- Закон инерции. Инерциальная система отсчёта. Первый закон Ньютона
- знать формулировку закона инерции; понятие «инерциальная и неинерциальная система отсчёта»; первый закон Ньютона
- уметь приводить примеры инерциальных и неинерциальных систем отсчёта
- Что надо сделать с телом, чтобы оно пришло в движение?
- Что такое система отсчёта?
- Как вы понимаете фразу «двигаться по инерции»?
Закон инерции. Инерциальная система отсчёта. 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 тела можно пренебречь.
Чтобы изменить скорость тела в системе отсчёта, связанной с Землёй, необходимо на данное тело подействовать другим телом: чтобы придать скорость футбольному мячу, необходимо его пнуть; чтобы остановить его в полёте, необходимо его поймать. Известно, что если скорость тела меняется с течением времени, то данное тело движется с ускорением.
Чтобы тело в системе отсчёта, связанной с Землёй, приобрело ускорение, на него необходимо подействовать.
Древнегреческие учёные 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 учёный Галилео Галилей (1564–1642) исследовал движение шаров по разным наклонным плоскостям (рис. 1). В ходе экспериментов учёный 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 отсчёта тела двигаются по-разному. Следовательно, закон инерции выполняется не во всех системах отсчёта.
Рассмотрим пример.
Рис. 2. Инерциальные и неинерциальные системы отсчёта
На рисунке 2 изображена система из двух шариков 1 и 2 и тележки. Проанализируем движение шарика 2 в разных системах отсчёта.
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 своё положение относительно тележки.
В момент остановки тележки скорость шарика 2 относительно Земли не изменится: он продолжит двигаться с прежней скоростью, следовательно, в системе отсчёта, связанной с Землёй, закон инерции выполняется.
В системе отсчёта, связанной с тележкой, скорость шарика 2 изменится: увеличится от нуля до некоторого значения. Следовательно, в системе отсчёта, связанной с тележкой, закон инерции не выполняется.
В системе отсчёта, связанной с шариком 1, шарик 2 будет продолжать оставаться в покое, так как шарик 1 подвешен на нити и при остановке тележки также придёт в движение. Следовательно, в системе отсчёта, связанной с шариком 1, закон инерции выполняется.
Таким образом, все системы отсчёта можно разделить на инерциальные, в которых выполняется закон инерции, и неинерциальные. Если система отсчёта связана с Землёй или движется относительно Земли с постоянной скоростью, то она является инерциальной. Если система отсчёта движется относительно Земли с ускорением, такая система является неинерциальной. В неинерциальной системе отсчёта скорость тела меняется даже в отсутствие действия на него других тел.
Следует понимать, что даже в системах отсчёта, связанных с Землей, закон инерции выполняется приближённо. Это связано с тем, что Земля тоже находится в постоянном движении: вращается вокруг своей оси, движется по орбите вокруг Солнца, Солнце изменяет положение относительно других звёзд и т. д.
Чтобы выбрать систему отсчёта, в которой закон инерции выполняется точно, необходимо выбрать настолько удалённое тело, что действием других тел на него можно пренебречь. Такое тело называется свободным. После выбора тела отсчёта необходимо найти систему отсчёта, в которой данное свободное тело движется равномерно прямолинейно или находится в состоянии покоя. Полученную систему отсчёта называют инерциальной.
Инерциальная система отсчёта (ИСО)
— это такая система отсчёта,
в которой свободное тело движется равномерно прямолинейно или находится в состоянии покоя.
В неинерциальной системе отсчёта тело движется с ускорением. Например, пассажиры автобуса при его резком торможении в системе отсчёта, связанной с автобусом, получают ускорение, направленное в сторону движения автобуса: скорость пассажиров возрастёт от нуля до некоторого значения.
Для решения большинства задач физики систему отсчёта, покоящуюся относительно поверхности Земли, можно считать инерциальной. Наиболее точно закон инерции выполняется в системе отсчёта, центр которой совпадает с центром Солнца, а координатные оси направлены к удалённым звездам.
Первый закон Ньютона гласит, что инерциальные системы отсчёта существуют.
Данный постулат означает, что при рассмотрении того или иного физического явления всегда можно найти такую систему отсчёта, относительно которой будет выполняться закон инерции.
При решении практических задач в курсе динамики за инерциальную систему отсчёта можно принимать систему отсчёта, жёстко связанную с Землёй. Такую систему отсчёта называют лабораторной. В астрономии в качестве инерциальной системы принято использовать гелиоцентрическую систему отсчёта.
Итоги
- Закон инерции : тело, которое не испытывает действие сил со стороны других тел, сохраняет свою скорость постоянной или находится в состоянии покоя.
- Все системы отсчёта можно разделить на инерциальные, в которых выполняется закон инерции, и неинерциальные, в которых тело движется с ускорением.
-
Инерциальная система отсчёта (ИСО)
— это такая система отсчёта,
в которой свободное тело движется равномерно прямолинейно или находится в состоянии покоя. - Первый закон Ньютона гласит, что инерциальные системы отсчёта существуют.
Контрольные вопросы
1. Сформулируйте закон инерции.
2. Какое тело называется свободным?
3. Какую систему отсчёта называют лабораторной?
4. Дайте определение инерциальной системы отсчёта. В чём её отличие от неинерциальной?
