- Закон инерции. Инерциальная система отсчета. Первый закон Ньютона
- Знать: формулировку закона инерции; понятие инерциальной и неинерциальной системы отсчета; первый закон Ньютона
- Уметь приводить примеры инерциальных и неинерциальных систем отсчета
- Что надо сделать с телом, чтобы оно пришло в движение?
- Что такое система отсчета?
- Как Вы понимаете фразу “двигаться по инерции”?
Закон инерции. Инерциальная система отсчета. Первый закон Ньютона
Если кинематика позволяет описать, как движется тело: равномерно или равноускоренно, прямолинейно или криволинейно, то динамика позволяет определить причины изменения скорости тела. Динамика – это область механики, изучающая причины изменения характера движения тел.
При описании движения тел в динамике также применяется понятие точечного тела, так как, если тело движется поступательно, то для описания причин его движения размерами данного тела можно пренебречь.
Чтобы изменить скорость тела в системе отсчета, связанной с Землей, необходимо на данное тело подействовать другим телом: чтобы придать скорость футбольному мячу, необходимо его пнуть; чтобы остановить его в полете, необходимо его поймать. Известно, что если скорость тела меняется с течением времени, то данное тело движется с ускорением.
Чтобы тело в системе отсчета, связанной с Землей, приобрело ускорение, на него необходимо подействовать.
Древнегреческие ученые считали, что тело будет двигаться равномерно прямолинейно, только если действовать на него постоянно. Данная гипотеза не могла объяснить движение брошенного камня или движения стрелы из лука, на которые не оказывалось постоянного действия.
Рис. 1. Эксперименты Галилея
В XVII в. итальянский ученый Галилео Галилей (1564-1642) исследовал движение шаров по разным наклонным плоскостям (рис. 1). В ходе экспериментов ученый установил следующие закономерности:
а) скорость шарика при движении вниз по наклонной плоскости увеличивается;
б) при движении вверх по наклонной плоскости скорость шарика уменьшается;
в) чем меньше угол наклона плоскости, тем меньше изменение скорости.
Основываясь на полученных результатах, Галилей выдвинул гипотезу, что при стремлении угла наклона плоскости к нулю изменение скорости тела также должно стремиться к нулю. Следовательно, если тело движется по горизонтальной плоскости, его скорость не должна изменяться с течением времени.
Известно, что в реальности тело, движущееся по горизонтальной плоскости, теряет скорость. При этом быстрота потери скорости зависит от материалов поверхности и самого тела. Галилей предположил, что реальная горизонтальная плоскость оказывает некоторое действие на тело, способствующее его торможению. Если же пренебречь тормозящим действием, представить себе идеально гладкую поверхность, то при отсутствии действия других тел рассматриваемое тело будет двигаться равномерно прямолинейно.
Галилей выдвинул гипотезу о движении тела по инерции, то есть движение тела в отсутствие действия на него других тел. Гипотеза Галилея получила название закон инерции.
Закон инерции : тело, которое не испытывает действие сил со стороны других тел, сохраняет свою скорость постоянной или находится в состоянии покоя.
Вам уже известно, что в разных системах отсчета тела двигаются по-разному. Следовательно, закон инерции выполняется не во всех системах отсчета.
Рассмотрим пример.
Рис. 2. Инерциальные и неинерциальные системы отсчета
На рисунке 2 изображена система из двух шариков 1 и 2 и тележки. Проанализируем движение шарика 2 в разных системах отсчета.
В начальный момент времени система движется равномерно прямолинейно. Шарик 2, шарик 1 и тележка имеют одинаковые скорости относительно Земли. Скорость шарика 2 относительно шарика 1 равна нулю, так как шарики движутся с одинаковыми скоростями и в одном направлении: относительно шарика 1 шарик 2 находится в состоянии покоя. Точно также в начальный момент времени шарик 2 покоится относительно тележки.
В некоторый момент времени тележка наезжает на препятствие из песка и останавливается. Шарик 2 некоторое время будет сохранять первоначальную скорость, в результате чего изменит свое положение относительно тележки.
В момент остановки тележки скорость шарика 2 относительно Земли не изменится – он продолжит двигаться с прежней скоростью, следовательно, в системе отсчета, связанной с Землей, закон инерции выполняется.
В системе отсчета, связанной с тележкой, скорость шарика 2 изменится: увеличится от нуля до некоторого значения. Следовательно, в системе отсчета, связанной с тележкой, закон инерции не выполняется.
В системе отсчета, связанной с шариком 1, шарик 2 будет продолжать оставаться в покое, так как шарик 1 подвешен на нити и при остановке тележки также придет в движение. Следовательно, в системе отсчета, связанной с шариком 1, закон инерции выполняется.
Таким образом, все системы отсчета можно разделить на инерциальные, в которых выполняется закон инерции, и неинерциальные. Если система отсчета связана с Землей или движется относительно Земли с постоянной скоростью, такая система является инерциальной. Если система отсчета движется относительно Земли с ускорением, такая система является неинерциальной. В неинерциальной системе отсчета скорость тела меняется даже в отсутствие действия на него других тел.
Следует понимать, что даже в системах отсчета, связанных с Землей, закон инерции выполняется приближенно. Это связано с тем, что Земля тоже находится в постоянном движении: вращается вокруг своей оси, движется по орбите вокруг Солнца, Солнце изменяет свое положение относительно других звезд и т. д.
Чтобы выбрать систему отсчета, в которой закон инерции выполняется точно, необходимо выбрать настолько удаленное тело, что действием других тел на него можно пренебречь. Такое тело называется свободным. После выбора тела отсчета необходимо найти систему отсчета, в которой данное свободное тело движется равномерно прямолинейно или находится в состоянии покоя. Полученную систему отсчета называют инерциальной.
Инерциальная система отсчета (ИСО) – это такая система отсчета, в которой свободное тело движется равномерно прямолинейно или находится в состоянии покоя.
В неинерциальной системе отсчета тело движется с ускорением. Например, пассажиры автобуса при его резком торможении в системе отсчета, связанной с автобусом, получают ускорение, направленное в сторону движения автобуса: скорость пассажиров возрастет от нуля до некоторого значения.
Для решения большинства задач физики систему отсчета, покоящуюся относительно поверхности Земли, можно считать инерциальной. Наиболее точно закон инерции выполняется в системе отсчета, центр которой совпадает с центром Солнца, а координатные оси направлены к удаленным звездам.
Первый закон Ньютона гласит, что инерциальные системы отсчета существуют.
Данный постулат означает, что при рассмотрении того или иного физического явления всегда можно найти такую систему отсчета, относительно которой будет выполняться закон инерции.
При решении практических задач в курсе динамики за инерциальную систему отсчета можно принимать систему отсчета, жестко связанную с Землей. Такую систему отсчета называют лабораторной. В астрономии в качестве инерциальной системы отсчета принято использовать гелиоцентрическую систему отсчета.
Итоги:
- Закон инерции : тело, которое не испытывает действие сил со стороны других тел, сохраняет свою скорость постоянной или находится в состоянии покоя;
- Все системы отсчета можно разделить на инерциальные, в которых выполняется закон инерции, и неинерциальные, в которых тело движется с ускорением;
- Инерциальная система отсчета (ИСО) – это такая система отсчета, в которой свободное тело движется равномерно прямолинейно или находится в состоянии покоя;
- Первый закон Ньютона гласит, что инерциальные системы отсчета существуют.
Контрольные вопросы
1. Сформулируйте закон инерции.
2. Какое тело называется свободным?
3. Какую систему отсчета называют лабораторной?
4. Дайте определение инерциальной системы отсчёта. В чём её отличие от неинерциальной?