ЛЕКЦИИ ПО ФИЗИКЕ
Динамика


© Лопатин Павел Борисович
Настоящий курс лекций построен на основе лекций, которые читал Б.А. Слободсков.


§ 51. Первый закон Ньютона
 

Lex:

Существуют системы отсчёта, называемые инерциальными, в которых материальная точка, предоставляемая самой себе, движется равномерно и прямолинейно до тех пор, пока на неё не подействует сила.
 
   Нес
мотря на краткость формулировки, закон содержит в себе большие идеи.

   Во-первых, все законы Ньютона сформулированы для самого простейшего объекта - материальной точки.

Определение. Материальная точка - геометрическая точка, обладающая массой.

   Дело в том, что законы движения материальной точки имеют наиболее простой математический вид. И тем не менее, зная закон движения материальной точки, мы можем получить уравнение движения любого тела. Для этого тело рассматривают, как совокупность материальных точек, записывают закон движения для каждой точки и путём суммирования находят уравнение движения всего тела.

   Рассматривать тело, как точку, обладающую массой, впервые стал Исаак Ньютон, хотя понятие материальной точки в его труде "Математические начала натуральной философии" не применялось в явном виде. Оно было введено в физику позднее последователями Ньютона. Тем не менее, в неявной форме оно уже присутствовало в работах Ньютона в качестве особого смысла понятия "тело". Дело в том, что описывая движение, как перемещение тел от точки к точке пространства с течением времени, Ньютон должен был решать проблему скорости и ускорения тел в точке. Применяя разработанный им метод дифференциального и интегрального исчисления, он решал эту проблему путём "стягивания" объёма тела в пределе в точку. Тем самым вещество, заключённое в соответствующем объёме, также "стягивалось" в точку. Это означало, фактически, использование представления о геометрической точке, в которой заключена вся масса тела.

   Во-вторых, первый закон Ньютона утверждает наличие в природе так называемых инерциальных систем, т.е. таких систем, в которых ускорение тела вызывается воздействием на него какого-либо другого тела. Такие системы друг относительно друга движутся равномерно и прямолинейно, т.е. без вращения.
   При решении очень многих задач механики систему отсчёта, связанную с Землёй, мы будем считать приближённо инерциальной. На самом же деле она неинерциальна. Земля вращается вокруг своей оси, и это приходится учитывать при запуске спутников, космических кораблей, полётах дальнобойных ракет, стратегических ракет, рассмотрении течения рек и т.п. В таких случаях более инерциальной принимают систему отсчёта, связанную с Солнцем. Для этого начало осей координат совмещают с центром Солнца.

   В-третьих, первый закон Ньютона утверждает, что в инерциальной системе свободная материальная точка, т.е. точка, на которую не действуют никакие силы, движется равномерно и прямолинейно с постоянной скоростью  , т.е. без ускорения.
   Движение при отсутствии сил называется инерциальным. Из-за этого первый закон Ньютона иногда называют законом инерции. Под инерцией понимают явление сохранения телами постоянной скорости.
   Нельзя смешивать движение по инерции, т.е. равномерное и прямолинейное движение при отсутствии сил, с движением, благодаря инерции, т.е. с продолжением движения тел при торможении. Это движение неравномерное, оно происходит с ускорением. При этом на тело действует тормозящая сила, и его движение описывается не первым, а вторым законом Ньютона.

   В-четвёртых, первый закон Ньютона имеет глубокий философский смысл, т.к. движение по инерции происходит само по себе при отсутствии сил, т.е. является свойством материи. Это подтверждает высказывание Фридриха Энгельса: "Движение есть внутренне присущий материи атрибут, способ её бытия".

   В-пятых, закон даёт качественное определение силы. Сила - это причина ускорения. При этом закон утверждает, что при действии силы инерциальное движение нарушается, т.е. тела начинают двигаться с ускорением.

   В-шестых, в законе неявно предполагается, что пространство, в котором движутся тела, изотропно, т.е. его свойства одинаковы по всем направлениям, или, иначе, пространство само по себе не может изменять скорость тела.

   К формулировке закона инерции очень близко подошёл ещё Галилео Галилей, но он не отразил всей сущности закона и, в частности, инерциальных систем отсчёта.
   К движению по инерции Галилей пришёл из наблюдений и путём догадки на основе опытов при скатывании шаров по наклонным желобам.

   Он брал желоба с плавным переходом от одного к другому и заметил, что при переходе от одного жёлоба на другой шар поднимается на одну и ту же высоту, при уменьшении наклона второго жёлоба шар поднимается на ту же высоту, но проходит больший путь и движется более длительное время.
   Галилей догадался, что если второй жёлоб расположить горизонтально, и если бы не было трения, шар стал бы катиться равномерно и прямолинейно, значит, по инерции.


Оглавление
 



© Лопатин Павел Борисович

Никакую часть этого материала ни в каких целях, включая образовательные и научные, нельзя без письменного разрешения владельца авторских прав дублировать в сети Интернет и воспроизводить в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами, будь то электронные или механические, включая запись на магнитный или электронный носитель, вывод на печать, фотокопирование.