Перший закон Ньютона. Інерціальні системи відліку. Принцип відносності у класичній механіці

Спираючись на спостереження явищ руху, грецькі учені 2400 років тому дійшли висновку, що природним положенням тіла є спокій, оскільки всі тіла від природи" ліниві", або інертні (від лат. iners - бездіяльний, нерухомий). Виникнення рухів тіл можливе лише в результаті дії активної сили, а припинення дії цієї сили призводить до зупинки тіла. Математично міркування греків можна записати так: , доки .

Тоді, коли спостерігали рух, але не розуміли його причин (рух Сонця, Місяця, зірок та інших небесних тіл), давали таке пояснення: ці предмети рухають боги. Така механіка на той час була до вподоби церкві.

Помилки в розумінні механічних рухів давньогрецьких учених виправив італійський учений Г. Галілей, спираючись на експерименти з нескладними механічними системами. У дослідах зі скочуванням свинцевої кульки з похилої площини він помітив, що відстань S₁ руху кульки по піску (по горизонтальній поверхні) (рис.2.2.2) менша від відстаней S₂ і S₃, які пройшла кулька по гладкій дошці і мармурі. Цю відмінність Галілей пояснив тим, що сила тертя під час руху по піску набагато більша за силу під час руху кульки по дошці або відшліфованому мармурі.

Результати експериментів Галілея свідчили про те, що чим менший опір рухові, тим менша зміна швидкості і тим довше рухається кулька. Розмірковуючи над цими результатами, Галілей дійшов геніального висновку: за повної відсутності сили тертя або опору швидкість тіла стає постійною, і для підтримання руху не потрібно прикладати жодної сили. Математично це можна записати так: , якщо .

Інерція - явище збереження тілом швидкості за відсутності зовнішніх дій на нього з боку інших тіл,

Інертність –властивість, яку мають всі тіла, і яка складається з того, що для зміни швидкості тіла необхідне деякий час.

Про те, що тілу властиво зберігати не будь-який рух, а саме прямолінійний, свідчить такий дослід (рис.2.2.3). Кулька, що рухається прямолінійно по плоскій горизонтальній поверхні, стикаючись з перешкодою, яка має криволінійну форму, під дією цієї перешкоди змушена рухатися по дузі. Однак, коли кулька доходить до кінця перешкоди, вона перестає рухатися криволінійно і знову починає рухатися по прямій.

Інерціальними Ньютон назвав такі системи, відносно яких тіло рухається рівномірно прямолінійно або перебуває в спокої.

Неінерціальні системи відліку – це системи відліку, які рухаються відносно інерціальних систем із прискоренням (поступально чи обертально),

Розглядаючи механічні рухи в будинку на березі моря і в каюті корабля, Г. Галілей виявив, що вони здійснюються однаково, коли корабель пливе по гладкій поверхні без прискорення. Дуже важливим для всього подальшого розвитку фізики виявилось твердження Галілея про те, що ніякими механічними дослідами, що проводяться всередині інерціальної системи відліку (для пасажира нею є каюта корабля), неможливо встановити, перебуває ця система в спокої чи рухається рівномірно і прямолінійно. Це твердження називають принципом відносності Галілея. Людина в каюті корабля може встановити факт руху тільки тоді, коли вона спостерігатиме зовнішні тіла: острів, берег моря тощо.

Ньютон, розглядаючи інерціальну систему відліку (ІСВ), так і не зміг вказати тіло, яке б було для неї тілом відліку. Оточуючі тіла рухаються прискорено: дім обертається навколо осі Землі, а разом з її поверхнею навколо Сонця. Системи відліку, які пов'язані із оточуючими тілами, неінерціальні, але їх прискорення здебільшого є дуже малі. Прискорення автобуса становить близько 1 м/с², великого корабля - кілька см/с², Землі - 6 мм/с², Сонця - близько 10^-8 см/с². Відповідно, чим більша маса тіла відліку, тим менше його прискорення. Тому ІСВ - це абстрактне поняття, якби вона існувала, то мала б нескінченно велику масу. Очевидно, що найбільшу масу з оточуючих нас тіл має Сонце, тому пов'язана з ним система відліку є майже інерціальною. У цій ІСВ початок відліку координат суміщають з центром Сонця, а координати осей проводять у напрямі до реальних зірок, які можна вважати нерухомими.

Проте для опису багатьох механічних явищ у земних умовах ІСВ пов'язують із Землею, при цьому нехтують обертальними рухами Землі навколо своєї осі і навколо Сонця. Наприклад, вивчаючи вільне падіння, потрібно було б враховувати прискорення лабораторії (2-3 см/с²), оскільки Земля обертається навколо своєї осі. Але прискорення лабораторії в декілька сот разів менше від прискорення вільного падіння , тому ним зазвичай нехтують. У більшості задач Землю вважають ідеальним тілом відліку, а пов'язані з нею системи - інерціальними.

Наразі зрозуміло, що абсолютно нерухомих тіл або тіл, які рухаються строго рівномірно і прямолінійно в природі не існує, тому інерціальна система відліку - така ж абстракція, як і матеріальна точка, абсолютно тверде тіло. Час в усіх ІСВ вимірюють однаково. Маса тіла m = const, його прискорення і сили взаємодії не залежать від швидкості ІСВ. У будь-яких ІСВ усі механічні явища відбуваються однаково за одних і тих же початкових умов (інше формулювання принципу відносності Галілея).

Визначивши роль системи відліку, сформулюємо перший закон Ньютона так:

існують системи відліку, що називаються інерційними, у яких тіло зберігає стан спокою або прямолінійного рівномірного руху, якщо на нього не діють інші тіла або дії інших тіл скомпенсовані.

Суттєвим є те, що в ІСВ (наприклад, автобус на зупинці) для збереження спокою не потрібно прикладати ніяких зусиль, а в неінерціальній системі відліку (наприклад, автобус в момент різкого гальмування) пасажирам для цього доводиться напружувати м'язи, тримаючись за поручень.

Аналізувати механічний рух і взаємодію тіл найлегше в ІСВ, тому надалі будемо використовувати саме такі системи відліку.

Як випливає із першого закону Ньютона, за умов рівноваги всіх прикладених до тіла сил, воно рухається прямолінійно зі сталою швидкістю, як кажуть "по інерції". Тому цей закон іноді називають також законом інерції, вважаючи за "інертність" не млявість тіл, а їх властивість зберігати стан свого руху, доки дія зовнішніх сил не змінить його.

Поступальний рух за інерцією відбувається не часто. Прикладами може бути падіння парашутиста за умови зрівноваження сили тяжіння силою опору повітря, рівномірний рух транспорту по горизонтальній поверхні тощо.