Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета

§ 7. Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета

Динамикой называют раздел механики, в котором изучают различные  виды механических движений с учетом взаимодействия тел между собой. Основы динамики составляют три закона Ньютона, являющиеся результатом обобщения  наблюдений и опытов в области  механических явлений, которые были известны еще до Ньютона и осуществлены самим Ньютоном.

Законы динамики Ньютона (иначе  называемой классической динамикой) имеют  ограниченную область применимости. Они справедливы для макроскопических тел, движущихся со скоростями, много  меньшими, чем скорость света в  вакууме.

Явление инерции

Проведем наблюдения за поведением различных тел относительно Земли, выбрав неподвижную систему отсчета, связанную с поверхностью Земли. Мы обнаружим, что скорость любого тела изменяется только под действием  других тел. Например, пусть тело стоит  на неподвижной тележке. Толкнем  тележку - и тело опрокинется против движения. Если же, наоборот, резко остановить двигающуюся тележку с телом, оно опрокинется по направлению  движения.

 Очевидно, что если бы трение  между тележкой и телом отсутствовало,  то тело не опрокинулось бы. В первом случае произошло  бы следующее: так как скорость  стоящего тела равна нулю, а  скорость тележки стала увеличиваться,  тележка выскользнула бы из-под  неподвижного тела вперед. Во  втором случае при торможении  тележки стоящее на ней тело  сохранило бы свою скорость  движения и соскользнуло вперед  с остановившейся тележки.

Другой пример. Металлический шарик  скатывается по наклонному желобу на горизонтальную плоскость с одной  и той же высоты h (рис. 16), следовательно, его скорость в точке, в которой он начинает горизонтальное движение, всегда одинакова. Пусть вначале горизонтальная поверхность посыпана песком. Шарик пройдет небольшое расстояние s1 и остановится. Заменим песчаную поверхность гладкой доской. Шарик пройдет до остановки уже значительно большее расстояние s2. Заменим доску льдом. Шарик будет катиться очень долго и пройдет до остановки расстояние s3 >> s2. Эта последовательность опытов показывает, что если уменьшать влияние окружающей среды на движущееся тело, его горизонтальное движение относительно Земли неограниченно приближается к равномерному и прямолинейному. (При движении тела по горизонтальной поверхности притяжение этого тела Землей компенсируется упругостью опоры - доски, льда и т. д.)

О том, что телу свойственно сохранять  не любое движение, а именно прямолинейное, свидетельствует, например, следующий  опыт (рис. 17). Шарик, двигавшийся прямолинейно по плоской горизонтальной поверхности, сталкиваясь с преградой, имеющей  криволинейную форму, под действием  этой преграды вынужден двигаться по дуге. Однако когда шарик доходит  до края преграды, он перестает двигаться  криволинейно и вновь начинает двигаться  по прямой. Обобщая результаты упомянутых (и аналогичных им) наблюдений, можно сделать вывод, что если на данное тело не действуют другие тела или их действия взаимно компенсируются, это тело покоится или же скорость его движения остается неизменной относительно системы отсчета, неподвижно связанной с поверхностью Земли.

Явление сохранения телом состояния  покоя или прямолинейного равномерного движения при отсутствии или компенсации  внешних воздействий на это тело называют инерцией.

Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета

К выводу о существовании явления  инерции впервые пришел Галилей, а затем Ньютон. Этот вывод формулируется  в виде первого закона Ньютона (закона инерции): существуют такие системы  отсчета, относительно которых тело (материальная точка) при отсутствии на нею внешних воздействий (или при их взаимной компенсации) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.

Системы отсчета, в которых выполняется  первый закон Ньютона, называют инерциальными. Следовательно, инерциальными являются такие системы отсчета, относительно которых материальная точка при  отсутствии на нее внешних воздействий  или их взаимной компенсации покоится или движется равномерно и прямолинейно.

Наблюдения показывают, что с  очень высокой степенью точности можно считать инерциальной системой отсчета гелиоцентрическую систему, у которой начало координат связано  с Солнцем, а оси направлены на определенные "неподвижные" звезды. Системы отсчета, жестко связанные  с поверхностью Земли, строго говоря, не являются инерциальными, так как  Земля движется по орбите вокруг Солнца и при этом вращается вокруг своей  оси. Однако при описании движений, не имеющих глобального (т. е. всемирного) масштаба, системы отсчета, связанные  с Землей, можно с достаточной  точностью считать инерциальными. Инерциальными являются и системы  отсчета, которые движутся равномерно и прямолинейно относительно какой-либо инерциальной системы отсчета (см. далее). Галилей установил, что никакими механическими опытами, поставленными внутри инерциальной системы отсчета, невозможно установить, покоится эта система или движется равномерно и прямолинейно. Это утверждение носит название принципа относительности Галилея или механического принципа относительности. Этот принцип был впоследствии развит А. Эйнштейном и является одним из постулатов специальной теории относительности.

Инерциальные системы отсчета  играют в физике исключительно важную роль, так как, согласно принципу относительности  Эйнштейна, математическое выражение  любою закона физики имеет одинаковый вид в каждой инерциальной системе  отсчета. В дальнейшем мы будем пользоваться только инерциальными системами (не упоминая об этом каждый раз).

 Системы отсчета, в которых  первый закон Ньютона не выполняется,  называют неинерциальными. К таким  системам относится любая система  отсчета, движущаяся с ускорением  относительно инерциальной системы  отсчета. 

Вопросы для самоконтроля:

Приведите примеры, свидетельствующие, что скорость любого тела изменяется только под действием других тел.

Что называют инерцией?

Как формулируется первый закон  Ньютона?

Какие системы отсчета являются инерциальными? неинерциальными? Приведите  примеры таких систем.

Можно ли считать инерциальными  системы отсчета, неподвижно связанные  с Землей?

Сформулируйте принцип относительности  Галилея.