Інерційні системи відліку. Перший закон Ньютона. Які системи відліку називають інерційними? Приклади інерційної системи відліку Приклади інерції та інерційних систем відліку

Перший закон Ньютона (закон інерції)

Існують системи відліку, звані інерційними(далі $-$ ІСО), в яких будь-яке тіло знаходиться в стані спокою або рухається рівномірно і прямолінійно, якщо на нього не діють інші тіла або дія цих тіл компенсована. У таких системах тіло зберігатиме початковий стан спокою або рівномірного прямолінійного рухудоти, доки дія інших тіл не змусить його змінити цей стан.

ISO-$ особливий клас систем відліку, в яких прискорення тіл обумовлені тільки реальними силами, що діють на тіла, а не властивостями систем відліку. Як наслідок, якщо на тіло не діють жодні сили або їх дія компенсована $\vec(R_())=\vec(F_1)+\vec(F_2)+\vec(F_3)+…=\vec(0_()) $, то тіло або змінює свою швидкість $\vec(V_())=\vec(const)$ і рухається поступово прямолінійно або лежить $\vec(V_())=\vec(0_())$.

Інерційних систем існує безліч. Система відліку, пов'язана з поїздом, що йде з постійною швидкістюпрямолінійною ділянкою шляху, – теж інерційна система (приблизно), як і система, пов'язана із Землею. Всі ІСО утворюють клас систем, які рухаються одна щодо одної рівномірно і прямолінійно. Прискорення будь-якого тіла у різних ІСО однакові.

Як встановити, що ця система відліку є інерційною? Це можна зробити лише досвідченим шляхом. Спостереження показують, що дуже високим ступенемточності можна вважати інерційною системою відліку геліоцентричну систему, у якої початок координат пов'язаний із Сонцем, а осі спрямовані на певні «нерухомі» зірки. Системи відліку, жорстко пов'язані з поверхнею Землі, строго кажучи, є інерційними, оскільки Земля рухається орбітою навколо Сонця і навіть обертається навколо своєї осі. Однак при описі рухів, що не мають глобального (тобто всесвітнього) масштабу, системи відліку, пов'язані із Землею, можна з достатньою точністю вважати інерційними.

Інерційними є системи відліку, які рухаються рівномірно і прямолінійно щодо будь-якої інерційної системи відліку.

Галілей встановив, що ніякими механічними дослідами, поставленими всередині інерційної системи відліку, неможливо встановити, чи ця система спочиває або рухається рівномірно і прямолінійно. Це твердження має назву принципу відносності Галілея, або механічного принципу відносності.

Цей принцип був згодом розвинений А. Ейнштейном і є одним із постулатів спеціальної теорії відносності. ІСО грають у фізиці виключно важливу роль, оскільки, згідно з принципом відносності Ейнштейна, математичний вираз будь-якого закону фізики має однаковий вигляд у кожній ІСО.

Неінерційна система відліку$-$ система розрахунку, що не є інерційною. У цих системах не працює властивість, описана в законі інерції. По суті, будь-яка система відліку, що рухається щодо інерційної з прискоренням, буде неінерційною.

На будь-яке тіло можуть впливати інші тіла, що його оточують, внаслідок чого може змінитися стан руху (спокою) тіла, що спостерігається. Разом про те такі впливу може бути скомпенсовані (врівноважені) і викликати таких змін. Коли кажуть, що дії двох або кількох тіл компенсують одна одну, то це означає, що результат їхньої спільної дії такий самий, якби цих тіл зовсім не було. Якщо вплив на тіло інших тіл компенсується, то щодо Землі тіло перебуває або у спокої, або рухається прямолінійно та рівномірно.

Таким чином, ми приходимо до одного з основних законів механіки, який називається першим законом Ньютона.

1-й закон Ньютона (закон інерції)

Існують такі системи відліку, в яких тіло, що поступово рухається, знаходиться в стані спокою або рівномірного прямолінійного руху (руху за інерцією) до тих пір, поки впливи з боку інших тіл не виведуть його з цього стану.

Стосовно сказаного зміна швидкості тіла (тобто прискорення) завжди викликається впливом на це тіло будь-яких інших тіл.

1-й закон Ньютона виконується тільки в інерційній системі відліку.

Визначення

Системи відліку, щодо яких тіло, яке не відчуває на собі впливу інших тіл, спочиває або рухається рівномірно і прямолінійно, називаються інерційними.

Встановити, чи ця система відліку інерційною, можна лише досвідченим шляхом. У більшості випадків можна вважати інерційними системи відліку, пов'язані із Землею або з тілами відліку, які по відношенню до земної поверхні рухаються рівномірно та прямолінійно.

Малюнок 1. Інерційні системи відліку

В даний час експериментально підтверджено, що практично інерційна геліоцентрична система відліку, пов'язана з центром Сонця та трьома "нерухомими" зірками.

Будь-яка інша система відліку, що рухається щодо інерційної рівномірно та прямолінійно, сама є інерційною.

Галілей встановив, що ніякими механічними дослідами, поставленими всередині інерційної системи відліку, неможливо встановити, чи ця система спочиває або рухається рівномірно і прямолінійно. Це твердження має назву принципу відносності Галілея, або механічного принципу відносності.

Цей принцип був згодом розвинений А. Ейнштейном і є одним із постулатів спеціальної теорії відносності. ІСО грають у фізиці виключно важливу роль, оскільки, згідно з принципом відносності Ейнштейна, математичний вираз будь-якого закону фізики має однаковий вигляд у кожній ІСО.

Якщо тіло відліку рухається з прискоренням, то пов'язана з ним система відліку є неінерційною, і в ній перший закон Ньютона несправедливий.

Властивість тіл зберігати у часі свій стан (швидкість руху, напрямок руху, стан спокою тощо) називають інертністю. Саме явище збереження швидкості тілом, що рухається, за відсутності зовнішніх впливів називається інерцією.

Рисунок 2. Прояви інерції в автобусі на початку руху та гальмування

З проявом інертності тіл часто зустрічаємося у повсякденності. При різкому прискоренні автобуса пасажири, що у ньому, нахиляються назад (рис.2,а), а при різкому гальмуванні автобуса нахиляються вперед (рис.2,б), а повороті автобуса вправо - до лівої стінки. При великому прискоренні літака, що злітає, тіло пілота, прагнучи зберегти початковий стан спокою, притискається до сидіння.

Інертність тіл наочно проявляється при різкій зміні прискорень тіл системи, коли інерційна система відліку змінюється неінерційною, і навпаки.

Інертність тіла прийнято характеризувати його масою (інертною масою).

Сила, що діє на тіло з боку неінерційної системи відліку, називається силою інерції.

Якщо на тіло в неінерційній системі відліку одночасно діють декілька сил, одні з яких є "звичайними" силами, а інші - інерційними, то тіло буде відчувати одну результуючу силу, що є векторною сумою всіх сил, що діють на нього. Ця результуюча сила не є силою інерції. Сила інерції – це лише складова результуючої сили.

Якщо паличку, що підвішена на двох тонких нитках, повільно потягнути за шнур, прикріплений до її центру, то:

1. паличка зламається;
2. обірветься шнур;
3. обірветься одна з ниток;
4. можливий будь-який варіант, залежно від прикладеної сили

Малюнок 4

Сила прикладена до середини палички, у місці підвісу шнура. Оскільки, за 1 законом Ньютона, будь-яке тіло має інертність, частина палички в точці підвісу шнура буде рухатися під дією прикладеної сили, а інші частини палички, на які сила не діє, залишаться в спокої. Тому зламається паличка у точці підвісу.

Відповідь. Правильна відповідь 1.

Людина везе двоє зв'язаних саней, прикладаючи силу під кутом 300 до горизонту. Знайдіть цю силу, якщо відомо, що сани рухаються поступово. Маси саней по 40 кг. Коефіцієнт тертя 0,3.

$т_1$ = $т_2$ = $m$ = 40 кг

$(\mathbf \mu)$ = 0,3

$(\mathbf \alpha )$=$30^(\circ)$

$g$ = 9.8 м/с2

Малюнок 5

Так як сани рухаються з постійною швидкістю, то за першим законом Ньютона сума сил, що діють на сани, дорівнює нулю. Запишемо перший закон Ньютона для кожного тіла відразу в проекції на осі, і додамо закон сухого тертя Кулона для саней:

Вісь ОХ Вісь OY

\[\left\( \begin(array)(c) T-F_(тр1)=0 \\ F_(тр1)=\mu N_1 \\ F_(тр2)=\mu N_2 \\ F(cos \alpha - \ )F_(тр2)-T=0 \end(array) \right.\left\( \begin(array)(c) \end(array) \right.\]

$F=\frac(2\mu mg)((cos \alpha \ )+\mu (sin \alpha \ ))=\ frac(2\cdot 0.3\cdot 40\cdot 9.8)((cos 30() ^\circ \ )+0.3\cdot (sin 30()^\circ \ ))=231.5\ H$

Пропонуємо до вашої уваги відеоурок, присвячений темі «Інерційні системи відліку. Перший закон Ньютона», яка входить до шкільний курсфізики за 9 клас. На початку заняття викладач нагадає про важливість обраної системи відліку. А потім розповість про правильність та особливості обраної системи відліку, а також пояснить термін «інерція».

на попередньому уроціми говорили про важливість вибору системи відліку. Нагадаємо, що від того, як ми оберемо СО, залежатимуть траєкторія, пройдений шлях, швидкість. Є ще низка особливостей, пов'язаних із вибором системи відліку, саме про них і поговоримо.

Мал. 1. Залежність траєкторії падіння вантажу від вибору системи відліку

У сьомому класі ви вивчали поняття «інерція» та «інертність».

Інерція – це явище, при якому тіло прагне зберегти свій первісний стан. Якщо тіло рухалося, воно має прагнути до того, щоб зберігати швидкість цього руху. А якщо воно спочивало, то прагнутиме зберегти свій стан спокою.

Інертність – це властивістьтіла зберігатиме стан руху.Властивість інертності характеризується такою величиною, як маса. Маса – міра інертності тіла. Чим тіло важче, тим його важче зрушити з місця або навпаки зупинити.

Зверніть увагу на те, що ці поняття мають безпосереднє відношення до поняття. інерційна система відліку»(ІСО), про яку йтиметься нижче.

Розглянемо рух тіла (чи стан спокою) у разі, якщо тіло не діють інші тіла. Висновок про те, як поводитиметься тіло без дії інших тіл, вперше було запропоновано Рене Декартом (рис. 2) і продовжено в дослідах Галілея (рис. 3).

Мал. 2. Рене Декарт

Мал. 3. Галілео Галілей

Якщо тіло рухається і на нього не діють інші тіла, то рух зберігатиметься, воно залишатиметься прямолінійним і рівномірним. Якщо ж на тіло не діють інші тіла, а тіло спочиває, то зберігатиметься стан спокою. Але відомо, що стан спокою пов'язаний із системою відліку: в одній СО тіло спочиває, а в іншій цілком успішно і прискорено рухається. Результати дослідів і міркувань призводять до висновку про те, що не у всіх системах відліку тіло рухатиметься прямолінійно і рівномірно або перебуватиме у стані спокою за відсутності дії на нього інших тіл.

Отже, для вирішення головного завдання механіки важливо вибрати таку систему звіту, де все-таки виконується закон інерції, де зрозуміла причина, що спричинила зміну руху тіла. Якщо тіло рухатиметься прямолінійно і рівномірно у відсутності дії інших тіл, така система відліку буде для нас кращою, а називатися вона буде інерційною системою відліку(ІСО).

Погляд Аристотеля на причину руху

Інерційна система відліку – це зручна модель для опису руху тіла та причин, які викликають такий рух. Вперше це поняття виникло завдяки Ісааку Ньютону (рис. 5).

Мал. 5. Ісаак Ньютон (1643-1727)

Стародавні греки уявляли собі рух зовсім інакше. Ми познайомимося з арістотелівською точкою зору на рух (рис. 6).

Мал. 6. Арістотель

Згідно з Аристотелем, існує єдина інерційна система відліку - система відліку, пов'язана із Землею. Всі інші системи відліку, за Арістотелем, другорядні. Відповідно, всі рухи можна розбити на два види: 1) природні, тобто ті, що повідомляє Земля; 2) вимушені, тобто решта.

Найпростіший приклад природного руху - це вільне падіння тіла Землю, оскільки Земля у разі повідомляє тілу швидкість.

Розглянемо приклад примусового руху. Це ситуація, коли кінь тягне віз. Поки кінь докладає силу, віз рухається (рис. 7). Як тільки кінь зупинився, зупинився і віз. Немає сили – немає швидкості. Згідно з Аристотелем, саме сила пояснює у тіла наявність швидкості.

Мал. 7. Примусовий рух

Досі деякі люди вважають справедливою точку зору Аристотеля. Наприклад, полковник Фрідріх Краус фон Циллергут з «Пригоди бравого солдата Швейка під час світової війни» намагався проілюструвати принцип «Немає сили – немає швидкості»: «Коли весь бензин вийшов, – казав полковник, – автомобіль змушений був зупинитися. Це я сам учора бачив. І після цього ще говорять про інерцію, панове. Не їде, стоїть, з місця не рушає. Нема бензину! Чи не смішно?»

Як і в сучасному шоу-бізнесі, там, де є шанувальники, завжди знайдуться і критики. З'являлися критики і в Аристотеля. Вони пропонували йому зробити наступний експеримент: відпустіть тіло, і воно впаде точно під тим місцем, де ми його відпустили. Наведемо приклад критики теорії Аристотеля, аналогічний прикладам його сучасників. Уявіть, що літак, що летить, викидає бомбу (рис. 8). Чи бомба впаде рівно під тим місцем, де ми її відпустили?

Мал. 8. Ілюстрація наприклад

Звичайно ж ні. Але це природний рух - рух, яке повідомила Земля. Тоді що змушує цю бомбу переміщатися ще й уперед? Аристотель відповідав так: справа в тому, що природний рух, який повідомляє Земля, - це падіння строго вниз. Але під час руху повітря бомба захоплюється його завихреннями, і це завихрення хіба що штовхають бомбу вперед.

Що ж буде, якщо повітря прибрати та створити вакуум? Адже якщо повітря не буде, то, згідно з Аристотелем, бомба має впасти строго під тим місцем, де її покинули. Аристотель стверджував, якщо повітря не буде, то така ситуація можлива, але насправді в природі не буває порожнечі, вакууму немає. А якщо немає вакууму – немає й проблеми.

І лише Галілео Галілей сформулював принцип інерції у тому вигляді, до якого ми звикли. Причина зміни швидкості - це на тіло інших тіл. Якщо на тіло не діють інші тіла або ця дія компенсована, то швидкість тіла змінюватися не буде.

Можна провести такі міркування щодо інерційної системи відліку. Уявіть ситуацію, коли рухається автомобіль, потім водій вимикає двигун і далі автомобіль рухається за інерцією (рис. 9). Але це некоректне твердження з тієї простої причини, що з часом автомобіль зупиниться внаслідок дії сили тертя. Тому в даному випадку не буде рівномірного руху- Одна з умов відсутня.

Мал. 9. Швидкість автомобіля змінюється внаслідок дії сили тертя

Розглянемо інший випадок: з постійною швидкістю рухається великий, великий трактор при цьому він тягне великий вантаж ковшем. Такий рух можна розглядати як прямолінійний і рівномірний, тому що в цьому випадку всі сили, які діють на тіло, компенсовані, врівноважують одна одну (рис. 10). Отже, систему відліку, пов'язану з цим тілом, ми можемо вважати інерційною.

Мал. 10. Трактор рухається рівномірно та прямолінійно. Дія всіх тіл компенсована

Інерційних систем відліку може бути дуже багато. Реально така система відліку все-таки ідеалізована, оскільки при найближчому розгляді таких систем відліку в повному розумінні немає. ISO - це якась ідеалізація, яка дозволяє ефективно моделювати реальні фізичні процеси.

Для інерційних систем відліку справедлива формула складання швидкостей Галілея. Також зауважимо, що всі системи відліку, про які ми говорили до цього, можна вважати інерційними у деякому наближенні.

Вперше сформулював закон, присвячений ISO, Ісаак Ньютон. Заслуга Ньютона полягає в тому, що він перший науково показав, що швидкість тіла, що рухається, змінюється не миттєво, а в результаті якоїсь дії з плином часу. Ось цей факт і ліг в основу створення закону, який ми називаємо першим законом Ньютона.

Перший закон Ньютона : існують такі системи відліку, в яких тіло рухається прямолінійно і рівномірно або перебуває у стані спокою в тому випадку, якщо на тіло не діють сили або всі сили, що діють на тіло, компенсовані. Такі системи відліку називаються інерційними.

Інакше іноді говорять так: інерційною системою відліку називається така система, в якій виконуються закони Ньютона.

Чому Земля – неінерційна СО. Маятник Фуко

У велику кількістьзадач необхідно розглядати рух тіла щодо Землі, причому Землю ми вважаємо інерційною системою відліку. Виявляється, це твердження не завжди є справедливим. Якщо розглядати рух Землі щодо своєї осі чи зірок, це рух відбувається з деяким прискоренням. СО, яка рухається з певним прискоренням неспроможна вважатися інерційною у сенсі.

Земля обертається навколо своєї осі, а значить усі точки, що лежать на її поверхні, безперервно змінюють напрямок своєї швидкості. Швидкість – векторна величина. Якщо її напрямок змінюється, з'являється деяке прискорення. Отже, Земля може бути правильної ИСО. Якщо підрахувати це прискорення для точок, що знаходяться на екваторі (точки, які мають максимальним прискореннямщодо точок, що знаходяться ближче до полюсів), то його значення буде . Індекс показує, що прискорення є доцентровим. У порівнянні з прискоренням вільного падіння, прискоренням можна знехтувати та вважати Землю інерційною системою відліку.

Проте за тривалих спостереженнях забувати про обертанні Землі не можна. Переконливо це засвідчив французький вчений Жан Бернар Леон Фуко (рис. 11).

Мал. 11. Жан Бернар Леон Фуко (1819-1868)

Маятник Фуко(рис. 12) - це масивний вантаж, що підвішений на дуже довгій нитці.

Мал. 12. Модель маятника Фуко

Якщо маятник Фуко вивести зі стану рівноваги, він описуватиме наступну траєкторію відмінну від прямої (рис. 13). Усунення маятника обумовлено обертанням Землі.

Мал. 13. Коливання маятника Фуко. Вид зверху.

Обертанням Землі обумовлений ще ряд цікавих фактів. Наприклад, у річках північної півкулі, як правило, правий берег крутіший, а лівий берег більш пологий. У річках південної півкулі – навпаки. Все це обумовлено саме обертанням Землі і сили Коріоліса, що з'являється в результаті цього.

До питання про формулювання першого закону Ньютона

Перший закон Ньютона: якщо на тіло не діють ніякі тіла або їхня дія взаємно врівноважена (компенсована), то це тіло перебуватиме в стані спокою або рухатиметься рівномірно та прямолінійно.

Розглянемо ситуацію, яка вкаже нам на те, що таке формулювання першого закону Ньютона необхідно підкоригувати. Уявіть собі поїзд із завішеними вікнами. У такому поїзді пасажир не може визначити, чи рухається поїзд по об'єктах зовні. Розглянемо дві системи відліку: ЗІ, пов'язана з пасажиром Володей та ЗІ, пов'язана із спостерігачем на платформі Катей. Потяг починає розганятися, швидкість його зростає. Що станеться із яблуком, яке лежить на столі? Воно за інерцією покотиться у протилежний бік. Для Каті буде очевидним, що яблуко рухається за інерцією, але для Володі це буде незрозуміло. Він не бачить, що поїзд почав рухатися, і раптом яблуко, що лежить на столі, починає на нього котитися. Як таке може бути? Адже, за першим законом Ньютона, яблуко має залишатися у стані спокою. Отже, слід удосконалити визначення першого закону Ньютона.

Мал. 14. Ілюстрація прикладу

Коректне формулювання першого закону Ньютоназвучить так: існують такі системи відліку, в яких тіло рухається прямолінійно і рівномірно або перебуває у стані спокою в тому випадку, якщо на тіло не діють сили або всі сили, що діють тіло, компенсовані.

Володя знаходиться у неінерційній системі відліку, а Катя – в інерційній.

Більшість систем, реальних систем відліку - неінерційні. Розглянемо простий приклад: сидячи в поїзді, ви поклали на стіл якесь тіло (наприклад, яблуко). Коли поїзд рушає з місця, ми спостерігатимемо таку цікаву картину: яблуко рухатиметься, покотиться в протилежний рух поїзда (рис. 15). В даному випадку ми не зможемо визначити, які тіла діють, змушують яблуко рухатися. І тут кажуть, що система неінерційна. Але можна вийти зі становища, ввівши силу інерції.

Мал. 15. Приклад неінерційної ЗІ

Ще один приклад: коли тіло рухається по закругленню дороги (рис. 16), виникає сила, яка змушує відхилятися тіло від прямолінійного напрямку руху. У цьому випадку ми теж маємо розглянути неінерційну систему відлікуАле, як і в попередньому випадку, теж можемо вийти зі становища, вводячи т.з. сили інерції.

Мал. 16. Сили інерції під час руху по закругленій траєкторії

Висновок

Систем відліку існує безліч, але серед них більшість - це ті, які ми інерційними системами відліку вважати не можемо. Інерційна система відліку – це ідеалізована модель. До речі, такою системою відліку ми можемо прийняти систему відліку, пов'язану із Землею чи будь-якими далекими об'єктами (наприклад, із зірками).

Список літератури

1. Кікоїн І.К., Кікоїн А.К. Фізика: Підручник для 9 класу середньої школи. - М: Просвітництво.
2. Перишкін А.В., Гутник О.М. фізика. 9 кл.: Підручник для загальноосвіт. установ/А. В. Перишкін, Є. М. Гутник. - 14-те вид., стереотип. – М.: Дрофа, 2009. – 300.
3. Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Фізика: Довідник із прикладами розв'язання задач. - 2-ге видання, переділ. – X.: Веста: Видавництво «Ранок», 2005. – 464 с.

1. Інтернет-портал «physics.ru» ()
2. Інтернет-портал «ens.tpu.ru» ()
3. Інтернет-портал «prosto-o-slognom.ru» ()

Домашнє завдання

1. Сформулюйте визначення інерційної та неінерційної систем відліку. Наведіть приклади таких систем.
2. Сформулюйте перший закон Ньютона.
3. В ІСО тіло перебуває у стані спокою. Визначте, чому значення його швидкості в ІСО, яка рухається щодо першої системи відліку зі швидкістю v?

Перший закон механіки, або закон інерції ( інерція– це властивість тіл зберігати свою швидкість за відсутності на нього інших тіл ), як його часто називають, було встановлено ще Галілеєм. Але строге формулювання цього закону дав і включив його до основних законів механіки Ньютон. Закон інерції відноситься до найпростішого випадку руху - руху тіла, на яке не впливають інші тіла. Такі тіла називаються вільними тілами.

Відповісти питанням, як рухаються вільні тіла, не звертаючись до досвіду, не можна. Однак не можна поставити жодного досвіду, який би в чистому вигляді показав, як рухається тіло, що ні з чим не взаємодіє, оскільки таких тіл немає. Як же бути?

Є лише один вихід. Треба створити для тіла умови, за яких вплив зовнішніх впливів можна робити меншим і меншим, і спостерігати, до чого це веде. Можна, наприклад, спостерігати за рухом гладкого каменю на горизонтальній поверхні після того, як йому повідомлено деяку швидкість. (Притягання каменю до землі врівноважується дією поверхні, яку він спирається, і швидкість його руху впливає лише тертя.) При цьому легко виявити, що чим гладкішою є поверхня, тим повільніше буде зменшуватися швидкість каменя. На гладкому льоду камінь ковзає дуже довго, помітно не змінюючи швидкості. Тертя можна зменшити до мінімуму за допомогою повітряної подушки - струмінь повітря, що підтримує тіло над твердою поверхнею, вздовж якої відбувається рух. Цей принцип використовується в водному транспорті(судна на повітряній подушці). На основі подібних спостережень можна укласти: якби поверхня була ідеально гладкою, то за відсутності опору повітря (у вакуумі) камінь зовсім не змінював своєї швидкості. Саме такого висновку вперше дійшов Галілей.

З іншого боку, неважко помітити, що коли швидкість тіла змінюється, завжди виявляється вплив на нього інших тіл. Звідси можна дійти висновку, що тіло, досить віддалене від інших тіл і тому не взаємодіє з ними, рухається з постійною швидкістю.

Рух відносно, тому має сенс говорити лише про рух тіла по відношенню до системи відліку, пов'язаної з іншим тілом. Відразу виникає питання: чи вільне тіло рухатиметься з постійною швидкістю по відношенню до будь-якого іншого тіла? Відповідь, звичайно, негативна. Так, якщо по відношенню до Землі вільне тіло рухається прямолінійно і рівномірно, то по відношенню до каруселі, що обертається, тіло свідомо так рухатися не буде.

Спостереження за рухами тіл і роздуми про характер цих рухів приводять нас до висновку про те, що вільні тіла рухаються з постійною швидкістю, принаймні по відношенню до певних тіл і пов'язаних з ними систем відліку. Наприклад, стосовно Землі. У цьому полягає головний зміст закону інерції.

Тому перший закон Ньютона може бути сформульований так:

існують такі системи відліку, щодо яких тіло (матеріальна точка) за відсутності на неї зовнішніх впливів (або їх взаємної компенсації) зберігає стан спокою або рівномірного прямолінійного руху.

Інерційна система відліку

Перший закон Ньютона стверджує (це з тим чи іншим ступенем точності можна перевірити на досвіді) про те, що інерційні системи існують насправді. Цей закон механіки ставить у особливе, привілейоване становище інерційні системи відліку.

Системи відліку, у яких виконується перший закон Ньютона, називають інерційними.

Інерційні системи відліку- Це системи, щодо яких матеріальна точка за відсутності на неї зовнішніх впливів або їх взаємної компенсації лежить або рухається рівномірно і прямолінійно.

Інерційних систем існує безліч. Система відліку, пов'язана з поїздом, що йде з постійною швидкістю прямолінійною ділянкою колії, – теж інерційна система (приблизно), як і система, пов'язана з Землею. Усі інерційні системи відліку утворюють клас систем, які рухаються одна щодо одної рівномірно і прямолінійно. Прискорення будь-якого тіла у різних інерційних системах однакові.

Як встановити, що ця система відліку є інерційною? Це можна зробити лише досвідченим шляхом. Спостереження показують, що з дуже високим ступенем точності можна вважати інерційною системою відліку геліоцентричну систему, у якої початок координат пов'язаний із Сонцем, а осі спрямовані на певні «нерухомі» зірки. Системи відліку, жорстко пов'язані з поверхнею Землі, строго кажучи, є інерційними, оскільки Земля рухається орбітою навколо Сонця і навіть обертається навколо своєї осі. Однак при описі рухів, що не мають глобального (тобто всесвітнього) масштабу, системи відліку, пов'язані із Землею, можна з достатньою точністю вважати інерційними.

Інерційними є системи відліку, які рухаються рівномірно та прямолінійно щодо будь-якої інерційної системи відліку.

Галілей встановив, що ніякими механічними дослідами, поставленими всередині інерційної системи відліку, неможливо встановити, чи спочиває ця система або рухається рівномірно і прямолінійно. Це твердження має назву принципу відносності Галілея або механічного принципу відносності.

Цей принцип був згодом розвинений А. Ейнштейном і є одним із постулатів спеціальної теорії відносності. Інерційні системи відліку відіграють у фізиці виключно важливу роль, оскільки, згідно з принципом відносності Ейнштейна, математичний вираз будь-якого закону фізики має однаковий вигляд у кожній інерційній системі відліку. Надалі ми користуватимемося лише інерційними системами (не згадуючи про це щоразу).

Системи відліку, у яких перший закон Ньютона не виконується, називають неінерційнимі.

До таких систем належить будь-яка система відліку, що рухається з прискоренням щодо інерційної системи відліку.

У механіці Ньютона закони взаємодії тіл формулюються для класу інерційних систем відліку.

Прикладом механічного експерименту, в якому проявляється неінерційність системи, пов'язаної із Землею, є поведінка. маятника Фуко. Так називається масивна куля, підвішена на досить довгій нитці і здійснює малі коливання біля положення рівноваги. Якби система, пов'язана із Землею, була інерційною, площина хитань маятника Фуко залишалася б незмінною щодо Землі. Насправді площина хитання маятника внаслідок обертання Землі повертається, і проекція траєкторії маятника на поверхню Землі має вигляд розетки (рис. 1). Мал. 2

Література

1. Відкрита фізика 2.5 (http://college.ru/physics/)
2. Фізика: Механіка. 10 кл.: Навч. для поглибленого вивчення фізики/М.М. Балашов, А.І. Гомонова, А.Б. Долицький та ін; За ред. Г.Я. М'якішева. - М.: Дрофа, 2002. - 496 с.

Загальний курс фізики

Вступ.

Фізика (грец., від physis - природа), наука про природу, що вивчає найпростіші і водночас найбільше загальні властивостіматеріального світу (закономірності явищ природи, властивості та будова матерії та закони її руху). Поняття фізики та її закони лежать в основі всього природознавства. Фізика відноситься до точних наук та вивчає кількісні закономірності явищ. Тому, звісно, ​​мовою фізики є математика.

Матерія може існувати у двох основних формах: речовина та поле. Вони взаємопов'язані між собою.

Приклади: щество – тверді тіла, рідини, плазми, молекули, атоми, елементарні частинки і т.д.

Поле– електромагнітне поле (кванти (порції) поля – фотони);

гравітаційне поле (кванти поля – гравітони).

Взаємозв'язок речовини та поля- анігіляція електронно-позитронної пари.

Фізика, безумовно, є світоглядною наукою, а знання її основ – необхідний елемент будь-якої освіти, культури сучасної людини.

У той же час фізика має велике прикладне значення. Саме їй завдячує абсолютна більшість технічних, інформаційних та комунікаційних досягнень людства.

Більше того, останні десятиліття фізичні методиДослідження знаходять все більше застосування в, здавалося б, далеких від фізики науках, таких як соціологія та економіка.

Класична механіка

Механіка – розділ фізики, в якому вивчається найпростіша форма руху матерії – переміщення тіл у просторі та часі.

Спочатку основні принципи (закони) механіки як науки були сформульовані І. Ньютон у вигляді трьох законів, що отримали його ім'я.

Використовуючи векторний спосіб опису, швидкість можна визначити як похідну від радіус-вектора точки чи тіла , а маса виступає тут як коефіцієнт пропорційності.

1. При взаємодії двох тіл кожне з них діє інше тіло з однаковою за значенням, але протилежною за напрямом силою.

Ці закони випливають із досвіду. Там побудована вся класична механіка. Тривалий час вважалося, що це явища можуть бути описані цими законами. Однак з часом розширювалися межі людських можливостей, і досвід показав, що закони Ньютона справедливі не завжди, а класична механіка, як наслідок, має певні межі застосування.

Крім того, трохи пізніше ми звернемося до класичної механіки з дещо іншого боку – виходячи із законів збереження, які в певному сенсі є більш загальними законамифізики, ніж закони Ньютона.

1.2. Межі застосування класичної механіки.

Перше обмеження пов'язане зі швидкостями об'єктів, що розглядаються. Досвід показав, що закони Ньютона залишаються справедливими лише за умови де швидкість світла у вакуумі ( ). При цих швидкостях лінійні масштаби та проміжки часу не змінюються під час переходу від однієї системи відліку до іншої. Тому простір та час абсолютніу класичній механіці.

Отже, класична механіка визначає рух із малими відносними швидкостями, тобто. це нерелятивістська фізика. Обмеження з боку великих швидкостей – це перше обмеження застосування класичної механіки Ньютона.

Крім того, досвід показує, що застосування законів ньютонівської механіки неправомірно до опису мікрооб'єктів: молекул, атомів, ядер, елементарних частинокі т.д. Починаючи з розмірів

(), адекватний опис явищ, що спостерігаються, дають інші

закони – квантові. Саме їх необхідно використовувати, коли характерна величина, яка описує систему та має розмірність Скажімо, для електрона, що знаходиться в атомі, маємо . Тоді величина, що має розмірність моменту імпульсу, дорівнює: .

Будь-яке фізичне явище– це послідовність подій. Подієюназивається те, що відбувається в даній точці простору на даний момент часу.

Для опису подій вводяться простір та час- Категорії, що позначають основні форми існування матерії. Простір висловлює порядок існування окремих об'єктів, а час – порядок зміни явищ. Простір та час необхідно розмітити. Розмітка здійснюється шляхом введення тіл відліку та реперних (масштабних) тіл.

Системи відліку. Інерційні системи відліку.

Для опису руху тіла або моделі, що використовується – матеріальної точкиможе бути застосований векторний спосібописи, коли положення об'єкта, що цікавить нас, задають за допомогою радіус-вектора відрізка, спрямованого від тіла відліку в точку, що цікавить нас, положення якої в просторі може змінюватися з часом. Геометричне місце кінців радіус-вектора називають траєкторієюрухомої точки.

2.1. Системи координат.

Іншим способом опису руху тіла є координатний, В якому з тілом відліку жорстко пов'язують певну систему координат.

У механіці, й у фізиці взагалі, у різних завданнях зручно користуватися різними системами координат. Найчастіше використовуються, так звані, декартова, циліндрична та сферичнасистеми координат.

1) Декартова система координат: вводяться три взаємно перпендикулярні осі із заданими масштабами по всіх трьох осях (лінійки). Початок відліку по всіх осях береться від тіла. Межі зміни кожної координат від до .

Радіус-вектор, що задає положення точки, визначається через її координати як

. (2.1)

Малий об'єм у декартовій системі:

,

або в нескінченно малих приростах:

(2.2)

2) Циліндрична система координат: як змінні вибираються відстань від осі , кут повороту від осі x і висота вздовж осі від тіла відліку.

3) Сферична система координат: вводиться відстань від тіла відліку до точки і кути, що цікавить.

повороту і , що відраховуються від осей і відповідно.

Радіус-вектор – функція змінних

,

межі зміни координат:

Декартові координатипов'язані зі сферичними наступними співвідношеннями

(2.6)

Елемент обсягу в сферичних координатах:

(2.7)

2.2. Система відліку.

Для побудови системи відліку жорстко пов'язану із тілом відліку систему координат необхідно доповнити годинами. Годинник може знаходитися в різних точках простору, тому його потрібно синхронізувати. Синхронізація годинника здійснюється за допомогою сигналів. Нехай час поширення сигналу з точки, де сталася подія, до точки спостереження дорівнює . Тоді наш годинник повинен у момент появи сигналу показувати час , якщо годинник у точці події в момент його наступу показує час . Такий годинник будемо вважати синхронізованим.

Якщо відстань від точки простору, де сталася подія, до точки спостереження, а швидкість передачі сигналу, то . У класичній механіці приймається, що швидкість розповсюдження сигналу . Тому вводиться один годинник у всьому просторі.

Сукупність тіла відліку, системи координат та годинутворюють Систему відліку(З).

Є безліч систем відліку. Досвід дає, що поки невеликі швидкості в порівнянні зі швидкістю світла , лінійні масштаби та проміжки часу не змінюютьсяпід час переходу з однієї системи відліку до іншої.

Інакше кажучи, у класичній механіці простір та час абсолютні.

Якщо , то масштаби та інтервали часу залежить від вибору СО, тобто. простір та час стають поняттями відносними. Це вже область релятивістської механіки.

2.3.Інерційні системи відліку(ІСО).

Отже, ми стоїмо перед вибором системи відліку, де могли б вирішувати завдання механіки (описувати рух тіл і встановлювати причини, що його викликають). З'ясовується, що далеко не всі системи відліку рівноправні не тільки при формальному описі завдання, але, що важливіше, по-різному становлять причини, що викликають зміну стану тіла.

Систему відліку, в якій закони механіки формулюються найпростіше, дозволяє встановити перший закон Ньютона, який постулює існування інерційних систем відліку- ІСО.

I закон класичної механіки – закон інерції Галілея-Ньютона.

Існує така система відліку, в якій матеріальна точка, якщо виключити її взаємодію з рештою тіла, буде рухатися за інерцією, тобто. зберігати стан спокою чи рівномірного прямолінійного руху.

Це інерційна система відліку (ІСО).

В ІСО зміна руху матеріальної точки (прискорення) зумовлено лише її взаємодією з іншими тілами, але не залежить від властивостей самої системи відліку.