§ 30. Инерциальные системы отсчета. Первый закон Ньютона

Мы уже не раз упоминали гениального английского ученого Исаака Ньютона (1642-1727). За свои научные заслуги он даже получил рыцарское звание и титул лорда. «Природа для него была открытой книгой, которую он читал без труда», — писал об этом ученом А Эйнштейн (1879-1955). В работе «Математические начала натуральной философии» (1687 г.) Ньютон сформулировал «аксиомы движения» — их теперь называют законами Ньютона. О первом законе Ньютона вы узнаете из данного параграфа.

1. Вспоминаем закон инерции

Вспомним из курса физики 7 класса, при каких условиях тело находится в состоянии покоя или движется равномерно прямолинейно. В конце XVI в. итальянский ученый Галилео Галилей. (1564-1642) экспериментально установил закон инерции:

Тело движется равномерно прямолинейно или находится в состоянии покоя только тогда, когда на него не действуют другие тела или их действия скомпенсированы (рис. 30.1, 30.2).

Рис. 30.1. Тела находятся в состоянии покоя относительно Земли: притяжение Земли скомпенсировано действием стола (а); действием подвеса (б)

Рис. 30.2. Некоторое время парашютист может двигаться равномерно прямолинейно — когда действие Земли уравновешено действием воздуха и строп парашюта

• Как вы считаете, будет ли двигаться космический корабль, находящийся вдали от звезд, если выключить его двигатели? Если будет двигаться, то как?

2. Изучаем инерциальные системы отсчета

Явление сохранения телом состояния покоя или равномерного прямолинейного движения при условии, что на него не действуют другие тела или их действия скомпенсированы, называют явлением инерции.

Однако состояния движения и покоя зависят от выбора системы отсчета (СО). А в каждой ли СО наблюдается явление инерции?

Представьте, что вы сидите в купе поезда, стоящего на перроне. На столике в купе лежит мячик. На мячик действуют два тела: Земля и столик. Действия Земли и столика скомпенсированы, и мячик находится в покое. Но как только поезд начинает набирать скорость, мячик начинает катиться по столу в направлении, противоположном направлению движения поезда. То есть, оставаясь неподвижным относительно перрона, мячик относительно поезда начинает двигаться с ускорением (рис. 30.3). Следовательно, относительно СО, связанной с поездом, набирающим скорость, явление инерции не наблюдается (действия Земли и столика на мячик скомпенсированы, но мячик не сохраняет свою скорость).

Рис. 30.3. Действия столика и Земли на мяч скомпенсированы. Однако в системе отсчета ΧΟΥ, связанной с перроном, мяч находится в состоянии покоя, поэтому эта СО — инерциальная; в системе отсчета Χ'O'Y', связанной с начинающим движение поездом, мяч движется с ускорением, поэтому эта СО — неинерциальная

Систему отсчета, относительно которой явление инерции не наблюдается, называют неинерциальной системой отсчета.

Систему отсчета, относительно которой явление инерции наблюдается, называют инерциальной системой отсчета.

Далее, если специально не оговорено, будем пользоваться только инерциальными СО.

Обычно в качестве инерциальной используют СО, жестко связанную с точкой на поверхности Земли. Но эту систему можно считать инерциальной только условно, так как Земля вращается вокруг своей оси. Для более точных измерений используют, например, инерциальную СО, связанную с Солнцем, — гелиоцентрическую систему отсчета (рис. 30.4).

Рис. 30.4. Гелиоцентрическая система отсчета: начало координат этой системы расположено в центре Солнца, а оси направлены на далекие звезды

Если мы знаем хотя бы одну инерциальную СО, то можем найти много других, ведь любая СО, движущаяся относительно инерциальной СО равномерно прямолинейно, тоже является инерциальной.

Так, если вы сохраняете состояние покоя или равномерного прямолинейного движения относительно Земли, то и относительно поезда, движущегося относительно Земли с неизменной скоростью, вы тоже будете двигаться равномерно прямолинейно (хотя и с другой скоростью).

Заметим, что в классической механике* при переходе от одной инерциальной СО к другой скорость движения, перемещение и координата тела изменяются, а вот сила, масса, ускорение, время движения и расстояния между телами остаются неизменными.

* Классическая механика рассматривает движение тел, скорость движения которых намного меньше скорости распространения света.

3. Формулируем первый закон Ньютона

Закон инерции Г. Галилея стал первым шагом в установлении основных законов классической механики. Формулируя основные законы движения тел, И. Ньютон назвал этот закон первым законом движения и представил его так: любое изолированное тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно не вынуждено приложенными силами изменить это состояние.

Обратим внимание на следующее.

1. Движется тело равномерно, ускоренно или находится в состоянии покоя, зависит от выбора СО.

2. В инерциальной СО тело движется равномерно прямолинейно или находится в состоянии покоя не только в случае, когда оно изолировано (то есть на него не действуют другие тела), а и в случае, когда силы, действующие на тело, скомпенсированы.

Учитывая сказанное, в современной физике первый закон Ньютона формулируют так:

Существуют такие системы отсчета, относительно которых тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если на тело не действуют никакие силы или эти силы скомпенсированы.

Итак, первый закон Ньютона постулирует существование инерциальных систем отсчета.

*4. Узнаём о принципе относительности Галилея

Наблюдая движение тел в разных инерциальных СО, Г. Галилей пришел к выводу, который получил название принцип относительности Галилея:

Во всех инерциальных системах отсчета течение механических явлений и процессов одинаково при одинаковых начальных условиях.

Галилей писал: «Если мы, находясь в каюте парусника, будем выполнять любые эксперименты, то ни сами эксперименты, ни их результаты не будут отличаться от тех, которые проводились бы на берегу. И только поднявшись на палубу, мы увидим: оказывается, наш корабль движется равномерно прямолинейно...»

Вы тоже можете установить принцип относительности, если, например, проведете ряд опытов в вагоне поезда, движущегося равномерно прямолинейно. Так, чашка, которая стоит на столе, будет находиться в состоянии покоя, а если уронить ложку, то она относительно вагона будет падать вертикально вниз (рис. 30.5).

Рис. 30.5. Никакими механическими экспериментами нельзя определить, движется вагон равномерно прямолинейно или находится в состоянии покоя. Пассажир может это узнать только посмотрев в окно

Подводим итоги

Тело движется равномерно прямолинейно или находится в состоянии покоя, когда на него не действуют другие тела и поля или их действия скомпенсированы, — это современная формулировка закона инерции, экспериментально установленного Г. Галилеем. Сейчас закон, установленный Галилеем, называют первым законом Ньютона и формулируют так: существуют такие системы отсчета (их называют инерциальными), относительно которых тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если на тело не действуют никакие силы или эти силы скомпенсированы. Обычно как инерциальные используют СО, связанные с Землей. Любая СО, движущаяся относительно инерциальной СО равномерно прямолинейно, тоже инерциальна.

Контрольные вопросы

При каких условиях тело сохраняет скорость своего движения? Приведите примеры. 2. Сформулируйте закон инерции. 3. Какие СО называются инерциальными? неинерциальными? Приведите примеры таких систем. 4. Сформулируйте первый закон Ньютона. Что он постулирует?

Упражнение № 30

1. Вы сидите на стуле — вы, как и стул, находитесь в состоянии покоя относительно Земли. Какие тела действуют на стул? на вас? Что можно сказать об этих действиях?

2. Гребцы пытаются заставить лодку двигаться против течения, но лодка остается неподвижной относительно берега. Действия каких тел скомпенсированы?

3. Кот лежит на столе (см. рис. 30.1). Будет ли СО, связанная с котом, инерциальной? Будет ли инерциальной СО, связанная с паучком, который равномерно опускается на паутинке? Будет ли инерциальной СО, связанная с мышью, которая увидела кота и замедляет движение? Ответы поясните.

4. На рис. 1 изображено несколько тел. 1) С каким телом вы связали бы СО, чтобы она была инерциальной? неинерциальной? Ответ обоснуйте. 2) Какой в данный момент времени будет скорость движения собаки в СО, связанной с пешеходом; в СО, связанной с грузовиком? 3) Каким будет ускорение движения автомобиля в СО, связанной с деревом; в СО, связанной с пешеходом?