Учебник для 10 класса

ФИЗИКА

§ 2.3. Первый закон Ньютона

• Сейчас вы окончательно убедитесь в том, что движение есть столь же естественное состояние любого тела, как и покой, а потому не требует никакой причины.

Первый закон механики, или закон инерции, как его часто называют, был установлен еще Галилеем. Но строгую формулировку этого закона дал и включил его в число основных законов механики Ньютон. Закон инерции относится к самому простому случаю движения — движению тела, на которое не оказывают воздействия другие тела. Такие тела называются свободными телами.

Движение свободного тела

Ответить на вопрос, как движутся свободные тела, не обращаясь к опыту, нельзя. Однако нельзя поставить ни одного опыта, который бы в чистом виде показал, как движется ни с чем не взаимодействующее тело, так как таких тел нет. Как же быть?

Имеется лишь один выход. Надо создать для тела условия, при которых влияние внешних воздействий можно делать все меньшим и меньшим, и наблюдать, к чему это ведет. Можно, например, наблюдать за движением гладкого камня на горизонтальной поверхности, после того как ему сообщена некоторая скорость. (Притяжение камня к земле уравновешивается действием поверхности, на которую он опирается(1), и на скорость его движения влияет только трение.)

При этом легко обнаружить, что чем более гладкой является поверхность, тем медленнее будет уменьшаться скорость камня. На гладком льду камень скользит весьма долго, заметно не меняя скорость. Трение можно свести почти на нет с помощью воздушной подушки — струй воздуха, поддерживающих тело над твердой поверхностью, вдоль которой происходит движение. Этот принцип используется в водном транспорте (суда на воздушной подушке). На основе подобных наблюдений можно заключить: если бы поверхность была идеально гладкой, то при отсутствии сопротивления воздуха (в вакууме) камень совсем не менял бы своей скорости. Именно к такому выводу впервые пришел Галилей.

С другой стороны, нетрудно заметить, что, когда скорость тела меняется, всегда обнаруживается воздействие на него других тел (см. § 2.1).

Отсюда можно прийти к выводу, что тело, достаточно удаленное от других тел и по этой причине не взаимодействующее с ними, движется с постоянной скоростью.

Самое простое движение

Несомненно, что движение свободного тела — это самый простой случай движения, не осложненного внешними влияниями. А как наиболее простое движение описывается математически и каким оно будет? Каждый согласится, что это равномерное прямолинейное движение, описываемое формулой:

Знаменательное совпадение: физически наиболее простой случай движения (движение свободного тела) происходит по самому простому математическому закону (движение по прямой с постоянной скоростью). Это соображение, надо полагать, примирит вас с мыслью о том, что движение с постоянной скоростью, как и покой, — это естественное состояние тела, и оно не нуждается во внешней побудительной причине.

Закон инерции и относительность движения

Движение относительно, поэтому имеет смысл говорить лишь о движении тела по отношению к системе отсчета, связанной с другим телом. Сразу же возникает вопрос: будет ли свободное тело двигаться с постоянной скоростью по отношению к любому другому телу? Ответ, конечно, отрицательный. Так, если по отношению к Земле свободное тело движется прямолинейно и равномерно, то по отношению к вращающейся карусели тело заведомо так двигаться не будет.

Формулировка первого закона Ньютона

Наблюдения за движениями тел и размышления о характере этих движений приводят нас к заключению о том, что свободные тела движутся с постоянной скоростью по крайней мере по отношению к определенным телам и связанным с ними системам отсчета. Например, по отношению к Земле. В этом состоит главное содержание закона инерции. Поэтому первый закон динамики может быть сформулирован так:

существуют системы отсчета, называемые инерциальными, относительно которых тела, достаточно удаленные от всех других тел, движутся равномерно и прямолинейно.

Этот закон, с одной стороны, содержит определение инерциальной системы отсчета — системы отсчета, относительно которой свободные тела имеют постоянную скорость. С другой стороны, он содержит утверждение (которое с той или иной степенью точности можно проверить на опыте) о том, что инерциальные системы существуют в действительности. Первый закон механики ставит в особое, привилегированное положение инерциальные системы отсчета.

В инерциальной системе свободное тело может вращаться. В этом случае считать его материальной точкой нельзя. Любая часть тела движется с ускорением. Это ускорение сообщают ей воздействия со стороны остальных частей тела. Иными словами, часть вращающегося тела не является «свободным телом» и к ней первый закон Ньютона неприменим.

Примеры инерциальных систем отсчета

Как установить, что данная система отсчета является инерциальной? Это можно сделать только опытным путем. Именно опыт подтверждает, что с большой степенью точности систему отсчета, связанную с Землей (геоцентрическую систему отсчета, рис. 2.6), можно считать инерциальной. Но строго инерциальной она, как об этом будет рассказано позднее, не является.

Рис. 2.6

С гораздо большей точностью можно считать инерциальной систему отсчета, в которой начало координат совмещено с центром Солнца, а координатные оси направлены к неподвижным звездам (рис. 2.7). Эту систему отсчета называют гелиоцентрической.

Рис. 2.7

Начиная с этого момента изучать механическое движение мы будем в инерциальных системах отсчета. В этих системах законы механического движения в самом общем случае выглядят наиболее просто.

Самый важный вопрос, который мы выяснили, — это характер движения свободного тела. В результате обобщения опытных фактов установили, что движение свободного тела происходит с постоянной скоростью. Но такое движение наблюдается не в любых системах отсчета, а в особых {привилегированных) системах, называемых инерциальными.

(1) Если бы можно было убрать поверхность, по которой скользит тело, и «убрать» земной шар, то движение и в этом случае продолжалось бы с постоянной скоростью. Такое утверждение стало возможным лишь после того, как Земля «потеряла» свое привилегированное положение во Вселенной. Если Земля — «рядовое» космическое тело, то и состояние покоя по отношению к нему не является каким-то особым состоянием.