§ 12. Первый закон Ньютона.

19. Рассмотрим I закон Ньютона. Для его формулирования рассмотрим движение тела по наклонной плоскости.

Движение по инерции.

Г алилео Галилей экспериментально установил так называемый закон инерции. Он показал, что при отсутствии сопротивления тело под действием постоянной силы будет двигаться равноускоренно, и установил, что ускорение тяжёлого тела, движущегося по гладкой наклонной плоскости, обратно пропорционально длине этой плоскости при постоянной её высоте (рис. 15). Отсюда были получены интересные выводы.

1. При l = h получаем: , так как . Имеем случай свободного падения тела с ускорением .

2. При получаем: . Имеем случай движения по инерции.

Таким образом, в пределе движение тела по гладкой горизонтальной плоскости без сопротивления будет происходить без всякого ускорения:

.

I закон Ньютона.

Полученное выше утверждение о движении тел по гладкой горизонтальной плоскости без сопротивления можно обобщить на больший круг движений: если на тело не действуют другие тела, то оно будет двигаться прямолинейно и равномерно или покоиться. В таком виде наше утверждение принято называть законом инерции, который впервые был сформулирован Галилеем. Этот закон и был затем обобщён и сформулирован Ньютоном как первый закон динамики материальной точки, который подтверждён многочисленными опытами. Рассмотрим его несколько формулировок:

1-я формулировка: материальная точка, бесконечно удалённая от остальных тел, будет сохранять своё состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения.

Примечание: покой – частный случай равномерного и прямолинейного движения.

С учётом примечания, попробуем сформулировать I закон Ньютона так, чтобы он задавал условие, при котором движение по инерции перестаёт быть таковым.

2-я формулировка: всякое тело находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения, пока воздействие со стороны других тел не заставит его изменить это состояние.

Первый закон Ньютона выполняется не во всякой системе отсчёта. Если рассматривать движение тела с постоянной скоростью из двух систем отсчёта, движущихся с ускорением друг относительно друга, то в одной системе движение тела будет движением по инерции, а в другой – ускоренным. В таких системах отсчёта I закон Ньютона не выполняется одновременно. Следовательно, существует два типа систем отсчёта.

Система отсчёта, в которой выполняется I закон Ньютона, называется инерциальной.

Система отсчёта, в которой не выполняется I закон Ньютона, называется неинерциальной.

Примечание: инерциальных систем – бесконечное множество, так как любая система отсчёта, движущаяся относительно некоторой инерциальной системы прямолинейно и равномерно, будет инерциальной.

3-я формулировка: существуют такие системы отсчёта, относительно которых тело движется прямолинейно и равномерно, если на него не действуют другие тела.

Физический смысл I закона Ньютона: I закон Ньютона утверждает существование инерциальных систем отсчёта.

Приведём примеры инерциальных систем отсчёта:

1. Система отсчёта, центр которой совмещён с Солнцем, а оси направлены на соответствующим образом выбранные звёзды (гелиоцентрическая система отсчёта).

2. Система отсчёта связанная с Землёю не является инерциальной из-за ускоренного её движения вокруг Солнца и вращательного движения самой Земли вокруг своей оси. Но ускорение этой системы настолько мало, что часто её можно считать практически инерциальной.