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

Динамика

До этого момента мы рассматривали движение тел с постоянной скоростью или с постоянным ускорением. Мы научились определять координату таких тел в любой момент времени, но не выясняли причину, почему то или иное тело так движется. Например, не выясняли, при каких условиях тело движется прямолинейно и равномерно, а при каких его скорость начинает изменяться, т. е. оно движется ускоренно. Теперь мы ответим на эти вопросы.

Для упрощения мы по-прежнему будем изучать только прямолинейное движение точечных тел.

Действие одного тела на другое. Закон инерции

Представим, что на горизонтальной поверхности земли стоит тележка, на которую не действуют другие тела (рис. 1, а). Наш опыт говорит о том, что тележка сколь угодно долго будет сохранять состояния покоя относительно земли с $v_0$ = 0. Т. к. скорость тележки не меняется ($∆v$ = 0), то и её ускорение равно нулю:
 

$a = \frac{∆v}{t} = \frac{0}{t} = 0$.
 

Пусть теперь человек оказывает на тележку механическое действие в направлении оси координат (рис. 1, б). Тележка приобретает скорость $v_1$ > 0 в этом направлении. При этом у тележки возникает ускорение $a_1$, направленное в сторону увеличения скорости:
 

$a_1 = \frac{∆v}{t} = \frac{v_1}{t}$.

Если мы будем толкать тележку сильнее (рис. 1, в), то за тот же промежуток времени t она приобретет большую скорость $v_2$ > $v_1$. Значит, её ускорение $a_2$ также будет больше:

$a_2 = \frac{∆v}{t} = \frac{v_2}{t}$;

$\frac{v_2}{t} > \frac{v_1}{t}$;

$a_2 > a_1$.
 

Пусть теперь мы тормозим тележку (рис. 1, г). Наше механическое действие направлено против начальной скорости тележки $v_0$, скорость тележки уменьшается до $v_1$ < $v_0$, и её ускорение отрицательно, т. к. $v_1$ − $v_0$ < 0.

$a = \frac{∆v}{t} = \frac{v_1 - v_0}{t} < 0$.

Рис. 1. К пояснению явления инерции

Подведя итог вышесказанному, сделаем два важных для динамики вывода.

Представим теперь, что тележка получила начальную скорость и движется прямолинейно. Что будет происходить со скоростью тележки, если на неё не действовать?
 

Из предыдущего вывода ясно, что поскольку скорость — величина относительная, то если действия на тело нет, оно будет сохранять свою начальную скорость (неважно, равную нулю или нет). Другими словами, при отсутствии действия на тело оно будет продолжать двигаться с той же скоростью.

Рис. 2. Лошадь не тянет — телега не едет

Данный вывод кажется неправдоподобным. В Древней Греции, например, считали, что тележка обязательно остановится. И чтобы поддерживать скорость тележки постоянной, нужно её постоянно тянуть. Житейский опыт очень нагляден: пока лошадь тянет телегу, она едет. Если телегу не тянуть, то она остановится (рис. 2).

Очевидно, что в примере с лошадью тормозящее воздействие на телегу было, причём весьма заметное, и связано оно было с трением колёс и их осей. Поэтому противоречия здесь нет. Тело останавливается, т. к. воздействие на него противоположно начальной скорости, как на рисунке 1, г. В общем, приведённый житейский пример с лошадью и телегой не годится для ответа на поставленный вопрос.
 

Как же всё-таки выяснить, будет ли тело сохранять скорость постоянной, если на него не действовать? Опытным путём это выяснил уже знакомый вам Галилео Галилей. Он изготовил наклонную плоскость, с которой с одинаковой высоты скатывал шары (рис. 3). Галилей установил, что чем более гладкая последующая горизонтальная поверхность, тем дальше уезжает шарик и тем медленнее падает его скорость. В пределе идеально гладкой поверхности шарик будет двигаться бесконечно долго с постоянной скоростью.

Рис. 3. Опыт Галилея, в котором он открыл закон инерции

Обобщив результаты своих опытов, Галилей сформулировал закон инерции.

Итоги

• Признаком механического действия на тело является изменение скорости тела, т. е. появление у тела отличного от нуля ускорения относительно Земли.
• Закон 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.
• Движение тела без воздействия на него других тел называют движением по инерции.