утверждал, что
если на тело не действуют другие тела, то оно либо находится в покое, либо движется равномерно и прямолинейно.
Это и есть закон инерции.
3. В природе не существует изолированных тел. Любое тело окружено другими телами. Вы уже знаете, что тела взаимодействуют друг с другом и в результате взаимодействия они изменяют свою скорость, т. е. приобретают ускорения.
Несмотря на то что тела взаимодействуют с другими телами, они могут находиться в покое. Например, подвешенный на нити груз (рис. 42) взаимодействует с Землей и нитью. Другие тела, окружающие груз, заметного влияния на него не оказывают. При этом груз находится в покое относительно системы отсчета, связанной с Землей. Если перерезать нить, то груз будет взаимодействовать только с Землей и начнет падать вниз с ускорением.
Следовательно, груз покоился, когда действия Земли и нити компенсировали или уравновешивали друг друга. Когда же действовала только Земля, груз двигался с ускорением. Таким образом, можно сказать, что тело сохраняет состояние покоя, если действия на него других тел скомпенсированы (относительно Земли).
Представим себе, что автомобиль движется равномерно и прямолинейно по горизонтальному участку дороги. В этом случае действия покрытия дороги и тяги его двигателя будут скомпенсированы.
Следовательно, при компенсации действия на тело других тел оно может двигаться равномерно и прямолинейно.
4. Возникает вопрос: во всех ли системах отсчета тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если действия на него других тел скомпенсированы?
Чтобы на него ответить, рассмотрим пример. Предположим, что в поезде на полу лежит мяч. Пока поезд покоится или движется равномерно и Рис. 42
49
прямолинейно, мяч остается в покое, поскольку действие пола вагона компенсирует действие Земли. Когда поезд начнет набирать скорость, т. е. двигаться с ускорением, направленным в ту же сторону, что и скорость поезда, то мяч покатится в противоположную сторону. Несмотря на то что мяч по-прежнему взаимодействует с Землей и полом вагона и действия этих тел на него скомпенсированы, его поведение изменилось: в системе отсчета, связанной с поездом, мяч приобрел ускорение.
Таким образом, тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения только в определенных системах отсчета, на существование которых указывает первый закон Ньютона.
Существуют такие системы отсчета, относительно которых тело сохраняет свою скорость постоянной, если на него не действуют другие тела или действия других тел компенсируются.
Приведенная формулировка первого закона Ньютона отличается от формулировки, данной самим Ньютоном, которая звучит так: «Всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменять это состояние ».
5. Явление сохранения скорости тела (в том числе и равной нулю) называют явлением инерции. Системы отсчета, относительно которых тела движутся с постоянной скоростью при компенсации внешних воздействий, называют инерциальными.
Значение первого закона Ньютона состоит в том, что он устанавливает существование инерциальных систем отсчета. Именно для таких систем отсчета справедливы все три закона Ньютона.
В приведенных выше примерах инерциальными системами отсчета были система отсчета, связанная с Землей, и системы отсчета, движущиеся относительно Земли равномерно и прямолинейно.
Существуют также системы отсчета, которые движутся с ускорением относительно инерциальной системы отсчета. Такие системы отсчета называют неинерциальными.
Например, неинерциальными являются системы отсчета, связанные с ускоренно движущимися относительно Земли транспортными средствами (поезд, начавший движение), с вращающимся вокруг оси телом.
50
Вопросы для самопроверки
1. В чем состоял мысленный эксперимент Галилея?
2. Возможно ли в реальных ситуациях создать такие условия, при которых на тело не будут действовать никакие другие тела?
3. Что иллюстрирует опыт с желобом и движущимся по нему шариком, описанный в параграфе?
4. Сформулируйте первый закон Ньютона.
5. Какие системы отсчета называют инерциальными?
6. В чем состоит значение первого закона Ньютона?
Задание 10
1. В каком из приведенных примеров тело движется по инерции:
— равномерно движущийся по трассе автомобиль;
— автомобиль, движущийся по горизонтальной дороге с выключенным двигателем;
— опускающийся равномерно на землю парашютист с раскрытым куполом парашюта;
— споткнувшийся на бегу человек?
2. Опишите ситуацию, в которой можно было бы наблюдать явление инерции.

Комментарии запрещены.

Навигация по записям