Перший закон Ньютона. Інерційні системи відліку

Як перший закон динаміки Ньютон прийняв закон, установлений ще Галілеєм: тіло зберігає стан спокою чи рівномірного прямолінійного руху доти, доки дія з боку інших тіл не виведе його з цього стану.

Перший закон Ньютона показує, що стан спокою чи рівномірного і прямолінійного руху не вимагає для свого підтримання ніяких зовнішніх впливів. У цьому проявляється особлива динамічна властивість тіл, яка називається їх інертністю. Відповідно перший закон Галілея-Ньютона називається законом інерції, а рух тіла за відсутності впливів з боку інших тіл – рухом за інерцією.

Механічний рух відносний: його характер для одного й того ж тіла може бути різним у різних системах відліку, які рухаються одна відносно іншої. Наприклад, космонавт, який перебуває на борту штучного супутника Землі, нерухомий у системі відліку, пов¢язаній із супутником. У той же час відносно Землі він рухається разом із супутником по еліптичній орбіті, тобто не рівномірно і не прямолінійно. Тому природньо, що перший закон Ньютона справджуються не в кожній системі відліку. Наприклад, куля, що лежить на гладенькій підлозі каюти корабля, який іде рівномірно та прямолінійно, може розпочати рух по підлозі без усякої дії на неї з боку інших тіл: для цього достатньо, щоб швидкість корабля почала змінюватися.

Система відліку, відносно якої матеріальна точка, вільна від зовнішніх впливів, перебуває в спокої або рухається рівномірно та прямолінійно, називається інерціальною системою відліку. Зміст першого закону Ньютона зводиться посутньо до двох тверджень: по-перше, що всі тіла мають властивість інертності і, по-друге, що існують інерціальні системи відліку.

Будь-які дві інерціальні системи відліку можуть рухатися одна відносно іншої тільки поступально і до того ж рівномірно та прямолінійно. Експериментально встановлено, що практично інерціальною є геліоцентрична система відліку, початок координат якої знаходиться в центрі інерції Сонячної системи (наближено – в центрі Сонця), а осі проведено в напрямку трьох віддалених зірок, вибраних, наприклад, так, щоб осі координат були взаємно перпендикулярними.

Лабораторна система відліку, осі координат якої жорстко зв¢язані з Землею, неінерціальна головним чином через добове обертання Землі. Проте Земля обертається так повільно, що найбільше нормальне прискорення точок її поверхні в добовому обертанні не перевищує 0,034 м/с². Тому в більшості практичних задач таку лабораторну система відліку можна наближено вважати інерціальною.

Інерційні системи відліку відіграють особливу роль не лише в механіці, але також і у всіх інших розділах фізики. Це пов¢язано з тим, що, згідно з принципом відносності Ейнштейна, математичний вираз будь-якого фізичного закону повинен мати один і той же вигляд у всіх інерційних системах відліку. Тому надалі ми будемо користуватися, не застерігаючи про це щоразу, тільки інерційними системами відліку. Закономірності руху матеріальної точки відносно неінерційної системи відліку розглянуті в Розділі 7.

Сила

Силою називається векторна величина, що є мірою механічного впливу на розглядуване тіло з боку інших тіл. Механічна взаємодія між тілами може відбуватися як при безпосередньому їх контакті (наприклад, при терті, при тисненні тіл одне на одне тощо), так і між віддаленими тілами. Особлива форма матерії, що пов¢язує частинки речовини в єдині системи і передає зі скінченною швидкістю дію одних частинок на інші, називається фізичним полем, або просто полем. Взаємодія між віддаленими тілами відбувається шляхом створюваних ними гравітаційних і електромагнітних полів (наприклад, притягання планет до Сонця, взаємодія заряджених тіл, провідників зі струмом і т.д.). Механічна дія на дане тіло з боку інших тіл проявляється двоїсто. Вона здатна спричинити, по-перше, зміну стану механічного руху досліджуваного тіла, а по-друге, – його деформацію. Обидва ці прояви дії сили можуть правити за основу для вимірювання сил. Наприклад, вимірювання сил за допомогою пружинного динамометра грунтується на законі Гука для поздовжнього розтягу.

Користуючись поняттям сили, в механіці зазвичай говорять про рух і деформацію тіла під дією прикладених до нього сил. При цьому, зрозуміло, кожній силі завжди відповідає деяке тіло, яке діє з цією силою на розглядуване тіло.

Сила F повністю визначена, якщо задані її модуль, напрямок у просторі і точка прикладання. Пряма, вздовж якої спрямована сила, називається лінією дії сили.

Поле, що діє на матеріальну точку з силою F, називається стаціонарним полем, якщо воно не змінюється з часом t, тобто якщо в будь-якій точці поля сила F не залежить явно від часу: Для стаціонарності поля необхідно, щоб тіла, які його створюють, перебували в спокої відносно інерційної системи відліку, використовуваної при розгляді поля.

Одночасна дія на матеріальну точку М кількох сил (рис. 2.1,а) еквівалентна дії одної сили, яка називається рівнодійною, або результуючою, силою і дорівнює їх сумі

.

Вона замикає багатокутник сил (рис. 2.1,б).

Якщо тіло абсолютно тверде, то дія на нього сили не змінюється при перенесенні точки прикладання цієї сили вздовж лінії її дії в межах тіла. Інакше кажучи, вектори сил, прикладених до абсолютно твердого тіла, можна розглядати як ковзні вектори.

Тіло називається вільним, якщо на його положення в просторі не накладено ніяких обмежень. Наприклад, літак, що летить у небі, являє собою вільне тіло. У більшості випадків доводиться мати справу з тілами, які не є вільними: на їх можливі положення і рухи накладені ті чи інші обмеження, які в механіці називаються зв¢язками. Наприклад, кулька, підвішена на нерозтяжній нитці, не може віддалитися від точки підвісу на відстань, більшу за довжину нитки; трамвай може рухатися тільки по рейках. Зв¢язки здійснюються завдяки дії на розглядуване тіло інших тіл, які скріплені чи стикаються з ним (наприклад, нитки на прив¢язану до неї кульку, рейок на трамвай і т.п.). Віддія зв¢язків у кожній конкретній задачі може бути наперед невідома. Тоді вона підлягає визначенню в ході розв¢язання задачі. Її значення повинно бути таким, щоб унаслідок сукупної дії усіх сил тіло здійснювало такий рух, який повністю узгоджується з обмеженнями, які накладають зв¢язки на розглядуване невільне тіло.

Тіла, які не входять до складу досліджуваної механічної системи, називаються зовнішніми тілами. Сили, що діють на систему з боку зовнішніх тіл, називаються зовнішніми силами. Відповідно внутрішніми силами називаються сили взаємодії між частинами розглядуванї системи.

Механічна система називається замкненою, або ізольованою (відокремленою) системою, якщо вона не взаємодіє з зовнішніми тілами. На жодне з тіл замкненої системи зовнішні сили не діють.