Любое тело находится в состоянии покоя или движется равномерно и прямолинейно, до того момента пока действие на него других тел не заставит его изменить свое состояние. Этот закон называют первым законом Ньютона. Но, так как способность тела сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения носит название инертности, то и данный закон часто называют законом инерции. Свойство тела сохранять без изменения свою скорость, если другие тела на него не действуют, назвали инерцией. Inertia — от латинского бездеятельность, косность.
Закон инерции был первым шагом при установлении основных законов классической механики.
Закон инерции является важным и независимым законом. Он отображает возможность определить пригодность системы отсчета для рассмотрения движения в динамическом и кинематическом смыслах. Без данного критерия не было бы понятно как синхронизировать часы и вводить единое время. Без закона инерции стали бы бессмысленными все уравнения кинематики и динамики. Так, невозможно говорить о равномерном движении, если нельзя синхронизировать часы. Закон инерции наполняет физическим смыслом второй и третий законы Ньютона.
Инерциальные системы отсчета
Движение в механике является относительным, то есть его характер зависит от системы отсчета. Закон инерции справедлив не для любой системы отсчета. Системы отсчета по отношению к которым, выполняется закон инерции носят название инерциальных. Система отсчета называется инерциальной, если она находится в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения по отношению к другой инерциальной системе отсчета. Получается, что инерциальных систем бесконечно много. Закон инерции утверждает, что инерциальные системы отсчета существуют. В неинерциальной системе отсчета тело может обладать ускорением, если на него не действуют другие тела.
Экспериментально было показано, что инерциальной системой отсчета можно считать гелиоцентрическую систему отсчета, с началом координат в центре Солнца, с осями, проведенными в сторону звезд. Часто говорят, что система отсчета связанная с Землей является инерциальной, но строго говоря, это не так, потому что Земля вращается около собственной оси и вокруг Солнца. Однако при решении многих задач в классической механике эффектами неинерциальности такой системы отсчета можно пренебречь.
Масса тела, сила
Основной характеристикой материи, определяющей ее инерционные свойства, является масса тела. Массу иногда делят на инертную и гравитационную. К настоящему времени доказано, эти виды массы равны друг другу с точностью примерно порядка от величины.
Для описания меры механического воздействия на тело со стороны других тел (полей) которое упомянуто в законе инерции, используют понятие силы. При действии силы на тело, оно или изменяет свою скорость движения, тогда говорят о динамическом проявлении силы, или деформируется, тогда имеют в виду статическое проявление силы. Сила является векторной величиной и определяется величиной и направлением.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
ПРИМЕР 2
| Задание | Какой вывод об инерциальности системы отсчета, связанной с Землей можно сделать на основании следующего опыта: Маленький шарик бросили в глубокую шахту (глубина h), двигаясь, шарик отклонился от вертикали к востоку. Какова величина этого отклонения? Сопротивление воздуха не учитывать. Выполняется ли закон инерции в системе отсчета, связанной с Землей? |
| Решение | Сделаем рисунок.
В результате явления инерции шарик будет отклоняться от вертикали на расстояние (s), равное: где - разность скоростей, перемещения точек поверхности Земли и дна шахты; t - время, которое тратит тело на падение. можно найти используя понятие период обращения Земли вокруг своей оси (T): где R - Радиус Земли по экватору. При свободном падении вертикально под действием силы тяжести Земли имеем:
|
(1564–1642) справедливо считается основателем физики как науки. Ему мы обязаны развитием современного метода исследований, кратко выражающегося в цепочке: эксперимент => модель (выделение в явлении главных особенностей, то есть применение абстракции) => математическое описание => следствия модели => новый эксперимент для их проверки.
Среди прочих научных достижений, в механике им были введены два основополагающих принципа: принцип инерции и принцип относительности . Принцип инерции Галилея был повторен И. Ньютоном (1643–1727) в качестве первого закона механики.
Первый закон Ньютона гласит:
Существуют такие системы отсчета, в которых всякая материальная точка находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока это состояние не будет изменено воздействием со стороны других тел. Такие системы отсчета принято называть инерциальными.
Ответ на вопрос: «Существуют ли инерциальные системы отсчета или нет?», как всегда, дает эксперимент. По результатам современных измерений гелиоцентрическая система отсчета, в которой неподвижен центр Солнца, и оси которой направлены на неподвижные звезды, является инерциальной. Это означает следующую простую вещь: существующие акселерометры (измерители ускорения) не обнаруживают отклонений от первого закона Ньютона в гелиоцентрической системе отсчета. Покой или равномерное прямолинейное движение - это состояние с равным нулю ускорением, следовательно, если тело, не подверженное воздействиям извне, приобретает ускорение, то это означает, что движение этого тела рассматривается в неинерциальной системе отсчета. Солнечная система совершает финитное движение в пределах нашей галактики (Млечный путь), любое финитное движение есть движение с ускорением, но солнечная система далека от центра галактики - мы периферийные жители - кривизна её траектории ничтожна, наши приборы не обнаруживают ускорений и мы утверждаем, что гелиоцентрическая система отсчета инерциальна. Инерциальная система отсчета - ещё одна идеализация: в точном смысле инерциальных систем отсчета не существует. Естественно предположить, что это обстоятельство было в ряду тех, что подвигли Эйнштейна на создание общей теории относительности, в которой утверждается физическое равноправие всех вообще, а не только инерциальных, систем отсчета, а поля сил инерции эквивалентны гравитационным полям (так называемый «принцип эквивалентности» подробнее речь об этом пойдет позже).
В дальнейшем будет видно, что любая система отсчета, движущаяся поступательно с постоянной по величине и направлению скоростью относительно некоторой инерциальной системы отсчета, также инерциальна. Другими словами, существование одной инерциальной системы отсчета означает существование бесконечно большого числа таких систем.
Свойство тела сохранять состояние покоя или прямолинейного равномерного движения называется инерцией . Сам этот принцип - принцип инерции Галилея (или первый закон Ньютона) - далеко не столь очевиден.
До Галилея думали, что для движения нужна какая-то причина, движущая сила. Даже великий Леонардо да Винчи писал: «Всякое движение стремится к своему сохранению, или же каждое движущееся тело движется постоянно, пока в нем сохраняется действие его двигателя». Удивительно, но туповатый полковник фон Циллергут из книги Я. Гашека «Похождения бравого солдата Швейка», мыслил похоже: нет бензина, не работает двигатель, автомобиль останавливается. После Галилея стала возможной чеканная латинская формулировка Р. Декарта (1596–1650): «Quod in vacuo movetur, semper moveri» (что движется в пустоте, будет двигаться всегда).
Дело в том, что в природе действительно никогда не наблюдаются тела, вечно сохраняющие состояние покоя или прямолинейного равномерного движения. Нужно было проявить ту самую способность строить модели, отбрасывать несущественное, абстрагироваться, чтобы открыть принцип инерции. Изучая основные законы механики, мы идеализируем систему: пренебрегаем силами трения, считаем, что поблизости нет других тел и т. д. И тогда принцип инерции проявляет себя во всей своей красе и силе:
Для равномерного прямолинейного движения не нужно двигателя, движущая сила нужна для изменения такого вида движения тела.
Видео 3.1. Стальной шарик в поле магнита. Эксперимент, показывающий, что для искривления траектории необходима соответствующая внешняя сила.
http://www.plib.ru/library/book/14978.html – Д.В. Сивухин Общий курс физики, том 1, Механика Изд. Наука 1979 г. – стр. 91–97 (§16): обсуждается принцип относительности Галилея, приводится дословное рассуждение самого Галилея!
http://www.gaudeamus.omskcity.com/PDF_library_natural-science_2.html – Киттель Ч., Наит У., Рудерман М. Курс общей физики. Том 1. Механика. Изд. Наука, 1975 г. – стр. 79–88 – описание ультрацентрифуги и оценка ускорений реальных систем отсчета, применяемых в механике.
Наблюдения и опыт показывают, что тела получают ускорение относительно Земли, т. е. изменяют свою скорость относительно Земли, только при действии на них других тел. Каждый раз, когда какое-либо тело получает ускорение по отношению к Земле, можно указать другое тело, которое это ускорение вызвало. Например, бросаемый мяч приходит в движение, т. е. получает ускорение, под действием мышц руки. Ловя мяч, мы замедляем и останавливаем его, также действуя на него рукой. Пробка воздушного «пистолета» (рис. 53) приходит в движение под действием воздуха, сжимаемого вдвигаемым поршнем. Пуля, вылетающая с большой скоростью под действием пороховых газов, постепенно уменьшает свою скорость под действием воздуха. Скорость камня, брошенного вверх, уменьшается под действием силы притяжения Земли; затем камень останавливается и начинает двигаться вниз со все увеличивающейся скоростью (также вследствие притяжения Земли).
Рис. 53. Воздушный «пистолет»
Во всех этих и других подобных случаях изменение скорости, т. е. возникновение ускорения, есть результат действия на данное тело других тел, причем в одних случаях это действие проявляется при непосредственном соприкосновении (рука, сжатый воздух), а в других - на расстоянии (воздействие Земли на камень).
Что же будет происходить, если на данное тело никакие другие тела не действуют? В этом случае тело будет либо оставаться в покое относительно Земли, либо двигаться относительно нее равномерно и прямолинейно, т. е. без ускорения. Проверить простыми опытами, что в отсутствие действия других тел данное тело движется относительно Земли без ускорений, практически невозможно, потому что невозможно полностью устранить действия всех окружающих тел. Но чем тщательнее устранены эти действия, тем ближе движение данного тела к равномерному и прямолинейному.
Труднее всего устранить действие трения, возникающего между движущимся телом и подставкой, по которой оно катится или скользит, или средой (воздух, вода), в которой оно движется. Так, стальной шарик, катящийся по горизонтальной поверхности, посыпанной песком, останавливается очень быстро. Но если шарик хорошо отполирован, то, катясь по гладкой, например стеклянной, поверхности, он довольно долго сохранит свою скорость почти неизменной.
В некоторых физических приборах удается осуществить движение элементарных частиц, при котором каждая частица практически не испытывает действия никаких других частиц вещества (для этого из прибора необходимо тщательно удалить воздух). В этих условиях движение частиц очень близко к прямолинейному и равномерному (благодаря большой скорости и малой массе частиц притяжение Земли в таких опытах практически не сказывается).
Тщательные опыты по изучению движения тел были впервые произведены Галилеем в конце XVI и начале XVII веков. Они позволили установить следующий основной закон.
Если на тело не действуют никакие другие тела, то тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения относительно Земли.
Как при покое, так и при равномерном прямолинейном движении ускорение отсутствует. Следовательно, закон, установленный Галилеем, означает: чтобы тело двигалось с ускорением относительно Земли, на него должны действовать другие тела. Причина ускорения - это действие других тел.
Свойство тел сохранять свою скорость при отсутствии действия на них других тел называют инерцией тел (от латинского слова inertia - бездеятельность, косность). Поэтому и указанный закон называют законом инерции, а движение при отсутствии действия на тело других тел называют движением по инерции.
Закон инерции явился первым шагом в установлении основных законов механики, в то время еще совершенно неясных. Впоследствии (в конце XVII века) великий английский математик и физик Исаак Ньютон (1643-1727), формулируя общие законы движения тел, включил в их число закон инерции в качестве первого закона движения. Закон инерции часто называют поэтому первым законом Ньютона.
Итак, тела получают ускорения под действием других тел. Если действия, оказываемые на разные части тела, различны, то эти части получат разные ускорения и через некоторое время приобретут различные скорости. В результате может измениться сам характер движения тела в целом. Например, при резком изменении скорости вагона трение о пол будет увлекать за собой ноги пассажира, но ни на туловище, ни на голову никакого действия со стороны пола оказано не будет, и эти части тела будут продолжать двигаться по инерции. Поэтому, например, при торможении вагона скорость ног уменьшится, а туловище и голова, скорость которых останется без изменений, опередят ноги; в результате тело пассажира наклонится вперед по движению. Наоборот, при резком увеличении скорости вагона туловище и голова, сохраняя по инерции прежнюю скорость, отстанут от ног, увлекаемых вагоном, и тело пассажира отклонится назад. Подобные проявления инерции тел широко используются в технике и в быту. Вытряхивание пыльной тряпки, стряхивание лишней капли чернил с пера, стряхивание столбика ртути в медицинском термометре - все эти действия используют инерцию тел (частиц пыли, капли чернил, ртути в капилляре термометра).
Инерция использована и при устройстве взрывателей артиллерийских снарядов. Когда снаряд, ударяясь о препятствие, внезапно останавливается, взрывной капсюль, помещающийся внутри снаряда, но не связанный жестко с его корпусом, продолжает двигаться и ударяется о жало взрывателя, связанного с корпусом.
> Первый закон Ньютона: инерция
Первый закон Ньютона и инерция . Изучите основы механики Ньютона, момент инерции движения в физике, формулировка и формула первого закона, инерциальная система.
Первый закон движения Ньютона концентрируется на инерции. Тело в состоянии покоя будет оставаться стабильным, а смещающийся объект продолжит движение.
Задача обучения
- Разобраться в Первом законе движения.
Основные пункты
- Три закона физики Ньютона составляют основу механики.
- Первый закон гласит: тело в состоянии покоя останется стабильным, пока на него не повлияет внешняя сила, также и движущееся тело останется в движении, пока не почувствует внешнее воздействие.
- Чистая внешняя сила – сумма всех факторов, влияющих на объект.
- Наличие воздействующих сил не означает присутствие чистой внешней силы. Одинаковые по величине силы, но действующие в противоположных направлениях, могут отменить друг друга.
- Трение – сила между перемещающимся телом и поверхностью. Это внешняя сила, влияющая на замедление.
- Инерция – тенденция тела в движении продолжать двигаться. Зависит от массы, поэтому чем тяжелее тело, тем сложнее изменить направление движения.
Термины
- Инертность – свойство объекта, которое вступает в сопротивление с любой трансформацией текущего положения (эквивалентно массе).
- Равномерное движение – перемещение с неизменной скоростью.
- Трение – сила, сопротивляющаяся относительному движению.
История
Исаак Ньютон интересовался перемещением объектов в различных условиях. В 1687 году он описал три знаменитых закона движения, применимых для характеристики физических объектов и систем. Они составляют основу механики и описывают связь сил, воздействующих на тело, и вызванные этим движения. Три закона гласят:
Если объект не испытывает никакого силового влияния, то скорость останется стабильной. Если объект пребывает в покое, то скорость равняется нулю.
Ускорение параллельно и прямо пропорционально чистой силе, влияющей на объект, и находится в направлении чистой силы и обратно пропорционально массе.
Если первый объект влияет силой на второй, то тот одновременно влияет на первый. То есть их силы одинаковы по величине и противоположны по направлению.
Первый закон движения
Итак, тело пребывает в движении или покое, пока на него не воздействует внешняя сила. То есть, движущееся тело сохранит свою скорость, если на него ничего не влияет. Это именуют равномерным движением.
Примеры
Давайте разберем Первый закон Ньютона в конкретной системе отсчета. Представьте, что вы едете на коньках в инерциальной системе. Если оттолкнетесь от одного борта, то по Первому закону Ньютона должны прибыть ко второму. Но этого не случится. Не забывайте, что движение продолжается, если на него не влияет внешняя сила. В нашем мире этой силой чаще всего выступает трение. В данном случае – трение между коньками и льдом.
А как насчет ремней безопасности? В случае автомобильной аварии, они должны защитить нас. Допустим, машина едет со скоростью 60 миль/ч. Если резко затормозить, то машина ощущает внешнюю силу и замедляется. Но на водителя это не действует, поэтому он продолжит перемещаться на прежней скорости. Ремень создает противовес и тормозит человека.
Инертность
Иногда этот закон именуют законом инерции или инерциальной системой отсчета. Она выступает свойством тела фиксироваться в состоянии покоя или смещения (с постоянной скоростью). У некоторых инерция больше, потому что эквивалентна массе. Поэтому сложнее изменить направление валуна, чем шарика для гольфа.
1. При этом компенсируются действия воды и гребцов.
2. В чем состоит явление инерции?
2. Явление инерции состоит в том, что при компенсации действий на тело других тел или при отсутствии воздействий на тело оно может сохранять свою скорость постоянной.
3. В чем состоит первый закон Ньютона (закон инерции)?
3. Существуют такие системы отсчета, относительно которых поступательно движущееся тело сохраняет свою скорость постоянной, если на него не действуют другие тела.
4. При каких условиях тело может двигаться прямолинейно и равномерно?
4. Тело может двигаться прямолинейно и равномерно в условиях скомпенсированного воздействия на него других тел.
5. Какие системы отсчета используются в механике?
5. Инерциальные системы отсчета.
6. На рисунке 1 показан пример поступательного движения тела (чемодана). Можно ли сказать, что все воздействия других тел на чемодан скомпенсированы?
6. Нет. Тело совершает криволинейное и неравномерное движение. При этом значение и направление вектора скорости во время движения меняется. Это значит, что воздействия на него других тел не скомпенсированы.
