§5. Закони Ньютона

В основу класичної механіки покладено три закони, вперше сформульовані Ньютоном.

2. 1. Перший закон Ньютона

Перший закон динаміки ( перший закон Ньютона) виражає встановлений ще Галілеєм закон інерції: тіло( матеріальна точка) зберігає стан спокою або прямолінійного рівномірного руху, взаємодії з боку інших тіл не змушують його змінити цей стан. Такі тіла називають вільними, а їх рух – вільним рухом. Всі тіла зазнають впливу інших тіл, і вільних тіл не існує.

Існують такі системи відліку, в яких тіла зберігають стан спокою або рівномірного прямолінійного руху, якщо на нього не діють інші тіла або ж дія інших тіл компенсується.

Системи відліку, в яких виконується перший закон Ньютона, називаються інерційними. Перший закон Ньютона фактично є означенням інерційних систем відліку. Як показують спостереження, систему відліку з початком координат в центрі Сонця і осями, напрямленими до віддалених зірок, можна вважати інерційною. Всі інерційні системи відліку рівноправні: всі механічні явища протікають у них однаково і закони Ньютона для всіх таких систем мають однакову форму. Тому жодними механічними дослідами, перебуваючи всередині даної системи відліку, неможливо встановити, чи вона рухається рівномірно і прямолінійно чи вона знаходиться в стані спокою. Цей принцип вперше було сформульовано Галілеєм (1636 р.) і тепер він носить назву “принцип відносності Галілея”. Альберт Ейнштейн (1905 р.) узагальнив цей принцип на явища будь-якої природи.

3. 2. Маса.

Будь-яке тіло чинить опір під час зміни стану його руху.

Властивість тіла зберігати стан свого руху (спокій – рух із нульовою швидкістю) називають інертністю.

Різні тіла мають різну інертність. Наприклад, змінити швидкість навантаженого автомобіля значно важче, ніж велосипеда. Якою ж величиною вимірювати інертність тіл?

Щоб дати відповідь на це запитання, вдамось до такого експерименту. Нехай маємо систему матеріальних точок, що взаємодіють лише між собою і не взаємодіють з іншими точками, які не належать даній системі. Таку систему матеріальних точок будемо називати замкненою.

Нехай замкнена система складається тільки з двох матеріальних точок, які рухаються з швидкостями і , малими порівняно зі швидкістю світла. Нехай внаслідок взаємодії їх швидкості змінюються на деяку величину і за проміжок часу . Будемо змінювати характер взаємодії, спосіб взаємодії, тривалість взаємодії цих двох точок і спостерігати за змінами їх швидкості. Як показали чисельні експерименти, відношення залишаться сталими для даних матеріальних точок і не залежать від способу, характеру і тривалості взаємодії. Замінивши дані точки іншими і. провівши аналогічні експерименти, впевнимось, що відношення зміни їх швидкостей внаслідок взаємодії залишається сталим, а числове значення цього відношення буде іншим. Провівши серію таких експериментів переконаємось, що відношення зміни швидкостей двох матеріальних точок залишається сталим, а величини його залежать лише від інертних властивостей цих точок і не залежать від способу і характеру взаємодії. Якщо кожній матеріальній точці приписати певний коефіцієнт , який характеризує її інертні властивості, то на основі розглянутих експериментів можна записати таке співвідношення:

- = , або = - (5.1)

де коефіцієнти і – сталі величини, що мають однакові знаки і не залежать від характеру взаємодії між матеріальними точками. Коефіцієнти і залежать лише від самих матеріальних точок системи, і їх називають інертними масами або просто масами. Знак мінус у формулах Error: Reference source not found означає те, що вектори і , мають протилежний напрям.

Отже, відношення мас двох матеріальних точок дорівнює відношенню приросту їх швидкостей, що відбувається внаслідок взаємодії між ними, взятими з протилежними знаком.

Щоб від відношення мас перейти до маси, необхідно масу певного тіла вважати рівною одиниці. У фізиці за одиницю маси прийнято один кілограм (1 кг). Один кілограм – це маса еталонної гирі, виготовленої з платино-іридієвого сплаву, яка зберігається в Міжнародному бюро мір і ваг, що знаходиться в Севрі під Парижем.

Таким чином, маса характеризує інертні властивості тіл і є кількісною мірою інертності тіла. В сучасній фізиці розглядаються два види матерії – речовина і поле, які тісно пов’язані між собою. Звичайні тіла (речовина) та фізичні поля (електромагнітне, ядерне та ін.) – якісно різні види матерії, але поняття маси відноситься як до речовин, так і до поля. Маса є мірою інертності матерії в будь-якому її виді.