2. Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета

В динамике рассматривается влияние взаимодействия между телами на их механическое движение. Основная задача динамики состоит в определении положения тела в произвольный момент времени по известному начальному положению тела, начальной скорости и силам, действующим на тело.

Свободным (изолированным) телом называется тело, на которое не действуют (или воздействия скомпенсированы) какие-либо другие тела и поля. При изучении поступательного движения твердого тела рассматривается движение центра инерции тела.

Первый закон Ньютона формулируется следующим образом:

всякое тело находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока воздействия со стороны других тел не заставят его изменить это состояние.

Первый закон Ньютона выполняется не во всякой системе отсчета. Рассмотрим две системы отсчета, движущихся друг относительно друга с некоторым ускорением. Если относительно одной из них тело покоится, то относительно другой оно, очевидно, будет двигаться с ускорением. Следовательно, первый закон Ньютона не может одновременно выполняться в обеих системах.

Система отсчета, в которой выполняется первый закон Ньютона, называется инерциальной. Сам закон иногда называют законом инерции. Инерциальных систем существует бесконечное множество. Любая система отсчета, движущаяся относительно некоторой инерциальной системы прямолинейно и равномерно (т.е. с постоянной скоростью), будет также инерциальной. Системы отсчета, в которых свободная материальная точка (свободное тело) не сохраняет скорость движения неизменной, называются неинерциальными системами отсчета. Эти системы движутся с ускорением относительно инерциальных систем отсчета.

11. Почему споткнувшись, человек падает вперёд, а поскользнувшись – назад?

Для описания многих механических движений в земных условиях инерциальную систему отсчета связывают с Землей (геоцентрическая система отсчета). более строго первый закон Ньютона выполняется в гелиоцентрической системе отсчета (система отсчета связана с Солнцем).

12. На неподвижной тележке находится сосуд с водой, в котором плавает деревянный брусок. Описать поведение бруска при ускоренном прямолинейном движении тележки вправо, пользуясь двумя системами отсчета: 1) неподвижной инерциальной системой, связанной с поверхностью, по которой движется тележка, и 2) неинерциальной системой отсчета, связанной с ускоренно движущейся тележкой.

3. Сила

Силой называется векторная физическая величина, являющаяся мерой механического воздействия на материальную точку или тело со стороны других тел или полей. Сила полностью определена, если заданы ее модуль, направление и точка приложения. Прямая, вдоль которой действует сила, называется линией действия силы. В результате действия силы данное тело изменяет скорость движения (приобретает ускорение) или деформируется. На основании этих опытных фактов производится измерение сил.

Различные взаимодействия, известные в современной физике, сводятся к четырем типам:

а) гравитационное взаимодействие, возникающее между всеми телами в соответствии с законом всемирного тяготения;

б) электромагнитное взаимодействие – между телами или частицами, обладающими электрическими зарядами;

в) сильное взаимодействие, существующее, например, между частицами, из которых состоят ядра атомов;

г) слабое взаимодействие, характеризующее, например, процессы превращения некоторых элементарных частиц.

Сила как количественная характеристика позволяет оценивать лишь гравитационные и электромагнитные взаимодействия. В тех чрезвычайно малых областях пространства и в тех процессах, в которых проявляются сильные и слабые взаимодействия, такие понятия, как точка приложения, линия действия силы теряют смысл.

Все силы, с которыми приходится сталкиваться при решении задач в механике, имеют либо гравитационную (например, силы тяготения), либо электромагнитную (например, силы упругости, силы трения) природу.

Силы взаимодействия между частями некоторой рассматриваемой системы тел называются внутренними силами. Силы воздействия на тела данной системы со стороны тел, не включенных в эту систему, называются внешними силами. Система тел, на каждое из которых не действуют внешние силы, называется замкнутой (изолированной) системой.

Если на материальную точку одновременно действуют несколько сил , то они могут быть заменены одной силой , называемой равнодействующей силой и равной их геометрической сумме:

.

Проекция равнодействующей силы на оси прямоугольной декартовой системы координат равны алгебраическим суммам соответствующих проекций всех сил:

, , .