Конспект урока: Действие одного тела на другое. Закон инерции. Инерциальные системы отсчёта. Первый закон Ньютона

Инерциальные системы отсчёта. Первый закон Ньютона

Как мы выяснили из предыдущей статьи, если на тело не действуют другие тела, то оно сохраняет свою скорость постоянной, т. е. его ускорение равно нулю. Если тело движется с ускорением — это говорит о механическом действии на него других тел.
 

Однако, скорость и ускорение — это величины относительные. С относительностью скорости мы уже сталкивались раньше на примере книги. Книга одновременно неподвижно лежит в купе поезда, но в то же время движется относительно поверхности земли со скоростью поезда.

Рис. 1. Ускоренное движение автомобиля относительно поверхности Земли

Приведём теперь пример относительности ускорения. Представьте себе, что неподвижно стоявший автомобиль стал набирать скорость относительно поверхности Земли, стал ускоряться (рис. 1). Причину ускорения легко объяснить воздействием двигателя. Здесь нет противоречия с законом инерции. Да, скорость тела меняется, тело движется с ускорением, но это происходит потому, что на него оказывается механическое действие.

Выберем теперь такой пример, чтобы нам казалось, что закон инерции Галилея нарушается. Действительно, пересядем в разгоняющийся автомобиль (рис. 2). Поскольку мы сидим в автомобиле, находимся в его системе отсчёта, то он нам кажется неподвижным. Зато все внешние объекты движутся на нас теперь с ускорением (дома, деревья, фонари, горы и вообще вся Вселенная). Совершенно очевидно при этом, что на все эти внешние тела никакого воздействия в направлении ускорения не производится. Как же так, на тела нет механического воздействия, а они движутся с ускорением? Нет ли здесь нарушения закона инерции Галилея?

Рис. 2. Вид из ускоряющегося автомобиля. В системе отсчёта автомобиля все другие тела движутся с ускорением

Оказывается, нет. Внимательно обратимся к формулировке закона инерции: «Скорость, имеющаяся у тела относительно Земли, сохраняется на идеальных (гладких) горизонтальных поверхностях до тех пор, пока нет причин (действия других тел), приводящих к возникновению ускорения».

Галилей специально подчеркнул, что он рассматривает движение тел относительно поверхности Земли. Но обязательно ли выбирать в качестве системы отсчёта только Землю? Оказывается, нет — подходящих систем отсчёта очень много. Надо лишь понять критерий их выбора.

Почему ускоряющаяся машина была неподходящим телом для системы отсчёта? Потому что она двигалась с ускорением. А двигалась она с ускорением, потому что на неё действовали другие тела.
 

Ясно, что нужно выбирать такое тело, на которое не действуют другие тела. Такое тело называют свободным. В реальности найти тело, на которые совсем не действуют другие тела, невозможно, но можно найти тело, на которое действием других тел можно пренебречь из-за его малости. Например, можно выбрать тело далеко в межзвёздном пространстве, которое очень слабо притягивают далёкие звезды. Относительно такого тела, как и относительно поверхности Земли, закон инерции будет справедлив.
 

Поскольку движение тела без воздействия на него других тел называют инерциальным, то и системы отсчёта, связанные с такими телами, называют инерциальными.

Поэтому закон инерции Галилея можно обобщить с Земли на все инерциальные системы отсчёта.

Великий английский физик Исаак Ньютон пришёл к выводу, что хотя реальные тела и не являются идеально свободными (так как небольшое воздействие со стороны других тел на них всё же есть), инерциальные системы отсчёта (ИСО) в принципе существуют. Так мы пришли к краткой формулировке первого закона Ньютона.

В дальнейшем при решении задач и рассуждениях мы будем выбирать в качестве инерциальных систем отсчёта поверхность Земли либо тела, которые покоятся или движутся относительно поверхности Земли с постоянной скоростью.
 

Приведём теперь современную формулировку первого закона Ньютона.

Итоги

• Свободным телом называют такое тело, на которое не действуют другие тела.
• Систему отсчёта называют инерциальной, если в ней свободное тело движется равномерно прямолинейно или покоится.
• Первый закон Ньютона. Краткая формулировка: инерциальные системы отсчёта существуют.
• Первый закон Ньютона. Полная формулировка: существуют такие (инерциальные) системы отсчёта, относительно которых свободное точечное тело покоится или движется равномерно прямолинейно.