2. Перший закон Ньютона

Кінематика не розкриває причин руху. Вона лише описує сам рух. Розкрити причини руху справа не така вже й проста.

До Галілея протягом майже двох тисяч років існувала динаміка Арістотеля (384—322 до н. е.). За Арістотелем, небесні тіла за своєю' природою відмінні від земних і рухаються лише по досконалих кри­вих— колах, першоджерело їхнього руху — дух (бог). Земні тіла самі по собі, без дії сил перебувають у стані спокою, причина їхнього руху — сила. Основне характерне положення динаміки Арістотеля: без сили немає руху. Тобто, для підтримання руху тіла потрібна дія на нього інших тіл. Ця точка зору відповідає безпосередньому, ін­туїтивному уявленню про рух.

Так, візок рухається лише тоді, коли його підштовхують. Якщо штовхнути візок сильніше, то він рухатиметься швидше і, нарешті, якщо зовсім припинити дію сили на нього, візок зупиниться.

Наявність у тіла швидкості пов'язувалась з дією на нього інших тіл, а величина і напрям швидкості — з характером та інтенсивністю цієї дії.

Уявлення Аристотеля про рух були спростовані Г. Галілеєм (1564— 1642), який вперше застосував метод наукового міркування в тлума­ченні поставлених ним експериментів.

Вивчаючи скочування гладенької кулі з похилої площини, Галілей помітив, що при русі вниз куля рухається прискорено, поступово збільшуючи швидкість, а при русі вгору — сповільнено. Звідси він зробив висновок, що, скотившись на горизонтальну площину, куля вічно рухатиметься з тією самою швидкістю на нескінченній площині, якщо ніщо не заважатиме її руху. Це саме можна спостерігати з віз­ком, що рухається по гладенькій поверхні. Зазнавши поштовху, ві­зок починає рухатись і через деякий час зупиниться. Але зменшуючи опір повітря й тертя між візком і площиною, можна необмежене збіль­шувати його шлях. У граничному наближенні (без тертя й опору повіт­ря) візок рухатиметься безмежно довго з сталою за величиною і напря­мом швидкістю. Це твердження називається законом інерції. Чітке визначення його вперше дав І. Ньютон: будь-яке тіло зберігає стан спокою або рівномірного прямолінійного руху доти, поки дія сил не при­мусить його змінити цей стан.

Властивість тіл зберігати стан спокою або рівномірного прямо­лінійного руху називають інерцією. Тому перший закон Ньютона на­зивають ще законом інерції.

Нескінченну площину реалізувати не можна, не можна поставити тіло і в такі умови, щоб на нього не діяли інші тіла. Але можна пере­вірити протилежне: у всіх випадках, коли тіло змінює свою швидкість за величиною і напрямом, тобто дістає прискорення, завжди¹ можна вказати тіла, дія яких викликає це прискорення. Наприклад, викрив­лення траєкторії тіла, яке кинули під кутом до горизонту, відбуваєть­ся під дією притягання з боку Землі; куля, зіткнувшись зі стіною, змі­нює свою швидкість під дією сили, яка діє з боку деформованої стіни.

Отже, причиною прискорення тіла є діюча на нього сила. Дослід показує, що напрями векторів сили й прискорення збігаються і що прискорення пропорційне діючій силі. Такого висновку дійшли Галілей і Ньютон. Вони також ототожнювали фізично стан спокою і рівномірного прямолінійного руху тіла, бо ці стани реалізуються за однакових умов — коли діюча на тіло сила (рівнодійна сил) дорівнює нулю. Із закону інерції можна зробити висновок, що тіло рухатиметься й тоді, коли на нього не діє сила. Все це суперечить динаміці Аристотеля, який вважав, що тіла рухаються лише тоді, коли на них діє сила, яка пропорційна швидкості (не прискоренню!) тіла. У динаміці Аристотеля явища розглядалися поверхово, а також неправильно тлумачилися.

Динаміка Галілея — Ньютона глибше проникає в суть явищ і правильно тлумачить їх. Проте вона не наочна, її закони ще слід до­вести. Історично це стало можливим на більш високому рівні розвит­ку науки (експерименту й теорії).

Ми переконались, що стан тіла змінюється під дією інших тіл. А як впливають на зміну стану властивості самого тіла? Нехай на якесь тіло, що перебуває в стані спокою, подіяла сила. Оскільки під дією сили тіло набуває не швидкості, а прискорення, то потрібний час для досягнення кінцевої швидкості. Цей час для різних тіл буде неодна­ковим.

Скалярна величина, що характеризує інерцію тіла, називається його інертною масою. Чим повільніше тіло змінює свій стан під дією сили, тим більша його маса. З визначення зрозуміло, що маса будь-якого тіла більша від нуля. Маса — величина адитивна. Вона не зале­жить ні від умов, в яких перебуває тіло, ні від взаємодії його з іншими тілами. Перший закон Ньютона справедливий не в будь-якій системі відліку, а лише в інерціальній.