Фізика (поглиблений рівень). 9 клас. Засєкіна

§ 45. Інерціальні системи відліку. Перший закон Ньютона

Ви дізнаєтесь

• Чому важливо вказувати систему відліку, відносно якої розглядають рух

Пригадайте

• Явище інерції
• Для чого потрібні системи відліку

Інерція. У попередніх параграфах ми розглядали прямолінійний рівноприскорений рух тіла, не замислюючись, чому тіло може рухатися рівномірно або прискорено. Що є причиною зміни його швидкості або напрямку руху?

Пам’ятаєте, у 7 класі ми вже шукали відповідь на ці запитання й з’ясували, що тілам властива здатність до збереження руху — інертність, а взаємодія одних тіл з іншими є лише причиною зміни їхньої швидкості, а не руху як такого. Цей висновок ще називали законом інерції.

Якщо на тіло не діють інші тіла (або дія тіл скомпенсована), воно перебуває у стані спокою або прямолінійного рівномірного руху.

Наприклад, якщо кулька котиться по гладенькій поверхні за повної відсутності сили тертя та будь-якого опору, то її швидкість залишатиметься постійною і для підтримання руху не потрібно прикладати жодної сили.

Висновків щодо причин виникнення руху та його змін свого часу дійшов видатний італійський учений-дослідник Галілео Галілей. Для цього він провів багато дослідів. Деякі досліди Галілея вважаються фундаментальними, оскільки на їхніх результатах ґрунтуються важливі фізичні закони й теорії. Так, висновки Галілея та інших дослідників згодом були узагальнені Ісааком Ньютоном, який сформулював три основні закони механіки.

Але перед тим, як розглянути перший закон Ньютона, нам необхідно з’ясувати, чи впливає вибір системи відліку на виконання закону інерції.

Інерціальна система відліку. Рух (або спокій) будь-якого тіла розглядають відносно певної системи відліку. Пригадаймо: система відліку складається із системи координат, що зв’язана з тілом відліку, і секундоміра.

Зрозуміти важливість вибору системи відліку можна, порівнявши рух Місяця відносно Землі та відносно Сонця. Усі знають, що Місяць рухається навколо Землі по траєкторії, що нагадує коло (мал. 232, а). А тепер порівняйте цю траєкторію з траєкторією руху Місяця, якщо система координат зв’язана із Сонцем (мал. 232, б).

Галілео Галілей (1564-1642)

Італійський фізик-дослідник

Ісаак Ньютон (1643-1727)

Англійський фізик, астроном, математик

Мал. 232. Траєкторія руху Місяця: а — відносно Землі; б — відносно Сонця

Залежність траєкторії, шляху, переміщення та швидкості руху від вибору системи відліку називають відносністю руху.

Будь-який рух (як і стан спокою) є відносним, тобто вимагає вказування системи відліку. Тому, стверджуючи, що тіло зберігає стан спокою або прямолінійного рівномірного руху, варто зазначати систему відліку, відносно якої розглядається цей рух.

Наприклад. Нехай ми маємо систему відліку ΧΟΥ, відносно якої тіло А перебуває у стані спокою, а тіло В рухається прямолінійно й рівномірно (мал. 233, а).

Мал. 233. Розгляд руху тіл відносно: а — інерціальної системи відліку; б — неінерціальної системи відліку

Виберемо іншу систему відліку ΧΌΎ', яка рухається відносно першої з прискоренням α (мал. 233, б). Тоді відносно системи відліку ΧΌΎ' і тіло А, і тіло В рухаються прискорено, хоч на них і не діють інші тіла (тобто відсутні сили, що зумовлюють їхнє прискорення). Таким чином, у системі відліку, що рухається з прискоренням, закон інерції не виконується.

Закон інерції виконується в так званих інерціальних системах відліку.

Інерціальна система відліку — це система відліку, в якій тіло, на яке не діють жодні сили (або рівнодійна цих сил дорівнює нулю), рухається рівномірно й прямолінійно.

Будь-яка система відліку, що рухається відносно інерціальної системи відліку поступально, рівномірно і прямолінійно — також є інерціальною системою. Системи відліку, що рухаються відносно інерціальних систем із прискоренням (поступально чи обертально) є неінерціальними.

У земних умовах для опису багатьох механічних явищ достатньо інерціальну систему відліку зв’язати із Землею, знехтувавши при цьому обертальними рухами Землі навколо своєї осі й навколо Сонця.

Перший закон Ньютона. Визначивши роль системи відліку, сформулюємо перший закон Ньютона так: існують такі системи відліку, відносно яких матеріальна точка зберігає стан спокою або рівномірного прямолінійного руху, якщо на неї не діють інші тіла або дія зовнішніх тіл скомпенсована.

Суттєвим є те, що в інерціальних системах (наприклад, в автобусі на зупинці) для збереження спокою не потрібно прикладати ніяких зусиль, а в неінерціальній системі відліку (наприклад, в автобусі в момент різкого гальмування) пасажирам для цього доводиться напружувати м’язи, тримаючись за поручень, незважаючи на те, що додаткової дії в межах салону автобуса не виникає. Ця «неіснуюча сила» і є силою інерції.

ФОРМУЄМО КОМПЕТЕНТНІСТЬ

Я поміркую й зможу пояснити

• 1. У чому сутність явища інерції? У яких випадках рух тіла можна називати рухом за інерцією?
• 2. Які системи відліку називаються інерціальними? Неінерціальними?
• 3. Яким чином можна довести, що система відліку є інерціальною?
• 4. Поясніть, чому систему відліку, пов’язану із землею, вважають інерціальною.
• 5. Як формулюється перший закон Ньютона? Наведіть приклади, які підтверджують цей закон.