От древни времена движението на материалните тела не е преставало да вълнува умовете на учените. Така например самият Аристотел вярва, че ако върху тялото не действат никакви сили, тогава такова тяло винаги ще бъде в покой.

И едва след 2000 години италианският учен Галилео Галилей успя да изключи думата "винаги" от формулировката на Аристотел. Галилей осъзнава, че присъствието на тяло в състояние на покой не е единствената последица от отсъствието външни сили.

Тогава Галилей заявява: тяло, върху което не действат сили, или ще бъде в покой, или ще се движи равномерно по права линия. Тоест движението със същата скорост по права линия от гледна точка на физиката е еквивалентно на състояние на покой.

Какво е състоянието на покой?

В живота този факт е много трудно да се наблюдава, тъй като винаги има сила на триене, която не позволява на предметите и нещата да напуснат местата си. Но ако си представим безкрайно дълга, абсолютно хлъзгава и гладка пързалка, върху която стои тялото, става очевидно, че ако дадем на тялото импулс, тогава тялото ще се движи безкрайно дълго и в една права линия.

И всъщност върху тялото действат само две сили: силата на гравитацията и силата на реакция на опората. Но те са разположени на една и съща права линия и са насочени един срещу друг. Така, по принципа на суперпозицията, имаме, че общата сила, действаща върху такова тяло, е нула.

Това обаче е идеалният случай. В живота силата на триене се проявява в почти всички случаи. Галилей прави важно откритие, като приравнява състояние на покой и движение с постоянна скорост по права линия. Но това не беше достатъчно. Оказа се, че това условие не е изпълнено във всички случаи.

Исак Нютон внесе яснота по този въпрос, като обобщи изследванията на Галилей и по този начин формулира първия закон на Нютон.

Първият закон на Нютон: ние се формулираме

Има две формулировки на първия закон на Нютон, съвременната и формулировката на самия Исак Нютон. В оригиналната версия първият закон на Нютон е донякъде неточен, а съвременната версия, в опит да коригира тази неточност, се оказа много объркваща и следователно неуспешна. Е, тъй като истината винаги е някъде наблизо, ще се опитаме да я намерим „наблизо“ и да разберем какъв е този закон.

Съвременна формулировказвучи така: „Има такива референтни системи, наречени инерционни, по отношение на които материалната точка, при липса на външни влияния, запазва големината и посоката на скоростта си за неопределено време“.

Инерционни отправни системи

Инерциалните референтни системи се наричат, в които е изпълнен законът за инерцията. Законът за инерцията е, че телата запазват скоростта си непроменена, ако други тела не им действат. Оказва се много несмилаемо, неразбираемо и прилича на комична ситуация, когато въпросът: „Къде е това„ тук ”? отговор: „Това е тук“, а на следващия логичен въпрос: „Къде е това „тук“?“ отговор: "Тук е." Масло масло. Порочен кръг.

Собствена формулировка на Нютоне: „Всяко тяло продължава да се поддържа в състояние на покой или равномерно и праволинейно движение, докато и доколкото бъде принудено от приложени сили да промени това състояние“.

Този закон обаче не винаги се спазва на практика. Можете лесно да проверите това. Когато човек стои без да се държи за перилата в движещ се автобус и автобусът спира рязко, човекът започва да се движи напред спрямо автобуса, въпреки че никаква видима сила не го принуждава да го направи.

Тоест по отношение на автобуса първият закон на Нютон в оригиналната формулировка не е изпълнен. Очевидно трябва да се изясни. Усъвършенстване е въвеждането на инерциални референтни системи. Тоест такива отправни системи, в които е изпълнен първият закон на Нютон. Това не е съвсем ясно, така че нека се опитаме да преведем всичко това на човешки език.

Инерциални и неинерциални отправни системи

Свойството на инерция на всяко тяло е такова, че докато тялото остава изолирано от други тела, то ще запази своето състояние на покой или равномерно праволинейно движение. „Изолиран“ означава несвързан по никакъв начин, безкрайно отдалечен от други тела.

На практика това означава, че ако в нашия пример вземем за референтна система не автобус, а някаква звезда в покрайнините на Галактиката, то първият закон на Нютон ще бъде абсолютно точно изпълнен за невнимателен пътник, който не се държи за перилата. Когато автобусът спре, той ще продължи равномерното си движение, докато върху него не въздействат други тела.

Тези референтни системи, които по никакъв начин не са свързани с разглежданото тяло и които по никакъв начин не влияят на инерцията на тялото, се наричат ​​инерционни. За такива референтни системи първият закон на Нютон в оригиналната му формулировка е абсолютно валиден.

Това е законът може да се формулира така: в референтни системи, които абсолютно не са свързани с тялото, скоростта на тялото при липса на външно влияние остава непроменена. В тази форма първият закон на Нютон е лесно разбираем.

Проблемът е, че на практика е много трудно да се разгледа движението на конкретно тяло по отношение на такива референтни системи. Не можем да се преместим до безкрайно далечна звезда и оттам да извършваме някакви експерименти на Земята.

Следователно Земята условно често се приема като такава референтна рамка, въпреки че тя е свързана с разположените върху нея тела и влияе върху характеристиките на тяхното движение. Но за много изчисления това приближение е достатъчно. Следователно примери за инерционни референтни системи могат да се считат за Земята за тела, разположени на нея, слънчева системаза нейните планети и т.н.

Първият закон на Нютон не е описан с никаква физическа формула, но други понятия и дефиниции са извлечени с помощта на него. Всъщност този закон постулира инертността на телата. И така се оказва, че за инерциалните отправни системи законът за инерцията е първият закон на Нютон.

Още примери за инерциални системи и първия закон на Нютон

Така например, ако количка с топка първо се движи по равна повърхност с постоянна скорост и след това удари пясъчна повърхност, тогава топката вътре в количката ще започне да се ускорява, въпреки че върху нея не действат сили (всъщност действат, но сумата им е нула).

Това се случва, защото референтната система (в този случай количката) в момента, в който се удари в пясъчната повърхност, става неинерционна, тоест престава да се движи с постоянна скорост.

Първият закон на Нютон прави важно разграничение между инерциални и неинерциални отправни системи. Също така важна последица от този закон е фактът, че ускорението в известен смисъл е по-важно от скоростта на тялото.

Защото движението с постоянна скорост по права линия е същността на покоя. Докато движението с ускорение ясно показва, че или сумата от силите, приложени към тялото, не е равна на нула, или референтната система, в която се намира тялото, е неинерционна, тоест се движи с ускорение.

Освен това ускорението може да бъде както положително (тялото се ускорява), така и отрицателно (тялото се забавя).

Нуждаете се от помощ с обучението си?

Предишна тема: Относителност на движението: концепция и примери
Следваща тема:   Вторият закон на Нютон: формула и определение + малко опит

Първият закон на Нютон е формулиран по следния начин: тяло, което не е подложено на външни въздействия, или е в покой, или се движи праволинейно и равномерно. Такова тяло се нарича Безплатно, а движението му - свободно движение или движение по инерция. Свойството на тялото да поддържа състояние на покой или равномерно праволинейно движение при липса на влияние на други тела върху него се нарича инерция. Следователно първият закон на Нютон се нарича закон на инерцията. Свободни тела, строго погледнато, не съществуват. Естествено е обаче да се приеме, че колкото по-далеч е една частица от други материални обекти, толкова по-малко въздействие имат те върху нея. Като си представим, че тези влияния намаляват, стигаме до границата на идеята за свободно тяло и свободно движение.

Невъзможно е експериментално да се провери предположението за естеството на движението на свободна частица, тъй като е невъзможно абсолютно надеждно да се установи фактът на липсата на взаимодействие. Възможно е само да се симулира тази ситуация с определена степен на точност, като се използва експерименталният факт за намаляване на взаимодействието между отдалечени тела. Обобщаването на редица експериментални факти, както и съвпадението на произтичащите от закона последици с експериментални данни, доказват неговата валидност. При движение тялото запазва скоростта си толкова по-дълго, колкото по-слабо му действат другите тела; например, камък, който се плъзга върху повърхност, се движи толкова по-дълго, колкото по-гладка е тази повърхност, тоест толкова по-малко въздействие оказва тази повърхност върху нея.

Механичното движение е относително и неговият характер зависи от референтната система. В кинематиката изборът на отправна система не е от съществено значение. В динамиката не е така. Ако в която и да е отправна система тялото се движи праволинейно и равномерно, то в отправната система, движеща се по отношение на първата ускорено, това вече няма да е така. От това следва, че законът за инерцията не може да бъде валиден във всички референтни системи. Класическата механика постулира, че има референтна рамка, в която всичко свободни теласе движат по права линия и равномерно. Такава отправна система се нарича инерционна отправна система (ISR). Съдържанието на закона за инерцията по същество се свежда до твърдението, че има такива референтни системи, в които тялото, неподложено на външни въздействия, се движи равномерно и праволинейно или е в покой.

Възможно е да се установи кои отправни системи са инерционни и кои неинерциални само чрез опит. Да предположим например, че говорим за движението на звезди и други астрономически обекти в частта на Вселената, достъпна за нашето наблюдение. Нека изберем отправна система, в която Земята се счита за неподвижна (такава система ще наричаме земна система). Инерционно ли ще е?

Можете да изберете звезда като свободно тяло. Всъщност всяка звезда, с оглед на огромната си отдалеченост от другите небесни тела, е практически свободно тяло. Но в земната референтна система звездите извършват ежедневни завъртания в небесния свод и следователно се движат с ускорение, насочено към центъра на Земята. По този начин движението на свободно тяло (звезда) в референтната система на Земята се извършва в кръг, а не в права линия. Той не се подчинява на закона за инерцията, така че референтната система на земята няма да бъде инерционна.

Следователно, за да се реши проблемът, е необходимо да се проверят други референтни системи за инерция. Нека изберем Слънцето за еталонно тяло. Такава референтна система се нарича хелиоцентрична референтна система или система на Коперник. Координатните оси на свързаната с него координатна система са прави линии, насочени към три далечни звезди, които не лежат в една и съща равнина (фиг. 2.1).

По този начин, когато се изучават движенията, които се случват в мащаба на нашата планетна система, както и на всяка друга система, чиито размери са малки в сравнение с разстоянието до тези три звезди, които са избрани за отправна точка в системата на Коперник, системата на Коперник е практически инерциална референтна система.

Пример

Неинерциалността на земната референтна система се обяснява с факта, че Земята се върти около собствената си ос и около Слънцето, тоест се движи с ускорена скорост спрямо системата на Коперник. Тъй като и двете ротации се извършват бавно, земната система се държи практически като инерционна система по отношение на огромен набор от явления. Ето защо установяването на основните закони на динамиката може да започне с изучаването на движението на телата спрямо Земята, абстрахирайки се от нейното въртене, тоест приемайки Земята приблизително за ISO.

СИЛА. ТЕЛЕСНА МАСА

Както показва опитът, всяка промяна в скоростта на едно тяло се случва под въздействието на други тела. В механиката процесът на промяна на характера на движението под въздействието на други тела се нарича взаимодействие на телата. За да определи количествено интензивността на това взаимодействие, Нютон въвежда понятието сила. Силите могат да предизвикат не само промяна в скоростта на материалните тела, но и тяхната деформация. Следователно на концепцията за сила може да се даде следната дефиниция: силата е количествена мярка за взаимодействието на най-малко две тела, което кара тялото да ускорява или променя формата си, или и двете.

Пример за деформация на тяло под действието на сила е сгъната или разтегната пружина. Лесно е да се използва като стандарт за сила: еластичната сила, действаща в пружина, разтегната или компресирана до известна степен, се приема като единица за сила. Използвайки такъв стандарт, можете да сравнявате силите и да изучавате техните свойства. Силите имат следните свойства.

ü Силата е векторна величина и се характеризира с посока, модул (числова стойност) и точка на приложение. Силите, приложени към едно тяло, се сумират съгласно правилото на успоредника.

ü Силата е причина за ускорението. Посоката на вектора на ускорението е успоредна на вектора на силата.

ü Силата има материален произход. Няма материални тела - няма сили.

Действието на силата не зависи от това дали тялото е в покой или се движи.

ü При едновременното действие на няколко сили тялото получава такова ускорение, което би получило под действието на резултантната сила.

Последното твърдение е съдържанието на принципа на суперпозицията на силите. Принципът на суперпозицията се основава на идеята за независимостта на действието на силите: всяка сила придава едно и също ускорение на разглежданото тяло, независимо дали само азти източник на сили или всички източници едновременно. Това може да се формулира по различен начин. Силата, с която една частица действа върху друга, зависи от радиус-векторите и скоростите само на тези две частици. Наличието на други частици не влияе на тази сила. Това свойство се нарича закон за независимостдействието на силите или закона за взаимодействие по двойки. Обхватът на този закон обхваща цялата класическа механика.

От друга страна, за да се решат много проблеми, може да се наложи да се намерят няколко сили, които чрез съвместното си действие да заместят една дадена сила. Тази операция се нарича разлагане на дадената сила на компоненти.

От опит се знае, че при едно и също взаимодействие различните тела променят скоростта си на движение неравномерно. Характерът на изменението на скоростта на движение зависи не само от големината на силата и времето на нейното действие, но и от свойствата на самото тяло. Както показва опитът, за дадено тяло отношението на всяка сила, действаща върху него, към ускорението, придадено от тази сила, е постоянна стойност . Това отношение зависи от свойствата на ускореното тяло и се нарича инерционна масатяло. По този начин масата на тялото се определя като съотношението на силата, действаща върху тялото, към ускорението, отчетено от тази сила. Колкото по-голяма е масата, толкова по-голяма е силата, необходима за придаване на определено ускорение на тялото. Тялото, така да се каже, се съпротивлява на опит да промени скоростта си.

Свойството на телата, което се изразява в способността да запазват своето състояние във времето (скорост на движение, посока на движение или състояние на покой), се нарича инертност. Мярка за инерцията на тялото е неговата инерционна маса.При еднакъв удар от околните тела едното тяло може бързо да промени скоростта си, а другото при същите условия много по-бавно (фиг. 2.2). Прието е да се казва, че второто от тези две тела има по-голяма инерция или, с други думи, второто тяло има по-голяма маса. IN международна системаединици (SI) телесното тегло се измерва в килограми (kg). Понятието маса не може да се сведе до по-прости понятия. Колкото по-голяма е масата на тялото, толкова по-малко ускорение ще придобие то под действието на същата сила. Колкото по-голяма е силата, толкова по-голямо е ускорението и следователно с по-голяма крайна скорост ще се движи тялото.

Единицата за сила в системата единици SI е N (нютон). Един N (нютон) е числено равен на силата, която определя масата на тялото м = 1 килограмаускорение .

Коментирайте.

Съотношението е валидно само при достатъчно ниски скорости. С увеличаването на скоростта това съотношение се променя, увеличавайки се със скоростта.

ВТОРИ ЗАКОН НА НЮТОН

От опит следва, че в инерционните отправни системи ускорението на тялото е пропорционално на векторната сума на всички действащи върху него сили и обратно пропорционално на масата на тялото:

Вторият закон на Нютон изразява връзката между резултантната на всички сили и ускорението, което причинява:

Тук е промяната в импулса на материалната точка във времето. Нека зададем времевия интервал на нула:

тогава получаваме

	Сред екстремните видове забавления специално място заемат скоковете с бънджи или бънджи. В градчето Джефри Бей се намира най-голямото от регистрираните "бънджи" - 221 м. Дори е вписано в Книгата на рекордите на Гинес. Дължината на въжето е изчислена така, че човек, който скача, да спре на самия ръб на водата или просто да я докосне. Скачащият човек се държи от еластичната сила на деформираното въже. Обикновено кабелът е набор от гумени нишки, сплетени заедно. Така при падане кабелът пружинира, предотвратявайки отделянето на краката на скачача и добавяйки допълнителни усещания към скока. В пълно съответствие с втория закон на Нютон, увеличаването на времето за взаимодействие между джъмпера и въжето води до отслабване на силата, действаща от въжето върху човека.
	За да получите топка, летяща с висока скорост, когато играете волейбол, е необходимо да движите ръцете си по посока на топката. Това увеличава времето за взаимодействие с топката и следователно, в пълно съответствие с втория закон на Нютон, величината на силата, действаща върху ръцете, намалява.

Представен в този вид, вторият закон на Нютон съдържа нов физическо количество- импулс. При скорости, близки до скоростта на светлината във вакуум, импулсът става основното количество, измервано в експериментите. Следователно уравнение (2.2) е обобщение на уравнението на движение за релативистични скорости.

Както може да се види от уравнение (2.2), ако , тогава постоянна стойност, следва, че е постоянна, т.е. импулсът, а с него и скоростта на свободно движеща се материална точка, са постоянни. Така формално първият закон на Нютон е следствие от втория закон. Защо тогава е обособен като самостоятелен закон? Факт е, че уравнението, изразяващо втория закон на Нютон, има смисъл само когато е посочена референтната система, в която е валидно. Това е първият закон на Нютон, който ни позволява да отделим такава референтна система. Той твърди, че има референтна система, в която свободна материална точка се движи без ускорение. В такава отправна система движението на всяка материална точка се подчинява на уравнението на движението на Нютон. Така по същество първият закон не може да се разглежда като просто логическо следствие от втория. Връзката между тези закони е по-дълбока.

От уравнение (2.2) следва, че безкрайно малка промяна в импулса за безкрайно малък период от време е равна на произведението, наречено импулс на сила.Колкото по-голям е импулсът на силата, толкова по-голяма е промяната в импулса.

ВИДОВЕ СИЛИ

Цялото разнообразие от взаимодействия, съществуващи в природата, се свежда до четири вида: гравитационни, електромагнитни, силни и слаби. Силните и слабите взаимодействия са значителни на толкова малки разстояния, че законите на механиката на Нютон вече не са приложими. Всички макроскопични явления в света около нас се определят от гравитационни и електромагнитни взаимодействия. Само за тези видове взаимодействия понятието сила може да се използва в смисъла на Нютоновата механика. Гравитационните сили са най-значими при взаимодействието на големи маси. Проявите на електромагнитните сили са изключително разнообразни. Добре познатите сили на триене, еластичните сили са от електромагнитно естество. Тъй като вторият закон на Нютон определя ускорението на тялото независимо от естеството на силите, придаващи ускорението, тогава в бъдеще ще използваме така наречения феноменологичен подход: въз основа на опита ще установим количествени модели за тези сили.

еластични сили.Еластични сили възникват в тяло, което се влияе от други тела или полета и са свързани с деформацията на тялото. Деформациите са особен вид движение, а именно движението на части на тялото една спрямо друга под действието на външна сила. Когато едно тяло се деформира, неговата форма и обем се променят. За твърдите тела се разграничават два гранични случая на деформация: еластична и пластична. Деформацията се нарича еластична, ако напълно изчезне след прекратяване на действието на деформиращите сили. При пластични (нееластични) деформации телата частично запазват променената си форма след отстраняване на товара.

Еластичните деформации на телата са разнообразни. Под действието на външна сила телата могат да се разтягат и свиват, огъват, усукват и т.н. Това изместване се противодейства от силите на взаимодействие между частиците твърдо тялокоито държат тези частици на определено разстояние една от друга. Следователно, за всякакъв вид еластична деформация в тялото, вътрешни силипредотвратяване на деформацията му. Силите, които възникват в тялото по време на неговата еластична деформация и са насочени срещу посоката на изместване на частиците на тялото, причинено от деформация, се наричат ​​еластични сили. Еластични сили действат във всяка част на деформираното тяло, както и в мястото на контакта му с тялото, причинявайки деформация.

Опитът показва, че при малки еластични деформации големината на деформацията е пропорционална на силата, която я предизвиква (фиг. 2.3). Това твърдение се нарича закон Хук.

Робърт Хук, 1635-1702

английски физик. Роден в Freshwater на остров Уайт в семейството на свещеник, той завършва Оксфордския университет. Докато все още е в университета, той работи като асистент в лабораторията на Робърт Бойл, помагайки на последния да изгради вакуумна помпа за инсталацията, на която е открит законът на Бойл-Мариот. Като съвременник на Исак Нютон, той активно участва с него в работата на Кралското общество, а през 1677 г. заема поста научен секретар там. Подобно на много други учени от онова време, Робърт Хук се интересува от най-разнообразни области на естествените науки и допринася за развитието на много от тях. В монографията си "Микрография" той публикува много скици на микроскопската структура на живи тъкани и други биологични проби и за първи път въвежда съвременната концепция за "жива клетка". В геологията той е първият, който осъзнава значението на геоложките слоеве и е първият в историята, който се занимава с научно изследване на природните бедствия. Той е един от първите, които изказват хипотезата, че силата на гравитационното привличане между телата намалява пропорционално на квадрата на разстоянието между тях, а двама сънародници и съвременници, Хук и Нютон, до края на живота си си оспорват правото да се наричат ​​откриватели на закона земно притегляне. Хук разработи и лично построи редица важни научни и измервателни инструменти. По-специално, той беше първият, който предложи да се постави мерник от две тънки нишки в окуляра на микроскоп, той беше първият, който предложи да се вземе точката на замръзване на водата като нула на температурната скала, а също така той изобрети универсален шарнир (кардан).

Математическият израз на закона на Хук за деформацията на едностранно напрежение (компресия) е:

където е еластичната сила; - промяна в дължината (деформация) на тялото; - коефициент на пропорционалност, в зависимост от размера и материала на тялото, наречен коравина. Единицата SI за коравина е нютон на метър (N/m). При едностранно напрежение или компресия еластичната сила е насочена по правата линия, по която действа външната сила, предизвикваща деформация на тялото, противоположна на посоката на тази сила и перпендикулярна на повърхността на тялото. Еластичната сила винаги е насочена към равновесното положение. Еластичната сила, която действа върху тялото от страната на опората или окачването, се нарича сила на реакция на опората или сила на опън на окачването.

В . В такъв случай . Следователно модулът на Йънг е числено равен на такова нормално напрежение, което би трябвало да възникне в тялото, когато дължината му се удвои (ако законът на Хук беше изпълнен за такава голяма деформация). От (2.3) може също да се види, че в единиците SI модулът на Юнг се измерва в паскали (). За различните материали модулът на Йънг варира значително. За стоманата, например, и за каучука, приблизително, тоест с пет порядъка по-малко.

Разбира се, законът на Хук, дори във формата, подобрена от Юнг, не описва всичко, което се случва с твърдото тяло под въздействието на външни сили. Представете си ластик. Ако не го разтегнете твърде много, от страната на ластика ще възникне възстановителна сила на еластично напрежение и веднага щом го пуснете, той веднага ще се събере и ще се върне в предишната си форма. Ако разтегнете гумената лента допълнително, тогава рано или късно тя ще загуби своята еластичност и ще почувствате, че силата на съпротивление при разтягане е намаляла. Значи сте преминали така наречената граница на еластичност на материала. Ако дръпнете гумата още повече, след известно време тя ще се счупи напълно и съпротивлението ще изчезне напълно. Това означава, че е премината така наречената точка на прекъсване. С други думи, законът на Хук е валиден само за относително малки компресии или напрежения.

Първият закон на механиката или законът на инерцията ( инерция- това е свойството на телата да поддържат скоростта си при липса на действие на други тела върху него ), както често се нарича, е създаден от Галилей. Но Нютон дава строга формулировка на този закон и го включва сред основните закони на механиката. Законът за инерцията се отнася до най-простия случай на движение - движението на тяло, което не се влияе от други тела. Такива тела се наричат ​​свободни тела.

Невъзможно е да се отговори на въпроса как се движат свободните тела, без да се позовава на опит. Невъзможно е обаче да се постави нито един експеримент, който да покаже в чист вид как се движи тяло, което не взаимодейства с нищо, тъй като няма такива тела. Как да бъдем?

Има само един изход. Необходимо е да се създадат условия за тялото, при които влиянието на външните въздействия да намалява все повече и да се наблюдава до какво води това. Възможно е например да се наблюдава движението на гладък камък върху хоризонтална повърхност, след като му е придадена определена скорост. (Привличането на камъка към земята се балансира от действието на повърхността, върху която лежи, и само триенето влияе на скоростта му.) Лесно е обаче да се установи, че колкото по-гладка е повърхността, толкова по-бавно ще намалява скоростта на камъка. На гладък ледкамъкът се плъзга много дълго, без да променя забележимо скоростта. Триенето може да бъде намалено до минимум чрез използване на въздушна възглавница - струи въздух, които поддържат тялото над твърда повърхност, по която се извършва движение. Този принцип се използва във водния транспорт (корабли на въздушна възглавница). Въз основа на такива наблюдения можем да заключим, че ако повърхността беше идеално гладка, тогава при липса на въздушно съпротивление (във вакуум) камъкът изобщо не би променил скоростта си. Галилей пръв стигна до това заключение.

От друга страна, лесно се вижда, че когато скоростта на едно тяло се променя, винаги се открива влиянието на други тела върху него. От това може да се заключи, че тяло, достатъчно отдалечено от други тела и поради тази причина не взаимодействащо с тях, се движи с постоянна скорост.

Движението е относително, следователно има смисъл да се говори само за движението на едно тяло по отношение на отправна система, свързана с друго тяло. Веднага възниква въпросът: свободно тяло ще се движи ли с постоянна скорост спрямо някое друго тяло? Отговорът, разбира се, е не. Така че, ако по отношение на Земята свободно тяло се движи праволинейно и равномерно, то по отношение на въртяща се въртележка тялото със сигурност няма да се движи по този начин.

Наблюденията на движенията на телата и разсъжденията върху природата на тези движения ни водят до заключението, че свободните тела се движат с постоянна скорост, поне по отношение на определени тела и свързаните с тях референтни системи. Например по отношение на Земята. Това е основното съдържание на закона за инерцията.

Ето защо Първият закон на Нютон може да се формулира така:

има такива референтни рамки, спрямо които тялото (материалната точка), при липса на външни въздействия върху него (или при взаимното им компенсиране), запазва състояние на покой или равномерно праволинейно движение.

Инерционна референтна система

Първият закон на Нютон твърди (това може да се провери експериментално с различна степен на точност), че инерциалните системи действително съществуват. Този закон на механиката поставя инерционните референтни системи в специална, привилегирована позиция.

референтни системи, при които е изпълнен първият закон на Нютон, се наричат ​​инерционни.

Инерционни отправни системи- това са системи, по отношение на които дадена материална точка, при липса на външни въздействия върху нея или тяхната взаимна компенсация, е в покой или се движи равномерно и праволинейно.

Има безкраен брой инерциални системи. Отправната система, свързана с влак, движещ се с постоянна скорост по прав участък от коловоза, също е инерционна система (приблизително), като рамката, свързана със Земята. Всички инерционни референтни системи образуват клас рамки, които се движат една спрямо друга равномерно и праволинейно. Ускоренията на всяко тяло в различни инерционни системи са еднакви.

Как да настроите какво тази системасправката е инерционна? Това може да стане само с опит. Наблюденията показват, че с много висока степен на точност хелиоцентричната система може да се счита за инерционна отправна система, в която началото на координатите е свързано със Слънцето, а осите са насочени към определени "неподвижни" звезди. Референтните системи, твърдо свързани с повърхността на Земята, строго погледнато, не са инерционни, тъй като Земята се движи в орбита около Слънцето и в същото време се върти около собствената си ос. Въпреки това, когато се описват движения, които нямат глобален (т.е. световен) мащаб, референтните системи, свързани със Земята, могат да се считат за инерционни с достатъчна точност.

Инерционните отправни системи са тези, които се движат равномерно и праволинейно спрямо всяка инерционна отправна система..

Галилей установи това няма механични експерименти, поставени в инерционна отправна система, невъзможно е да се установи дали тази рамка е в покой или се движи равномерно и праволинейно. Това твърдение се нарича Принципът на относителността на Галилей или механичен принцип на относителността.

Този принцип впоследствие е развит от А. Айнщайн и е един от постулатите на специалната теория на относителността. Инерциалните отправни системи играят изключително важна роля във физиката, тъй като според принципа на относителността на Айнщайн математическият израз на всеки закон на физиката има една и съща форма във всяка инерционна отправна система. В бъдеще ще използваме само инерционни системи (без да споменаваме това всеки път).

Отправни системи, в които първият закон на Нютон не е в сила, се наричат неинерционниИ.

Такива системи включват всяка отправна система, движеща се с ускорение спрямо инерционната отправна система.

В механиката на Нютон законите за взаимодействие на телата са формулирани за класа на инерциалните отправни системи.

Пример за механичен експеримент, в който се проявява неинерционността на система, свързана със Земята, е поведението Махалото на Фуко. Това е името на масивна топка, окачена на достатъчно дълга нишка и извършваща малки трептения около равновесното положение. Ако системата, свързана със Земята, беше инерционна, равнината на трептене на махалото на Фуко би останала непроменена спрямо Земята. Всъщност равнината на люлеене на махалото се върти поради въртенето на Земята и проекцията на траекторията на махалото върху земната повърхност изглежда като розетка (фиг. 1). Ориз. 2

Литература

1. Open Physics 2.5 (http://college.ru/physics/)
2. Физика: Механика. 10 клас: учеб. за задълбочено изучаване на физиката / M.M. Балашов, А.И. Гомонова, А.Б. Долицки и др.; Изд. Г.Я. Мякишев. – М.: Дропла, 2002. – 496 с.

Древните философи се опитаха да разберат същността на движението, да идентифицират влиянието на звездите и Слънцето върху човек. Освен това хората винаги са се опитвали да идентифицират силите, които действат върху материална точка в процеса на нейното движение, както и в момент на покой.

Аристотел вярва, че при липса на движение върху тялото не действат никакви сили. Нека се опитаме да разберем кои референтни системи се наричат ​​инерциални, ще дадем примери за тях.

Състояние на покой

В ежедневието е трудно да се идентифицира такова състояние. При почти всички видове механични движения се предполага наличието на външни сили. Причината е силата на триене, която не позволява на много обекти да напуснат първоначалното си положение, да напуснат състоянието на покой.

Разглеждайки примери за инерциални референтни системи, отбелязваме, че всички те съответстват на първия закон на Нютон. Едва след откриването му стана възможно да се обясни състоянието на покой, да се посочат силите, действащи в това състояние върху тялото.

Твърдение на 1-ви закон на Нютон

В съвременната интерпретация той обяснява съществуването на координатни системи, спрямо които може да се счита липсата на външни сили, действащи върху материална точка. От гледна точка на Нютон референтните системи се наричат ​​инерционни, които ни позволяват да разгледаме запазването на скоростта на тялото за дълго време.

Дефиниции

Кои отправни системи са инерциални? Примерите се изучават в училищен курсфизика. За инерционни отправни системи се считат тези, спрямо които материалната точка се движи с постоянна скорост. Нютон изясни, че всяко тяло може да бъде в подобно състояние, стига да няма нужда да се прилагат сили към него, които могат да променят това състояние.

В действителност законът на инерцията не се изпълнява във всички случаи. Анализирайки примери за инерционни и неинерциални отправни системи, помислете за човек, който се държи за перилата в движещо се превозно средство. При рязко спиране на автомобила човек автоматично се движи спрямо автомобила, въпреки липсата на външна сила.

Оказва се, че не всички примери за инерционна отправна система отговарят на формулировката на 1 закона на Нютон. За изясняване на закона за инерцията е въведена преработена справка, в която той е изпълнен безупречно.

Видове отправни системи

Кои отправни системи се наричат ​​инерциални? Скоро ще стане ясно. „Дайте примери за инерциални референтни системи, в които е изпълнен първият закон на Нютон“ - подобна задача се предлага на ученици, които са избрали физика като изпит в девети клас. За да се справим със задачата е необходимо да имаме представа за инерциални и неинерциални отправни системи.

Инерцията включва запазване на покой или равномерно праволинейно движение на тялото, докато тялото е изолирано. „Изолирани“ считат тела, които не са свързани, не взаимодействат, отдалечени са едно от друго.

Разгледайте някои примери за инерционна отправна система. Ако приемем звезда в галактиката като референтна рамка, а не движещ се автобус, прилагането на закона за инерцията за пътниците, които се държат за релсите, би било безупречно.

По време на спиране това превозно средство ще продължи да се движи равномерно по права линия, докато други тела не въздействат върху него.

Кои са някои примери за инерционна отправна система? Те не трябва да имат връзка с анализираното тяло, да влияят на неговата инертност.

Именно за такива системи е изпълнен първият закон на Нютон. IN Истински животтрудно е да се разгледа движението на тялото спрямо инерционните референтни системи. Невъзможно е да се стигне до далечна звезда, за да се провеждат земни експерименти от нея.

Земята се приема като условна референтна система, въпреки факта, че е свързана с обекти, поставени върху нея.

Възможно е да се изчисли ускорението в инерционната отправна система, ако се вземе предвид повърхността на Земята като отправна система. Във физиката няма математически запис на 1-ви закон на Нютон, но именно той е в основата на извеждането на много физически дефинициии условия.

Примери за инерциални отправни системи

На учениците понякога им е трудно да разберат физични явления. На деветокласниците се предлага задача със следното съдържание: „Какви референтни системи се наричат ​​инерционни? Дайте примери за такива системи. Да приемем, че количката с топката първоначално се движи по равна повърхност с постоянна скорост. След това се движи по пясъка, в резултат на което топката се движи ускорено, въпреки факта, че върху нея не действат други сили (общият им ефект е нула).

Същността на случващото се може да се обясни с факта, че докато се движи по пясъчната повърхност, системата престава да бъде инерционна, тя има постоянна скорост. Примери за инерционни и неинерциални референтни системи показват, че техният преход се извършва за определен период от време.

Когато тялото се ускорява, неговото ускорение има положителна стойност, а при спиране тази цифра става отрицателна.

Криволинейно движение

Спрямо звездите и Слънцето движението на Земята се извършва по криволинейна траектория, която има формата на елипса. Тази референтна система, в която центърът е подравнен със Слънцето, а осите са насочени към определени звезди, ще се счита за инерционна.

Обърнете внимание, че всяка отправна система, която ще се движи по права линия и равномерно спрямо хелиоцентричната рамка, е инерционна. Криволинейното движение се извършва с известно ускорение.

Предвид факта, че Земята се движи около своята ос, отправната система, която е свързана с нейната повърхност, спрямо хелиоцентричната се движи с известно ускорение. В такава ситуация можем да заключим, че отправната система, която е свързана със земната повърхност, се движи с ускорение спрямо хелиоцентричната, така че не може да се счита за инерционна. Но стойността на ускорението на такава система е толкова малка, че в много случаи значително влияе върху спецификата на механичните явления, разглеждани спрямо нея.

За решаване на практически проблеми от техническо естество е обичайно да се счита за инерционна отправната система, която е твърдо свързана със земната повърхност.

Относителност Галилей

Всички инерциални отправни системи имат важно свойство, което се описва от принципа на относителността. Същността му се състои в това, че всяко механично явление при едни и същи начални условия се извършва по един и същ начин, независимо от избраната референтна система.

Равенството на ISO според принципа на относителността се изразява в следните разпоредби:

• В такива системи те са еднакви, така че всяко уравнение, което е описано от тях, изразено чрез координати и време, остава непроменено.
• Резултатите от продължаващите механични експерименти позволяват да се установи дали референтната система ще бъде в покой, или ще извършва праволинейно равномерно движение. Всяка система може условно да се признае за неподвижна, ако другата в същото време се движи спрямо нея с определена скорост.
• Уравненията на механиката остават непроменени по отношение на координатните трансформации в случай на преход от една система към друга. Възможно е да се опише едно и също явление в различни системи, но тяхната физическа природа няма да се промени.

Разрешаване на проблем

Първи пример.

Определете дали една инерциална отправна система е: а) изкуствен спътник на Земята; б) детски атракцион.

Отговор.В първия случай не става въпрос за инерционна референтна система, тъй като спътникът се движи в орбита под въздействието на силата на гравитацията, следователно движението се извършва с известно ускорение.

Втори пример.

Системата за отчитане е здраво свързана с асансьора. В какви ситуации може да се нарече инерционен? Ако асансьорът: а) падне; б) се движи равномерно нагоре; в) нараства бързо г) равномерно насочени надолу.

Отговор.а) При свободно падане се появява ускорение, така че отправната система, която е свързана с асансьора, няма да бъде инерционна.

б) При равномерно движение на асансьора системата е инерционна.

в) При движение с известно ускорение референтната система се счита за инерционна.

г) Асансьорът се движи бавно, има отрицателно ускорение, така че референтната система не може да се нарече инерционна.

Заключение

През цялото си съществуване човечеството се опитва да разбере явленията, които се случват в природата. Опити за обяснение на относителността на движението са направени от Галилео Галилей. Исак Нютон успява да изведе закона за инерцията, който започва да се използва като основен постулат при изчисленията в механиката.

В момента системата за определяне на положението на тялото включва тялото, устройството за определяне на времето, както и координатната система. В зависимост от това дали тялото е подвижно или неподвижно, е възможно да се характеризира позицията на определен обект в желания период от време.

Инерционни отправни системинаричат ​​такива системи, по отношение на които всички тела, които не изпитват действието на сили, се движат равномерно и праволинейно.

Ако някоя референтна система се движи по отношение на инерционната рамка транслационно, но не праволинейно и равномерно, а с ускорение или въртене, тогава такава рамка не може да бъде инерционна и законът на инерцията в нея не е изпълнен.

Във всичко инерционни отправни системивсички механични и физични процеси протичат по абсолютно същия начин (при еднакви условия).

Според принципа на относителността всичко инерционни отправни системиса равни и всички проявления на законите на физиката в тях изглеждат еднакви, а записите на тези закони в различни инерциални отправни системи имат една и съща форма.

Ако в изотропно пространство има поне един инерционна отправна системастигаме до извода, че има безкраен брой такива системи, движещи се прогресивно, равномерно и праволинейно една спрямо друга. Ако съществуват инерционни отправни системи, тогава пространството е хомогенно и изотропно, а времето е хомогенно.

Законите на Нютони са изпълнени само други закони на динамиката в инерциални отправни системи.

Помислете за пример за инерционни и неинерционни системи. Вземете количка с две топки върху нея. Единият от тях лежи на хоризонтална повърхност, а другият е окачен на нишка. Първо, количката се движи спрямо Земята по права линия и равномерно ( А). Силите, действащи върху всяка топка вертикално, са балансирани и никакви сили не действат върху топките хоризонтално (силата на съпротивление на въздуха може да се пренебрегне).

При всяка скорост на количката спрямо земята ( υ 1, υ 2, υ 3и т.н.) топките ще бъдат в покой спрямо количката, основното е, че скоростта е постоянна.

Когато обаче количката се удари в пясъчен насип ( b), скоростта му ще започне бързо да намалява, в резултат на което количката ще спре. По време на спирането на количката и двете топки ще започнат да се движат - те ще променят скоростта си спрямо количката, въпреки че никакви сили не ги тласкат.

В този пример първата (условно неподвижна) отправна система е Земята. Втората отправна система, движеща се спрямо първата, е количката. Докато количката се движи равномерно и праволинейно, топките са в покой спрямо количката, т.е. законът за инерцията е изпълнен. Веднага щом количката започна да се забавя, т.е. започна да се движи с ускорение спрямо инерционната (първата) отправна система, законът на инерцията престана да се изпълнява.

Няма строго инерционна отправна система. Реалната референтна система винаги е свързана с някакво конкретно тяло, по отношение на което се изследват различни обекти. Всички реални тела се движат с някакъв вид ускорение, следователно всяка реална отправна система може да се счита за инерционна само приблизително.

инерционна системаразгледани с много висока степен на точност хелиоцентрична система, свързан с центъра на Слънцето и координатни оси, насочени към три далечни звезди. Тази система се използва в проблемите на небесната механика и космонавтиката. В повечето технически проблеми инерционна отправна система се счита за всяка система, твърдо свързана със земята (или всяко тяло, което е в покой или се движи праволинейно и равномерно спрямо повърхността на Земята).