1. Первый закон Ньютона

Этот закон Ньютон сформулировал следующим образом:

Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока воздействие других тел не выведет его из этого состояния.

Свойство тел сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инерцией. Поэтому этот закон в современной формулировке гласит следующее.

Существуют такие системы отсчета, в которых всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока воздействие со стороны других тел не заставит его изменить это состояние.

Система отсчета, в которой выполняется первый закон Ньютона, называется инерциальной. Поэтому и называется первый закон законом инерции. Инерциальных систем отсчета множество. Любая система отсчета, движущаяся относительно некоторой инерциальной системы прямолинейно и равномерно, т.е. поступательно с постоянной скоростью является инерциальной. Чтобы убедиться в этом, рассмотрим движение материальной точки относительно систем отсчета К и (рис.4.1) . Допустим, что система движется относительно системы К поступательно с постоянной скоростью . Как видно из рисунка, между радиус-векторами имеется соотношение

.

Рис. 4.1.

Продифференцировав его по времени, найдем, что , т.е. .

Если на материальную точку не действуют никакие тела и система инерциальна, то скорость материальной точки в этой системе будет постоянной. Из последней формулы следует, что скорость материальной точки в системе также оказывается постоянной. Это означает, что система также инерциальна.

Установить, является ли данная система инерциальной или нет, можно опытным путем. Например, опыт показывает, что с большой степенью точности систему отсчета, связанную с Землей (геоцентрическая система отсчета) при изучении явлений, происходящих на Земле, можно считать инерциальной.

С гораздо большей точностью можно считать инерциальной систему отсчета, в которой начало координат совмещено с Центром Солнца, а координатные оси направлены на три неподвижные звезды, сохраняющие с известной точностью неизменное положение на небесном своде (гелиоцентрическая система отсчета). Она является инерциальной при описании явлений, происходящих в солнечной системе, а не в галактике.

Очевидно, первый закон является приближенным законом.

Во-первых, нет и не может быть ни с чем не взаимодействующих тел. Чем меньше это взаимодействие, тем точнее выполняется первый закон. Например, если ударить ногой по мячу, то он после падения по траве продвинется значительно меньше, чем по асфальту, по которому он катится десятки метров, не снижая своей скорости. Это расстояние зависит, во-первых, от силы удара ноги, и, во-вторых, от шероховатости поверхности. Лишь считая, что поверхность идеально гладкая и воздействие на тело других тел в вертикальном направлении отсутствует, можно сделать вывод о справедливости первого закона Ньютона.

Во-вторых, зависит от выбора тела отсчета. Например, на перроне лежит камень. Он находится в покое относительно перрона, т.е. инерциальной системы отсчета. Однако для наблюдателя, которое смотрит на камень из окна трогающегося поезда, камень движется ускоренно, хотя ясно, что никаких новых воздействий на камень при трогании с места не появилось. Ускоренное движение камня относительно поезда нельзя объяснить воздействием какого-либо тела. В этом случае первый закон не выполняется относительно системы отсчета, связанной с поездом.