Властелин механики. 7 великих законов в понятном изложении

Давайте сформулируем первый закон Ньютона так, как это обычно сделано в учебниках.

Существуют такие системы отсчета, называемые инерциальными, в которых тела движутся равномерно и прямолинейно, если на них не действуют никакие силы или действие других сил скомпенсировано.

Вот, вроде бы, мало написано. Но о чём тут вообще? Если вы впервые читаете такую формулировку, то запутаться совсем несложно. Да и уже имея знания по физике и подзабыв что-то, потерять мысль рассуждения вполне вероятно.

Первая мысль, которая появляется при прочтении этих строк – для чего это вообще и что это за бред? Да, именно бред. Набор слов и не более. Такие мысли возникают у большинства читателей.

Когда нам рассказывают про этот закон в школе, аналитическое мышление ещё не до конца сформировано и жизненного опыта маловато. Закон кажется нам набором слов, а память об этом закрепляется на всю жизнь. Поэтому, сейчас будем разбирать вопрос буквально по буквам.

После нашей аналитической работы вы будет воспринимать первый закон Ньютона как один из фундаментальных законов механики, а не что-то там из учебника.

Вся сложность ни в первом законе, а в мудреной формулировке. Оно как на древнерусском языке написано.

Существуют такие системы отсчёта… Стоп-слово системы отсчёта. Что такое система отсчёта? Ничего сверхъестественного!

В данном случае, это обстоятельство указывает на принадлежность рассматриваемых тел к одной системе отсчёта.

Системой отсчета называется совокупность неподвижных относительно друг друга тел (тело отсчёта), по отношению к которым рассматривается движение (в связанной с ними системе координат), и отсчитывающих время часов (системы отсчёта времени), по отношению к которой рассматривается движение каких-либо тел. Если коротко и просто – то это пространство, в котором мы перемещаемся, и часы, а также точка отсчёта, от которой мы отмеряем расстояние. Всё это необходимо для того, чтобы в дальнейшем иметь возможность сопоставить разные виды движения и движения разных тел, а также правильно выполнить расчёты.

Рис.31. Система отсчёта

Например, если мы едем на поезде и проезжаем мимо станции, то можно рассматривать и поезд, и станцию в одной системе отсчёта, а можно как разные.

В одной общей системе отсчёта, привязанной к станции, поезд будет ехать, а станция стоять.

В другой, привязанной к поезду, поезд будет стоять, а станция проедет мимо.

Мы можем сидеть на стуле в комнате, а земля в это время крутится. Относительно земли мы сидим, а относительно пространства или, скажем, луны, мы вращаемся.

Именно это обстоятельство и обозначается понятием система отсчёта.

Хорошо, когда речь идёт о таких безобидных ситуациях. Но если говорить про аварии на дорогах, то там уже система отсчёта не кажется такой бесполезной штукой. Ведь в системе автомобиль-водитель, скорости при встречном столкновении с другим автомобилем будут суммироваться, что делает столкновение ещё более опасным. Значит, нужно правильно рассчитать нагрузку, чтобы укрепить автомобиль подходящим образом. Для этого нужно правильно выбрать систему отсчёта и вникнуть в понятие относительности движения.

Следующее новое слово – инерциальная система отсчёта.

Всё тоже очень просто. Это система отсчёта, в которой существует инерция. Инерциальной называется система отсчёта, по отношению к которой пространство является однородным и изотропным, а время – однородным. Или, если перевести это на нормальный язык, то это система отсчёта, в которой все свободные тела движутся прямолинейно и равномерно либо покоятся.

Что такое инерция? Это мы, пожалуй, выделим даже в отдельный пункт. Больно важная понятие в физической теории, которое будет преследовать нас постоянно.

Что такое инерция в физике

Инерция есть способность тела сохранять скорость как по направлению, так и по величине, при отсутствии воздействий на тело или компенсации этих действий.

Рис.32. Примерно так инерция работает на практике. Платформа только тронулась и человек падает.

Если поезд разгоняется, мы начинаем падать противонаправлено его движению, когда тормозит – падаем вперед. Вот она инерция. Врезаемся передним колесом велосипеда в бордюр и что-то тянет нас через руль. Опять инерция.

Она появляется в следствие того, что у тела есть некоторая собственная масса. И в случае с поездом, эта масса продолжает своё свободное движение по инерции, тогда как колёса поезда уже тормозятся.

Как мы помним, первый закон Ньютона – это ещё и закон инерции. Количество инерции пропорционально массе. Правда тут стоит отметить некоторый парадокс, обозначенный Эйнштейном. Он установил в своё время, что инерционность одной массы будет зависеть от расстояния до других масс. Чем это расстояние больше, тем меньше будет инерция тела, удаленного от других масс. Значит, инерция зависит не только от массы, но и от взаимного расположения тел, но пока забудем об этом.

Отношение к понятию инерция в физике вообще не однозначное. Большая часть ученых приходят к выводу, что никакой инерции не существует и рассматривать её как силу ни в коем случае нельзя. Допускается воспринимать это понятие только как механизм, упрощающий наше взаимодействие с окружающим миром.

Причиной же инерции (стоит дописать – по последним данным) считается воздействие на тело поля Хиггса, которое ускоряет частицы, придавая им некоторые свойства. Согласно этой гипотезе, существует всепроницающее вакуумное поле Хиггса, и при ускорениях масс поле создает инерцию массы.

Но мы уже слишком далеко отошли от механики. Для нас сейчас принципиально разобраться в самой Ньтоновской закономерности. Поэтому, продолжаем анализировать первый закон.

Следующее, что там было отмечено – это что тела движутся равномерно и прямолинейно.

Здесь, наверное, ничего пояснять и не нужно.

Прямолинейно – это по прямой линии. Равномерно – значит за любые равные промежутки времени проходит одно и то же расстояние, и имеет неизменную скорость.

На них не действуют никакие силы… Для чего это обозначается?

В реальной жизни и в нашем пространстве, мы всегда испытываем действия каких-либо сил.

Если санки катятся с горы, то на них, как минимум, действует сила притяжения Земли и сила трения, возникающая между полозьями и снегом. Представить себе обратную ситуацию в реальной жизни довольно сложно. Тут на этом заостряется внимание специально. Инерция «ломается», если ей мешают другие силы. То есть инерциальное движение пропадет, в случае, когда телу препятствуют внешние воздействия. Опять же, уместен пример с любимым метро. Если поезд резко тормознул, а мы держались за поручень, то инерция не заставит нас упасть, потому что вмешалась вот такая внешняя сила. Она представлена тут рукой, которая держится за поручень и создает противодействие. Мы стабилизируем своё состояние в системе поезд-мы, чтобы исключить своё движение относительно самого поезда.

Действие других сил скомпенсировано…

Понятие более сложное, чем предыдущее. Как представить себе компенсацию сил?

Представьте, что лыжник скатывался с горы и в какой-то момент подул ветер, который остановил лыжника. В момент остановки силы и были скомпенсированы. Или, результирующая всех сил была равна нулю.

Рис.33. Лыжника остановило ветром. Результирующая сила равна нулю

Проще всего представить себе эту ситуацию, когда мы говорим про плавание. Плавающее тело в точке равновесия имеет скомпенсированное воздействие внешних сил.

Обратите внимание, что только при таком раскладе будет работать первый закон Ньютона! В случае влияния на тело нескольких сил, только в точке равновесия возможна работа инерции. Чтобы сделать это явление более понятным, представим себе, что мы поставили банку с плавающей в ней телом на тележку. Затем разогнали тележку. И потом увидели, что на тело внутри банки оказала влияние внешняя инерция. Получается, что плавающее тело испытывало на себе скомпенсированное влияние двух сил. Но это не помешало воспринять инерцию!

Простая формулировка первого закона Ньютона

Теперь, изучив всю «матчасть», мы можем сформулировать первый закон в очень простой форме.

Тело, которому передали некоторое движение, будет ехать, пока на него что-то не подействует снаружи. При этом скомпенсированные воздействия и силы не считаются.

Если велосипедист едет по абсолютно ровной дороге, после того, как его кто-то толкнул вперед, дорога без наклона и сила трения колёс, а также сопротивление ветра (как и ВСЕ внешние сопротивления) отсутствуют или уравновешены, то он будет катиться так с одинаковой скоростью бесконечно долго.

Но в реальной системе ВСЕГДА будут действовать силы противодействия (трение, ветер, кочки) и велосипедист начнет останавливаться, если не будет крутить педали. Силы эти всегда не скомпенсированы.

Как бы выглядела бы компенсация сил на примере такого велосипедиста? Довольно хитро.

Пусть в лицо велосипедисту дует ветер и воздействует на него с силой 50 Ньютонов, а за спиной у велосипедиста будет винт, как у Карлсона, который создает силу движения вперед 50 Ньютонов. Вот мы и уравновесили все имеющие силы и получили результирующий ноль. Теперь в этом скомпенсированном бутерброде будет работать инерция и если, как и раньше мы будем исключать трение и т. п. и т.д., то велосипедист будет катиться неограниченно долго по прямой.

Как сам Ньютон сформулировал первый закон и где мы неправы

В начале объяснения мы обозначили, что Ньютон сформулировал первый закон изначально чуть иначе. Звучит он так: