2.3. Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета

Первый закон Ньютона формулируется следующим образом: всякое тело находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока воздействие со стороны других тел не заставит его изменить это состояние. Системы, в которых этот закон выполняется, носят названиеинерциальных. Сам закон называют иногда законом инерции.

Таким образом, первый закон Ньютона выполняется не во всякой системе отсчета. Рассмотрим две системы отсчета, движущиеся друг относительно друга с некоторым ускорением. Если относительно одной из них тело покоится, то относительно другой оно, очевидно, будет двигаться с ускорением. Система отсчета, в которой первый закон Ньютона не выполняется, называется неинерциальной системой отсчета. Инерциальных систем существует бесконечное множество. Любая система отсчета, движущаяся относительно некоторой инерциальной системы прямолинейно и равномерно (т.е. с постоянной скоростью), будет также инерциальной.

С большой степенью точности инерциальной системой можно считать гелиоцентрическую систему отсчета, центр которой совмещен с Солнцем, а оси направлены на соответствующим образом выбранные звезды.

Земля движется относительно Солнца и звезд по криволинейной траектории, имеющей форму эллипса. Криволинейное движение всегда происходит с некоторым ускорением. Кроме того, Земля совершает вращение вокруг своей оси. По этим причинам система отсчета, связанная с земной поверхностью, движется с ускорением относительно гелиоцентрической системы отсчета и не является инерциальной. Однако ускорение такой системы настолько мало,что в большом числе случаев ее можно считать практически инерциальной. Но иногда неинерциальность системы отсчета, связанной с Землей, оказывает существенное влияние на характер рассматриваемых относительно нее механических явлений. К таким случаям относится возникновение сил Кориолиса, циклонов и антициклонов и.т.д.

2.4. Масса и импульс тела

Проведем мысленно следующий эксперимент. Одинаковым воздействием подействуем на два разных тела. Окажется, что после прекращения воздействия тела будут иметь разные скорости, рис. 2.1. Свойство тел «противится» попыткам изменить его состояние движения называется инертностью и количественно характеризуется величиной, называемой массой.

Рис. 2.1.

Чтобы определить массу некоторого тела, нужно сравнить ее с массой тела, принятого за эталон массы. Можно также сравнить массу данного тела с массой некоторого тела с уже известной массой (определенной путем сравнения с эталоном). Операцию сравнения масс m₁ и m₂ двух материальных точек (частиц) можно осуществить на основании описанного опыта.

Пусть первое тело с массой m₁в результате воздействия приобрело скоростьV₁, а второе телос массой m₂ – скорость V₂ (до воздействия скорости были равны нулю). Опыт дает, что m₁V₁=m₂V₂, или, учитывая, что начальные скорости были равны, можно записать:

m₁V₁=m₂V₂. (2.1)

В классической механике масса тела предполагается постоянной величиной, не зависящей от скорости тела. Воспользовавшись постоянством массы, равенство (3) можно представить следующим образом:

(m₁V₁) =(m₂V₂). (2.2)

В различные физические законы и уравнения часто входит именно произведение массы и скорости, поэтому данная величина получила специальное название – импульси обозначение –р. Импульс, как и скорость, – вектор:

р = mV. (2.3)

Данное определение справедливо для материальных точек (частиц) и протяженных тел, движущихся поступательно.

В некоторых изданиях пользуются устаревшим названием импульса – количество движения тела.