І інерційних системах відліку.
1. Як вже зазначалося, в динаміці істотну роль грає вибір системи відліку.
Фізичні явища протікають, взагалі кажучи, по-різному в різних системах відліку. Природно тому вибирати такі системи, в яких однотипні явища, наприклад, механічні, протікають однаково і виглядають найбільш просто.
Щоб фізичні явища виглядали найбільш просто, систему відліку слід пов'язувати з так званим вільним тілом.
Вільне (вільно рухається) тіло - це тіло, не взаємодіє з іншими тілами, тіло, надане самому собі.
Система відліку, пов'язана з вільно рухомим тілом, називається інерціальній.
Поняття вільного тіла і системи відліку є абстракціями.
Досвід показує, що в природі немає таких тіл, які б так чи інакше не взаємодіяли один з одним, були б абсолютно вільними. Тому, строго кажучи, вільних тіл, а значить, і інер-ціальних систем відліку не існує. Але існує безліч реальних систем, які з як завгодно великим ступенем точності наближаються до інерціальній системі. Наприклад, системи, пов'язані з певними зірками, будуть дуже близькі до інерціальним. У меншій мірі інерційної буде система, пов'язана із Землею (ця система не є інерціальній тому, що вона відчуває прискорення, обумовлене добовим обертанням Землі навколо своєї осі і річним рухом навколо Сонця). Однак для цілого ряду фізичних експериментів можна знехтувати неінерціальна «земної» системи, оскільки внесені при цьому помилки досить малі.
Уявних інерційних систем існує незліченна безліч. Всі системи, пов'язані з вільними тілами, інерціальна.
8 Перший закон Ньютона
В основі динаміки лежать три закони І. Ньютона (1642-1727), сформульовані ним в «Математичних засадах натуральної філософії» (1687 г.). Всі три закони сформульовані для інерційної системні відліку.
1. У першому законі йдеться про рух вільного тіла.
До Галілея ще з часів Аристотеля (ІV століття до н.е.) у фізиці панувало переконання, що рівномірний прямолінійний рух підтримується силою. У «Метафізика» Аристотеля ми читаємо: «Рух тіло зупиняється, як тільки сила, його штовхає, припиняє свою дію».
Тілам приписувалося якесь внутрішнє прагнення зупинятися.
Галілей був першим, хто рішуче відкинув ці хибні уявлення. Він прийшов до висновку, що в реальних ус-ловиях «прагнення» тел зупинятися обумовлено не їх внутрішніми властивостями, а вторинними, зовнішніми причинами.
Галілей зрозумів, що в реальних умовах сила необхідна не для того, щоб підтримувати рівномірний прямолінійний рух, а для того, щоб компенсувати вже наявне зовнішній вплив, перш за все силу тертя, яка зазвичай є основною причиною припинення руху. Галілей на досвіді переконався, що якщо силу тертя поступово зменшувати (до певних меж цього можна домогтися технічними засобами - обробкою поверхонь ковзання, підбором відповідних матеріалів, мастилом і т.д.), то рух, тобто швидкість тіла, змінюватиметься все повільніше і повільніше.
Йдучи далі цим шляхом уже подумки. абстрагуючись від реальних умов, Галілей прийшов до висновку, що за відсутності зовнішніх впливів рух тіла має зберігатися незмінним як завгодно довго, тобто всяке вільне тіло повинно рухатися рівномірно і прямолінійно (або спочивати).
Рух, яке тіло здійснює за відсутності зовнішнього впливу. називається інерціальним. а сам принцип инерциального руху - законом інерції.
Инерциальное рух відбувається саме по собі, воно є невід'ємним, природним станом будь-якого звільненого від зовнішнього впливу матеріального тіла і зовсім не потребує будь-яких зовнішніх «двигунах».
Навпаки, неінерціальна рух (рух нерівномірний, прискорене) завжди відбувається тільки при наявності безперервного зовнішнього впливу. Неінерціальна рух відразу ж переходить в инерциальное, як тільки зникає вплив сил. Це означає, що якщо в момент припинення дії сил тіло покоїлося, то воно і в подальшому буде перебувати в цьому стані, якщо ж тіло рухалося, то в подальшому воно буде зберігати величину і напрямок тієї швидкості, яку мало в момент зникнення сил.
Таким чином, перший закон динаміки стверджує, що в інерціальній системі відліку всяке вільне тіло зберігає стан
спокою або рівномірного прямолінейногодвіженія до тих пір, поки зовнішній вплив не змусить його змінити цей стан.
2. Все, про що йшлося вище, вимагає відомого напруги абстрактної думки. Справа в тому, що безпосередньо на досвіді ми не можемо ні довести, ні спростувати перший закон динаміки. Инерциальное рух - це ідеальний, граничний випадок руху.
3. У реальних умовах ми можемо практично повністю компенсувати зовнішні впливи і спостерігати майже рівномірний прямолінійний рух. Так, компенсуючи силу тертя, що діє на поїзд, тягою електровоза, ми можемо змусити його рухатися практично рівномірно і прямолінійно. Значить, в реальних умовах, тіло покоїться або рухається рівномірно і прямолінійно, якщо векторна сума всіх діючих на нього сил дорівнює нулю:
4. Перший закон Ньютона справедливий тільки в інерціальній системі відліку. Це неважко зрозуміти.
Уявімо дві системи, що рухаються один щодо одного з прискоренням. Нехай тіло, вільний від впливу, рухається щодо однієї із систем рівномірно і прямолінійно, Так як друга система рухається щодо першої з прискоренням, то і тіло щодо цієї, другої, системи буде рухатися з прискоренням.
Щоб у відсутності зовнішнього впливу тіло рухалося рівномірно і прямолінійно, необхідно, щоб вільною від впливу була сама система відліку. Таку систему ми домовилися називати інерційної.
Так як перший закон динаміки виконується тільки в інерційних системах відліку, то саме визначення інерціальної (або неінерціальної) системи можна дати з точки зору виконання цього закону.
Інерціальна система відліку - це система, в якій перший закон Ньютона - закон інерції виконується абсолютно точно. Інакше кажучи, це така система, щодо якої вільне тіло рухається рівномірно і прямолінійно.
5. Перший закон Ньютона в механіці грає дуже важливу роль і має цілком самостійне значення, а не є простим наслідком другого закону, як це може, на перший погляд здатися.
В цьому законі міститься постулат про існування інерційних систем відліку, ідея про однорідність і ізотропності простору щодо інерційних систем відліку.
Якщо тіло вільно від зовнішніх впливів, то ніщо не може змінити його швидкість щодо таких систем. Простір, будучи однорідним і ізотропним, саме по собі змінити цю швидкість не може.