Инерциальная ли система. Инерциальные системы отсчета

На всякое тело могут оказывать воздействия другие тела, его окружающие, в результате чего может измениться состояние движения (покоя) наблюдаемого тела. Вместе с тем такие воздействия могут быть скомпенсированы (уравновешены) и не вызывать таковых изменений. Когда говорят, что действия двух или нескольких тел компенсируют друг друга, то это значит, что результат их совместного действия такой же, как если бы этих тел вовсе не было. Если влияние на тело других тел компенсируется, то относительно Земли тело находится или в покое, или движется прямолинейно и равномерно.

Таким образом, мы приходим к одному из основных законов механики, который называется первым законом Ньютона.

1-й закон Ньютона (закон инерции)

Существуют такие системы отсчёта, в которых поступательно движущееся тело находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения (движения по инерции) до тех пор, пока воздействия со стороны других тел не выведут его из этого состояния.

Применительно к сказанному, изменение скорости тела (т.е. ускорение) всегда вызывается воздействием на это тело каких-либо других тел.

1-й закон Ньютона выполняется только в инерциальных система отсчёта.

Определение

Системы отсчёта, относительно которых тело, не испытывающее на себе воздействия других тел, покоится или движется равномерно и прямолинейно, называются инерциальными.

Установить, является ли данная система отсчёта инерциальной, можно лишь опытным путём. В большинстве случаев можно считать инерциальными системы отсчёта, связанные с Землёй или с телами отсчёта, которые по отношению к земной поверхности движутся равномерно и прямолинейно.

Рисунок 1. Инерциальные системы отсчёта

В настоящее время экспериментально подтверждено, что практически инерциальна гелиоцентрическая система отсчета, связанная с центром Солнца и тремя "неподвижными" звездами.

Любая другая система отсчета, движущаяся относительно инерциальной равномерно и прямолинейно, сама является инерциальной.

Галилей установил, что никакими механическими опытами, поставленными внутри инерциальной системы отсчета, невозможно установить, покоится эта система или движется равномерно и прямолинейно. Это утверждение носит название принципа относительности Галилея, или механического принципа относительности.

Этот принцип был впоследствии развит А. Эйнштейном и является одним из постулатов специальной теории относительности. ИСО играют в физике исключительно важную роль, так как, согласно принципу относительности Эйнштейна, математическое выражение любого закона физики имеет одинаковый вид в каждой ИСО.

Если тело отсчёта движется с ускорением, то связанная с ним система отсчёта является неинерциальной, и в ней 1-й закон Ньютона несправедлив.

Свойство тел сохранять во времени своё состояние (скорость движения, направление движения, состояние покоя и т.п.) называют инертностью. Само явление сохранения скорости движущимся телом при отсутствии внешних воздействий называется инерцией.

Рисунок 2. Проявления инерции в автобусе при начале движения и торможении

С проявлением инертности тел мы часто встречаемся в повседневности. При резком ускорении автобуса пассажиры, находящиеся в нём, наклоняются назад (рис.2,а), а при резком торможении автобуса наклоняются вперёд (рис.2,б), а при повороте автобуса вправо - к левой его стенке. При большом ускорении взлетающего самолёта тело пилота, стремясь сохранить первоначальное состояние покоя, прижимается к сидению.

Инертность тел наглядно проявляется при резкой смене ускорений тел системы, когда инерциальная система отсчёта сменяется неинерциальной, и наоборот.

Инертность тела принято характеризовать его массой (инертной массой).

Сила, действующая на тело со стороны неинерциальной системы отсчета, называется силой инерции

Если на тело в неинерциальной системе отсчета одновременно действуют несколько сил, одни из которых являются "обычными" силами, а другие - инерциальными, то тело будет испытывать одну результирующую силу, являющуюся векторной суммой всех действующих на него сил. Эта результирующая сила не является силой инерции. Сила инерции - это только составляющая результирующей силы.

Если палочку, подвешенную на двух тонких нитях, медленно потянуть за шнур, прикрепленный к ее центру, то:

1. палочка сломается;
2. оборвется шнур;
3. оборвется одна из нитей;
4. возможен любой вариант, в зависимости от приложенной силы

Рисунок 4

Сила приложена к середине палочки, в месте подвеса шнура. Поскольку, по 1 закону Ньютона, всякое тело обладает инертностью, часть палочки в точке подвеса шнура будет двигаться под действием приложенной силы, а другие части палочки, на которые сила не действует, останутся в покое. Потому сломается палочка в точке подвеса.

Ответ. Правильный ответ 1.

Человек везет двое связанных саней, прикладывая силу под углом 300 к горизонту. Найдите эту силу, если известно, что сани движутся равномерно. Массы саней по 40 кг. Коэффициент трения 0,3.

$т_1$ = $т_2$ = $m$ = 40 кг

${\mathbf \mu }$ = 0,3

${\mathbf \alpha }$=$30^{\circ}$

$g$ = 9.8 м/с2

Рисунок 5

Так как сани движутся с постоянной скоростью, то по первому закону Ньютона сумма сил, действующих на сани, равна нулю. Запишем первый закон Ньютона для каждого тела сразу в проекции на оси, и добавим закон сухого трения Кулона для саней:

Ось ОХ Ось OY

\[\left\{ \begin{array}{c} T-F_{тр1}=0 \\ F_{тр1}=\mu N_1 \\ F_{тр2}=\mu N_2 \\ F{cos \alpha -\ }F_{тр2}-T=0 \end{array} \right. \left\{ \begin{array}{c} N_1-mg=0 \\ N_2+F{sin \alpha \ }-mg=0 \end{array} \right.\]

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

Система отсчета, движущаяся (относительно звезд) равномерно и прямолинейно (т. е. по инерции), называется инерциальной. Очевидно, что таких систем отсчета - неисчислимое множество, поскольку любая система, движущаяся относительно некоторой инерциальной системы отсчета равномерно и прямолинейно, тоже инерциальна, Системы отсчета, движущиеся (относительно инерциальной системы) с ускорением, называются неинерциальными.

Опыт показывает, что

во всех инерциальных системах отсчета все механические процессы протекают совершенно одинаково (при одинаковых условиях).

Это положение, названное механическим принципом относительности (или принципом относительности Галилея), было сформулировано в 1636 г. Галилеем. Галилей пояснял его на примере механических процессов, совершающихся в каюте корабля, плывущего равномерно и прямолинейно по спокойному морю. Для наблюдателя, находящегося в каюте колебание маятника, падение тел и другие механические процессы протекают точно так же, как и на неподвижном корабле. Поэтому, наблюдая эти процессы, невозможно установить ни величину скорости, ни даже сам факт движения корабля. Чтобы судить о движении корабля относительно какой-либо системы отсчета (например, поверхности еоды), необходимо вести наблюдения и за этой системой (видеть, как удаляются предметы, лежащие на воде, и т. п.).

К началу XX в. выяснилось, что не только механические, но и тепловые, электрические, оптические и все другие процессы и явления природы протекают совершенно одинаково во всех инерциальных системах отсчета. На этом основании Эйнштейн в 1905 г. сформулировал обобщенный принцип относительности, названный впоследствии принципом относительности Эйнштейна:

во всех инерциальных системах отсчета все физические процессы протекают совершенно одинаково (при одинаковых условиях).

Этот принцип наряду с положением о независимости скорости распространения света в вакууме от движения источника света (см. § 20) лег в основу специальной теории относительности, разработанной Эйнштейном.

Законы Ньютона и другие рассмотренные нами законы динамики, выполняются только в инерциальных системах отсчета. В неинерциальных системах отсчета эти законы, вообще говоря, уже несправедливы. Рассмотрим простой пример, поясняющий последнее утверждение.

На совершенно гладкой платформе, движущейся равномерно и прямолинейно, лежит шар массой на этой же платформе находится наблюдатель. Другой наблюдатель стоит на Земле недалеко от места, мимо которого вскоре должна пройти платформа. Очевидно, что оба наблюдателя связаны с инерциальными системами отсчета.

Пусть теперь, в момент прохождения мимо наблюдателя, связанного с Землей, платформа начнет двигаться с ускорением а, т. е. сделается неинерциальной системой отсчета. При этом шар, ранее покоившийся относительно платформы, придет (относительно нее же) в движение с ускорением а, противоположным по направлению и равным по величине, ускорению, приобретенному платформой. Выясним, как выглядит поведение шара с точек зрения каждого из наблюдателей.

Для наблюдателя, связанного с инерциальной системой отсчета - Землей, шар продолжает двигаться равномерно и прямолинейно в полном соответствии с законом инерции (поскольку на него не действуют никакие силы, кроме силы тяжести, уравновешиваемой реакцией опоры).

Наблюдателю, связанному с неинерциальной системой отсчета - платформой, представляется иная картина: шар приходит в движение и приобретает ускорение - а без воздействия силы (поскольку наблюдатель не обнаруживает воздействия на шар каких-либо других тел, сообщающих шару ускорение). Это явно противоречит закону инерции. Не выполняется и второй закон Ньютона: применив его, наблюдатель получил бы, что (сила) а это невозможно, так как ни ни а не равны нулю.

Можно, однако, сделать законы динамики применимыми и для описания движений в неинерциальных системах отсчета, если ввести в рассмотрение силы особого рода - силы инерции. Тогда в нашем примере наблюдатель, связанный с платформой, может считать, что шар пришел в движение под действием силы инерции

Введение силы инерции позволяет записывать второй закон Ньютона (и его следствия) в обычной форме (см. § 7); только под действующей силой надо теперь понимать результирующую «обычных» сил и сил инерции

где масса тела, а - его ускорение.

Силы инерции мы назвали силами «особого рода», во-первых, потому, что они действуют только в неинерциальных системах отсчета, и, во-вторых, потому, что для них в отличие от «обычных» сил невозможно указать, действием каких именно других тел (на рассматриваемое тело) они обусловлены. Очевидно, по этой причине к силам инерции невозможно применить третий закон Ньютона (и его следствия); это является третьей особенностью сил инерции.

Невозможность указать отдельные тела, действием которых (на рассматриваемое тело) обусловлены силы инерции, не означает, конечно, что возникновение этих сил вообще не связано с действием каких-либо материальных тел. Имеются серьезные основания предполагать, что силы инерции обусловлены действием всей совокупности тел Вселенной (массой Вселенной в целом).

Дело в том, что между силами инерции и силами тяготения существует большое сходство: и те и другие пропорциональны массе тела, на которое они действуют, и потому ускорение, сообщаемое телу каждой из этих сил, не зависит от массы тела. При определенных условиях эти силы вообще невозможно различить. Пусть, например, где-то в космическом пространстве движется с ускорением (обусловленным работой двигателей) космический корабль. Находящийся в нем космонавт будет при этом испытывать силу, прижимающую его к «полу» (задней по отношению к направлению движения стенке) корабля. Эта сила создаст точно такой же эффект и вызовет у космонавта такие же ощущения, какие вызвала бы соответствующая сила тяготения.

Если космонавт считает, что его корабль движется с ускорением а относительно Вселенной, то он назовет действующую на него силу силой инерции. Если же космонавт будет считать свой корабль неподвижным, а Вселенную - несущейся мимо корабля с таким же ускорением а, то он назовет эту силу силой тяготения. И обе точки зрения будут совершенно равноправными. Никакой эксперимент, выполненный внутри корабля, не сможет доказать правильность одной и ошибочность другой точки зрения.

Из рассмотренного и других аналогичных примеров следует, что ускоренное движение системы отсчета эквивалентно (по своему действию на тела) возникновению соответствующих сил тяготения. Это положение получило название принципа эквивалентности сил тяготения и инерции (принципа эквивалентности Эйнштейна); данный принцип положен в основу общей теории относительности.

Силы инерции возникают не только в прямолинейно движущихся, но и во вращающихся неинерциальных системах отсчета. Пусть, например, на горизонтальной платформе, могущей вращаться вокруг вертикальной оси, лежит тело массой связанное с центром вращения О резиновым шнуром (рис. 18). Если платформа начнет вращаться с угловой скоростью со (и, следовательно, превратится в неинерциальную систему), то благодаря трению тело тоже будет вовлечено во вращение. Вместе с тем оно будет перемещаться в радиальном направлении от центра платформы до тех пор, пока возрастающая сила упругости растягивающегося шнура не остановит это перемещение. Тогда тело начнет вращаться на расстоянии от центра О.

С точки зрения наблюдателя, связанного с платформой, перемещение шара относительно нее обусловлено некоторой силой Это есть сила инерции, поскольку она не вызвана действием на шар других определенных тел; ее называют центробежной силой инерции. Очевидно, что центробежная сила инерции равна по величине и противоположна по направлению силе упругости растянутого шнура, играющей роль центростремительной силы, которая действует на тело, вращающееся по отношению к инерциальной системе (см. § 13) Поэтому

следовательно, центробежная сила инерции пропорциональна расстоянию тела от оси вращения.

Подчеркнем, что центробежную силу инерции не следует смешивать с «обычной» центробежной силой, упомянутой в конце § 13. Это силы различной природы, приложенные к разным объектам: центробежная сила инерции приложена к телу, а центробежная сила - к связи.

В заключение отметим, что с позиции принципа эквивалентности сил тяготения и инерции простое объяснение получает действие всех центробежных механизмов: насосов, сепараторов и т. п. (см. § 13).

Любой центробежный механизм можно рассматривать как вращающуюся неинерциальную систему, вызывающую появление поля тяготения радиальной конфигурации, которое в ограниченной области значительно превосходит поле земного тяготения. В этом поле более плотные частицы вращающейся среды или частицы, слабо связанные с ней, отходят к ее периферии (как бы идут «ко дну»).

Вопросы.

1. Как движется тело, если на него не действуют другие тела?

Тело движется равномерно и прямолинейно, либо покоится.

2. Тело движется прямолинейнои равномерно. Меняется ли при этом его скорость?

Если тело движется равномерно и прямолинейно, то его скорость не меняется.

3. Какие взгляды относительно состояния покоя и движения тел существовали до начала XVII в.?

До начала XVII века господствовала теория Аристотеля, согласно которой, если на него не оказывается внешнее воздействие, то оно может покоится, а для того, чтобы оно двигалось с постоянной скоростью на него непрерывно должно действовать другое тело.

4. Чем точка зрения Галилея, касающаяся движения тел, отличается от точки зрения Аристотеля?

Точка зрения Галилея, о движении тел, отличается от точки зрения Аристотеля тем, что тела могут двигаться в отсутствие внешних сил.

5. Как проводился опыт, изображенный на рисунке 19, и какие выводы из него следуют?

Ход опыта. На тележке, движущейся равномерно и прямолинейно, относительно земли, находятся два шарика. Один шарик покоится на дне тележки, а второй подвешен на нити. Шарики находятся в состоянии покоя относительно тележки, так как силы действующие на них уравновешены. При торможении оба шарика приходят в движение. Они изменяют свою скорость относительно тележки, хотя на них не действуют никакие силы. Вывод: Следовательно, в системе отсчёта, связанной с тормозящей тележкой закон инерции не выполняется.

6. Как читается первый закон Ньютона? (в современной формулировке)?

Первый закон Ньютона в современной формулировке: существуют такие системы отсчета, относительно которых тела сохраняют свою скорость неизменной, если на них не действуют другие тела (силы) или действие этих тел (сил) скомпенсировано (равно нулю).

7. Какие системы отсчёта называются инерциальными, а какие - неинерциальными?

Системы отсчёта, в которых выполняется закон инерции называются инерциальными, а в которых не выполняется - неинерциальными.

Да, можно. Это вытекает из определения инерциальных систем отсчета.

9. Инерциальна ли система отсчета, движущаяся с ускорением, относительно какой-либо инерциальной системы?

Нет, не инерциальна.

Упражнения.

1. На столе, в равномерно и прямолинейно движущемся поезде стоит легкоподвижный игрушечный автомобиль. При торможении поезда автомобиль без всякого внешнего воздействия покатился вперед, сохраняя свою скорость относительно земли.
Выполняется ли закон инерции: а) в системе отсчета, связанной с землёй; б) в системе отсчета, связанной с поездом, во время его прямолинейного и равномерного движения? Во время торможения?
Можно ли в описанном случае считать инерциальной систему отсчета, связанную с землёй? с поездом?

а) Да, закон инерции выполняется во всех случаях, т.к. машинка продолжила движение относительно Земли; б) В случае равномерного и прямолинейного движения поезда закон инерции выполняется (машинка неподвижна), а при торможении нет. Земля во всех случаях является инерциальной системой отсчета, а поезд только при равномерном и прямолинейном движении.

Общий курс физики

Введение.

Физика (греч., от physis – природа), наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира (закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы её движения). Понятия физики и её законы лежат в основе всего естествознания. Физика относится к точным наукам и изучает количественные закономерности явлений. Поэтому, естественно, языком физики является математика.

Материя может существовать в двух основных формах: вещество и поле. Они взаимосвязаны между собой.

Примеры: Вещество – твердые тела, жидкости, плазма, молекулы, атомы, элементарные частицы и т.д.

Поле – электромагнитное поле (кванты (порции) поля – фотоны);

гравитационное поле (кванты поля – гравитоны).

Взаимосвязь вещества и поля – аннигиляция электронно-позитронной пары.

Физика безусловно является мировоззренческой наукой, а знание её основ – необходимый элемент любого образования, культуры современного человека.

В тоже время физика имеет огромное прикладное значение. Именно ей обязано абсолютное большинство технических, информационных и коммуникационных достижений человечества.

Более того, последние десятилетия физические методы исследования находят все большее применение в, казалось бы, далеких от физики науках, таких как социология и экономика.

Классическая механика.

Механика – раздел физики, в котором изучается простейшая форма движения материи – перемещение тел в пространстве и времени.

Изначально основные принципы (законы) механики как науки были сформулированы И. Ньютоном в виде трех законов, получивших его имя.

Используя векторный способ описания, скорость можно определить как производную от радиус-вектора точки или тела , а масса выступает здесь в качестве коэффициента пропорциональности.

1. При взаимодействии двух тел каждое из них действует на другое тело с одинаковой по значению, но противоположной по направлению силой.

Эти законы проистекают из опыта. На них построена вся классическая механика. Долгое время считалось, что все наблюдаемые явления могут быть описаны этими законами. Однако с течением времени расширялись границы человеческих возможностей, и опыт показал, что законы Ньютона справедливы не всегда, а классическая механика, как следствие, имеет определенные границы применимости.

Кроме того, несколько позже мы обратимся к классической механике с несколько другой стороны – исходя из законов сохранения, которые в некотором смысле являются более общими законами физики, чем законы Ньютона.

1.2. Границы применимости классической механики.

Первое ограничение связано со скоростями рассматриваемых объектов. Опыт показал, что законы Ньютона остаются справедливыми только при условии , где скорость света в вакууме (). При этих скоростях линейные масштабы и промежутки времени не изменяются при переходе от одной системы отсчета к другой. Поэтому пространство и время абсолютны в классической механике.

Итак, классическая механика описывает движение с малыми относительными скоростями, т.е. это нерелятивистская физика. Ограничение со стороны больших скоростей – первое ограничение применения классической механики Ньютона.

Кроме того, опыт показывает, что применение законов ньютоновской механики неправомерно к описанию микрообъектов: молекул, атомов, ядер, элементарных частиц и т.д. Начиная с размеров

(), адекватное описание наблюдаемых явлений дают другие

законы – квантовые . Именно их необходимо использовать, когда характерная величина, описывающая систему и имеющая размерность , сравнима по порядку с постоянной Планка Скажем, для электрона, находящегося в атоме, имеем . Тогда величина, имеющая размерность момента импульса, равна: .

Любое физическое явление – это последовательность событий . Событием называется то, что происходит в данной точке пространства в данный момент времени.

Для описания событий вводятся пространство и время – категории, обозначающие основные формы существования материи. Пространство выражает порядок существования отдельных объектов, а время – порядок смены явлений. Пространство и время необходимо разметить. Разметка осуществляется путем введения тел отсчета и реперных (масштабных) тел.

Системы отсчета. Инерциальные системы отсчета.

Для описания движения тела или используемой модели – материальной точки может быть применен векторный способ описания, когда положение интересующего нас объекта задают с помощью радиус-вектора отрезка, направленного от тела отсчета в интересующую нас точку, положение которой в пространстве может изменяться со временем. Геометрическое место концов радиус-вектора называют траекторией движущейся точки.

2.1. Системы координат .

Другим способом описания движения тела является координатный , в котором с телом отсчета жестко связывают определенную систему координат.

В механике, и в физике вообще, в разных задачах удобно пользоваться различными системами координат. Наиболее часто используются, так называемые, декартова, цилиндрическая и сферическая системы координат.

1) Декартова система координат : вводятся три взаимно перпендикулярных оси с заданными масштабами по всем трем осям (линейки). Начало отсчета по всем осям берется от тела отсчета. Пределы изменения каждой из координат от до .

Радиус-вектор, задающий положение точки, определяется через её координаты как

. (2.1)

Малый объем в декартовой системе:

,

или в бесконечно малых приращениях:

(2.2)

2) Цилиндрическая система координат : в качестве переменных выбираются расстояние от оси , угол поворота от оси x и высота вдоль оси от тела отсчета.

3) Сферическая система координат : вводится расстояние от тела отсчета до интересующей точки и углы

поворота и , отсчитываемые от осей и , соответственно.

Радиус-вектор – функция переменных

,

пределы изменения координат:

Декартовы координаты связаны со сферическими следующими соотношениями

(2.6)

Элемент объема в сферических координатах:

(2.7)

2.2. Система отсчета .

Для построения системы отсчета жестко связанную с телом отсчета систему координат необходимо дополнить часами. Часы могут находиться в различных точках пространства, поэтому их нужно синхронизовать. Синхронизация часов производится с помощью сигналов. Пусть время распространения сигнала из точки, где произошло событие, до точки наблюдения равно . Тогда наши часы должны в момент появления сигнала показывать время , если часы в точке события в момент его наступления показывают время . Такие часы будем считать синхронизированными.

Если расстояние от точки пространства, где произошло событие, до точки наблюдения , а скорость передачи сигнала , то . В классической механике принимается, что скорость распространения сигнала . Поэтому вводятся одни часы во всем пространстве.

Совокупность тела отсчета, системы координат и часов образуют Систему отсчета (СО).

Имеется бесконечное множество систем отсчета. Опыт дает, что пока скорости невелики по сравнению со скоростью света , линейные масштабы и промежутки временине изменяются при переходе из одной системы отсчета в другую.

Иначе говоря, в классической механике пространство и время абсолютны .

Если , то масштабы и интервалы времени зависят от выбора СО, т.е. пространство и время становятся понятиями относительными. Это уже область релятивистской механики .

2.3. Инерциальные системы отсчета (ИСО).

Итак, мы стоим перед выбором системы отсчета, в которой могли бы решать задачи механики (описывать движение тел и устанавливать причины, его вызывающие). Выясняется, что далеко не все системы отсчета равноправны не только при формальном описании задачи, но, что гораздо важнее, по-разному представляют причины, вызывающие изменение состояние тела.

Систему отсчета, в которой законы механики формулируются наиболее просто, позволяет установить первый закон Ньютона, который постулирует существование инерциальных систем отсчета – ИСО.

I закон классической механики – закон инерции Галилея-Ньютона .

Существует такая система отсчета, в которой материальная точка, если исключить её взаимодействие со всеми остальными телами, будет двигаться по инерции, т.е. сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.

Это – инерциальная система отсчета (ИСО).

В ИСО изменение движения материальной точки (ускорение) обусловлено только её взаимодействием с другими телами, но не зависит от свойств самой системы отсчета.

Первый закон Ньютона формулируется следующим образом: тело, неподверженное внешним воздействиям, либо находится в покое, либо движется прямолинейно и равномерно . Такое тело называется свободным , а его движение – свободным движением или движением по инерции. Свойство тела сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения при отсутствии воздействия на него других тел называется инерцией . Поэтому первый закон Ньютона называют законом инерции. Свободных тел, строго говоря, не существует. Однако естественно предположить, что чем дальше частица находится от других материальных объектов, тем меньшее воздействие они на нее оказывают. Представив себе, что эти воздействия уменьшаются, мы и приходим в пределе к представлению о свободном теле и свободном движении.

Экспериментально проверить предположение о характере движения свободной частицы невозможно, поскольку нельзя абсолютно достоверно установить факт отсутствия взаимодействия. Можно лишь с определенной степенью точности смоделировать данную ситуацию, используя экспериментальный факт уменьшения взаимодействия между удаленными телами. Обобщение ряда экспериментальных фактов, а также совпадение вытекающих из закона следствий с опытными данными доказывают его справедливость. При движении тело тем дольше сохраняет свою скорость, чем слабее на него действуют другие тела; например, скользящий по поверхности камень тем дольше движется, чем ровнее эта поверхность, то есть чем меньше воздействие на него этой поверхности.

Механическое движение относительно, и его характер зависит от системы отсчета. В кинематике выбор системы отсчета не был существенным. Не так обстоит дело в динамике. Если в какой-либо системе отсчета тело движется прямолинейно и равномерно, то в системе отсчета, движущейся относительно первой ускоренно, этого уже не будет. Отсюда следует, что закон инерции не может быть справедливым во всех системах отсчета. Классическая механика постулирует, что существует система отсчета, в которой все свободные тела движутся прямолинейно и равномерно. Такая система отсчета называется инерциальной системой отсчета (ИСО). Содержание закона инерции, в сущности, сводится к утверждению, что существуют такие системы отсчета, в которых тело, не подвергнутое внешним воздействиям, движется равномерно и прямолинейно или покоится.

Установить, какие системы отсчета являются инерциальными, а какие – неинерциальными, можно только опытным путем. Допустим, например, что речь идет о движении звезд и других астрономических объектов в доступной нашему наблюдению части Вселенной. Выберем систему отсчета, в которой Земля считается неподвижной (такую систему мы будем называть земной). Будет ли она инерциальной?

В качестве свободного тела можно выбрать звезду. Действительно, каждая звезда, ввиду ее громадной удаленности от других небесных тел, является практически свободным телом. Однако в земной системе отсчета звезды совершают суточные вращения на небесном своде, а следовательно, движутся с ускорением, направленным к центру Земли. Таким образом, движение свободного тела (звезды) в земной системе отсчета совершается по окружности, а не по прямой линии. Оно не подчиняется закону инерции, поэтому земная система отсчета не будет инерциальной.

Следовательно, для решения поставленной задачи надо проверить на инерциальность другие системы отсчета. Выберем в качестве тела отсчета Солнце. Такая система отсчета называется гелиоцентрической системой отсчета, или системой Коперника. Координатными осями связанной с ней системы координат являются прямые, направленные на три удаленные звезды, не лежащие в одной плоскости (рис. 2.1).

Таким образом, при изучении движений, происходящих в масштабе нашей планетной системы, а также всякой другой системы, размеры которой малы по сравнению с расстоянием до тех трех звезд, которые в системе Коперника выбраны в качестве опорных, система Коперника практически является инерциальной системой отсчета.

Пример

Неинерциальность земной системы отсчета объясняется тем, что Земля вращается вокруг собственной оси и вокруг Солнца, то есть движется ускоренно относительно системы Коперника. Так как оба эти вращения происходят медленно, то по отношению к громадному кругу явлений земная система ведет себя практически как инерциальная система. Вот почему установление основных законов динамики можно начать с изучения движения тел относительно Земли, отвлекаясь от ее вращения, то есть принять Землю за приблизительно ИСО.

СИЛА. МАССА ТЕЛА

Как показывает опыт, любое изменение скорости тела возникает под влиянием других тел. В механике процесс изменения характера движения под влиянием других тел называют взаимодействием тел. Для количественной характеристики интенсивности этого взаимодействия Ньютон ввёл понятие силы. Силы могут вызывать не только изменение скорости материальных тел, но и их деформацию. Поэтому понятию силы можно дать следующее определение: сила – количественная мера взаимодействия по крайней мере двух тел, вызывающая ускорение тела или изменение его формы, или и то и другое вместе.

Примером деформации тела под действием силы является сжатая или растянутая пружина. Её легко использовать в качестве эталона силы: в качестве единицы силы берётся упругая сила, действующая в пружине, растянутой или сжатой в определённой степени. Пользуясь таким эталоном, можно сравнивать силы и изучать их свойства. Силы обладают следующими свойствами.

ü Сила является векторной величиной и характеризуется направлением, модулем (числовым значением) и точкой приложения. Силы, приложенные к одному телу, складываются по правилу параллелограмма.

ü Сила является причиной ускорения. Направление вектора ускорения параллельно вектору силы.

ü Сила имеет материальное происхождение. Нет материальных тел – нет сил.

ü Действие силы не зависит от того, находится тело в состоянии покоя или движется.

ü При одновременном действии нескольких сил тело получает такое ускорение, какое бы оно получило под действием результирующей силы .

Последнее утверждение составляет содержание принципа суперпозиции сил. В основе принципа суперпозиции лежит представление о независимости действия сил: каждая сила сообщает рассматриваемому телу одно и то же ускорение, независимо от того, действует ли только i -й источник сил или все источников одновременно. Это можно сформулировать иначе. Сила, с которой одна частица действует на другую, зависит от радиус-векторов и скоростей только этих двух частиц. Присутствие других частиц на эту силу не влияет. Это свойство называется законом независимости действия сил или законом парного взаимодействия. Область применимости этого закона охватывает всю классическую механику.

С другой стороны, для решения многих задач бывает необходимо найти несколько сил, которые своим совместным действием могли бы заменить одну данную силу. Такую операцию называют разложением данной силы на составляющие.

Из опыта известно, что при одинаковых взаимодействиях различные тела неодинаково изменяют свою скорость движения. Характер изменения скорости движения зависит не только от величины силы и времени её действия, а и от свойств самого тела. Как показывает опыт, для данного тела отношение каждой силы, действующей на него, к сообщаемому этой силой ускорению является величиной постоянной . Это отношение зависит от свойств ускоряемого тела и называется инертной массой тела. Таким образом, масса тела определяется как отношение силы, действующей на тело, к сообщаемому этой силой ускорению . Чем больше масса, тем большая сила требуется для сообщения телу определённого ускорения. Тело как бы сопротивляется попытке изменить его скорость.

Свойство тел, которое выражается в способности сохранять во времени своё состояние (скорость движения, направление движения или состояние покоя), называется инертностью. Мерой инертности тела является его инертная масса.При одинаковом воздействии со стороны окружающих тел одно тело может быстро изменять свою скорость, а другое в тех же условиях – значительно медленнее (рис. 2.2). Принято говорить, что второе из этих двух тел обладает большей инертностью, или, другими словами, второе тело обладает большей массой. В Международной системе единиц (СИ) масса тела измеряется в килограммах (кг). Понятие массы нельзя свести к более простым понятиям. Чем больше масса тела, тем меньшее ускорение оно приобретет под действием одинаковой силы. Чем больше сила, тем с большим ускорением, а следовательно, и большей конечной скоростью будет двигаться тело.

Единицей измерения силы в системе единиц СИ является Н (ньютон). Один Н (ньютон) численно равен силе, которая сообщает телу массой m = 1 кг ускорение .

Замечание.

Отношение справедливо только при достаточно малых скоростях. При увеличении скорости это отношение изменяется, возрастая со скоростью.

ВТОРОЙ ЗАКОН НЬЮТОНА

Из опыта следует, что в инерциальных системах отсчета ускорение тела пропорционально векторной сумме всех действующих на него сил и обратно пропорционально массе тела:

Второй закон Ньютона выражает связь между равнодействующей всех сил и вызываемым ей ускорением:

Здесь – изменение импульса материальной точки за время . Устремим промежуток времени к нулю:

тогда получим

	Среди экстремальных видов развлечений особое место занимают прыжки с «тарзанки», или «банджи-джампинг». В местечке Джеффри Бей находится самая большая из зарегистрированных «тарзанок» – 221 м. Она даже занесена в Книгу рекордов Гиннеса. Длина веревки рассчитывается так, чтобы человек прыгая вниз, останавливался у самой кромки воды или только касался ее. Прыгающего человека удерживает упругая сила деформированного каната. Обычно тросом служат множество сплетенных вместе резиновых жил. Так что при падении трос пружинит, не давая ногам прыгуна оторваться и добавляя прыжку дополнительные ощущения. В полном соответствии со вторым законом Ньютона увеличение времени взаимодействия прыгуна с канатом приводит к ослаблению силы, действующей со стороны каната на человека.
	Для того, чтобы при игре в волейбол принять мяч, летящий с большой скоростью, необходимо перемещать руки по направлению движения мяча. При этом увеличивается время взаимодействия с мячом, а, следовательно, в полном соответствии со вторым законом Ньютона уменьшается величина силы, действующей на руки.

Представленный в такой форме второй закон Ньютона содержит новую физическую величину – импульс. При скоростях, близких к скорости света в вакууме, импульс становится основной величиной, измеряемой в экспериментах. Поэтому уравнение (2.2) является обобщением уравнения движения на релятивистские скорости.

Как видно из уравнения (2.2), если , то постоянная величина, отсюда следует, что постоянна, то есть импульс, а с ним и скорость свободно движущейся материальной точки постоянны. Таким образом, формально первый закон Ньютона является следствием второго закона. Почему же тогда он выделяется в самостоятельный закон? Дело в том, что уравнение, выражающее второй закон Ньютона, только тогда имеет смысл, когда указана система отсчета, в которой оно справедливо. Выделить же такую систему отсчета позволяет первый закон Ньютона. Он утверждает, что существует система отсчета, в которой свободная материальная точка движется без ускорения. В такой системе отсчета движение всякой материальной точки подчиняется уравнению движения Ньютона. Таким образом, по существу, первый закон нельзя рассматривать как простое логическое следствие второго. Связь между этими законами более глубокая.

Из уравнения (2.2) следует, что , то есть бесконечно малое изменение импульса за бесконечно малый промежуток времени равно произведению , называемому импульсом силы. Чем больше импульс силы, тем больше изменение импульса.

ТИПЫ СИЛ

Все многообразие существующих в природе взаимодействий сводится к четырем типам: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Сильные и слабые взаимодействия существенны на столь малых расстояниях, когда законы механики Ньютона уже неприменимы. Все макроскопические явления в окружающем нас мире определяются гравитационным и электромагнитным взаимодействиями. Только для этих видов взаимодействий можно использовать понятие силы в смысле механики Ньютона. Гравитационные силы наиболее существенны при взаимодействии больших масс. Проявления электромагнитных сил чрезвычайно многообразны. Хорошо известные силы трения, упругие силы имеют электромагнитную природу. Поскольку второй закон Ньютона определяет ускорение тела независимо от природы сил, сообщающих ускорение, то в дальнейшем будем пользоваться так называемым феноменологическим подходом: опираясь на опыт, установим количественные закономерности для этих сил.

Упругие силы. Упругие силы возникают в теле, испытывающем воздействие других тел или полей, и связаны с деформацией тела. Деформации представляют собой особый вид движения, а именно перемещение частей тела относительно друг друга под действием внешней силы. При деформации тела изменяются его форма и объем. Для твердых тел различают два предельных случая деформации: упругие и пластические. Деформацию называют упругой, если она полностью исчезает после прекращения действия деформирующих сил. При пластических (неупругих) деформациях тела частично сохраняют измененную форму после снятия нагрузки.

Упругие деформации тел разнообразны. Под действием внешней силы тела могут растягиваться и сжиматься, изгибаться, скручиваться и т.д. Этому смещению противодействуют силы взаимодействия между частицами твердого тела, удерживающие эти частицы на определенном расстоянии друг от друга. Поэтому при любом виде упругой деформации в теле возникают внутренние силы, препятствующие его деформации. Силы, возникающие в теле при его упругой деформации и направленные против направления смещения частиц тела, вызываемого деформацией, называют силами упругости. Силы упругости действуют в любом сечении деформированного тела, а также в месте его контакта с телом, вызывающим деформации.

Опыт показывает, что при малых упругих деформациях величина деформации пропорциональна вызывающей ее силе (рис. 2.3). Это утверждение носит название закона Гука .

Роберт Гук (Robert Hooke), 1635–1702

Английский физик. Родился во Фрешуотере на острове Уайт в семье священника, окончил Оксфордский университет. Еще учась в университете, работал ассистентом в лаборатории Роберта Бойля, помогая последнему строить вакуумный насос для установки, на которой был открыт закон Бойля–Мариотта. Будучи современником Исаака Ньютона, вместе с ним активно участвовал в работе Королевского общества, а в 1677 г. занял там пост ученого секретаря. Как и многие другие ученые того времени, Роберт Гук интересовался самыми разными областями естественных наук и внес вклад в развитие многих из них. В своей монографии «Микрография» он опубликовал множество зарисовок микроскопического строения живых тканей и других биологических образцов и впервые ввел современное понятие «живая клетка». В геологии он первым осознал важность геологических пластов и первым в истории занялся научным изучением природных катаклизмов. Он же одним из первых высказал гипотезу, что сила гравитационного притяжения между телами убывает пропорционально квадрату расстояния между ними, и двое соотечественников и современников, Гук и Ньютон, так до конца жизни и оспаривали друг у друга право называться первооткрывателем закона всемирного тяготения. Гук разработал и собственноручно построил целый ряд важных научно-измерительных приборов. Он, в частности, первым предложил помещать перекрестье из двух тонких нитей в окуляр микроскопа, первым предложил принять температуру замерзания воды за ноль температурной шкалы, а также изобрел универсальный шарнир (карданное сочленение).

Математическое выражение закона Гука для деформации одностороннего растяжения (сжатия) имеет вид:

где – сила упругости; – изменение длины (деформация) тела; – коэффициент пропорциональности, зависящий от размеров и материала тела, называемый жесткостью. Единица жесткости в СИ – ньютон на метр (Н/м). В случае одностороннего растяжения или сжатия сила упругости направлена вдоль прямой, по которой действует внешняя сила, вызывающая деформацию тела, противоположно направлению этой силы и перпендикулярно поверхности тела. Сила упругости всегда направлена к положению равновесия. Сила упругости, которая действует на тело со стороны опоры или подвеса, называется силой реакции опоры или силой натяжения подвеса.

При . В этом случае . Следовательно, модуль Юнга численно равен такому нормальному напряжению, которое должно было бы возникнуть в теле при увеличении его длины в два раза (если бы для такой большой деформации выполнялся закон Гука). Из (2.3) видно также, что в системе единиц СИ модуль Юнга измеряется в паскалях (). Для различных материалов модуль Юнга меняется в широких пределах. Для стали, например, , а для резины приблизительно , то есть на пять порядков меньше.

Конечно, закон Гука даже в усовершенствованной Юнгом форме не описывает всего, что происходит с твердым веществом под воздействием внешних сил. Представьте себе резиновую ленту. Если растянуть ее не слишком сильно, со стороны резиновой ленты возникнет возвращающая сила упругого натяжения, и как только вы ее отпустите, она тут же соберется и примет прежнюю форму. Если растягивать резиновую ленту дальше, то рано или поздно она утратит свою эластичность, и вы почувствуете, что сила сопротивления растяжению уменьшилась. Значит, вы перешли так называемый предел эластичности материала. Если тянуть резину и дальше, через какое-то время она вообще порвется, и сопротивление исчезнет полностью. Это значит, что пройдена так называемая точка разрыва. Иными словами, закон Гука действует только при относительно небольших сжатиях или растяжениях.