Первый закон Ньютона

Определение

Первый закон Ньютона гласит: существуют такие системы отсчёта, называемые инерциальными, относительно которых тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока на него не подействуют другие тела или действия других тел не будут скомпенсированы.

Суть закона инерции

Основная идея Первого закона Ньютона заключается в том, что тело по своей природе «стремится» сохранять своё текущее состояние движения. Если тело покоится, оно будет продолжать покоиться. Если движется, оно будет продолжать двигаться с той же скоростью и в том же направлении. Это свойство тел сохранять свою скорость при отсутствии внешних воздействий называется инерцией. Чем больше масса тела, тем сложнее изменить его скорость, то есть тем больше его инертность. Например, остановить движущийся автомобиль гораздо труднее, чем велосипед, из-за их разной массы.

Что такое инерциальные системы отсчёта

Для корректного применения Первого закона Ньютона необходимо понимать, что он действует только в особых системах отсчёта, которые называются инерциальными. Инерциальная система отсчёта — это такая система, которая либо покоится, либо движется прямолинейно и равномерно относительно другой инерциальной системы. Земля с достаточной точностью может считаться инерциальной системой для многих повседневных задач. Но, например, автомобиль, резко разгоняющийся или тормозящий, не является инерциальной системой отсчёта, так как в нём возникают дополнительные силы (силы инерции), которых нет в инерциальных системах.

Связь с силами

Первый закон Ньютона прямо говорит о том, что изменение состояния движения тела (то есть его скорости) происходит только под действием внешних сил. Если равнодействующая всех сил, действующих на тело, равна нулю, то скорость тела не меняется. Это не означает отсутствие сил вообще, а лишь то, что они компенсируют друг друга. Например, книга, лежащая на столе, находится в покое. На неё действует сила тяжести, направленная вниз, и сила реакции опоры, направленная вверх. Эти силы равны по модулю и противоположны по направлению, поэтому их равнодействующая равна нулю, и книга покоится.

Как найти и применять

1. Определите, какая система отсчёта используется. Убедитесь, что она инерциальная.
2. Выявите все силы, действующие на рассматриваемое тело.
3. Оцените, скомпенсированы ли эти силы. Если равнодействующая сил равна нулю, то силы скомпенсированы.
4. Сделайте вывод о движении тела: если силы скомпенсированы, тело либо покоится, либо движется равномерно и прямолинейно.

Разбор задач

Задача 1

Автомобиль движется по прямой горизонтальной дороге с постоянной скоростью 60 км/ч. Какие силы действуют на автомобиль и как они соотносятся?

1. Система отсчёта, связанная с дорогой, является инерциальной. 2. На автомобиль действуют: сила тяжести (направлена вниз), сила реакции опоры (направлена вверх), сила тяги двигателя (направлена вперёд, по ходу движения) и сила сопротивления воздуха и трения (направлена назад, против движения). 3. Поскольку автомобиль движется с постоянной скоростью, его состояние движения не меняется. Это значит, что равнодействующая всех сил, действующих на него, равна нулю. 4. Следовательно, сила тяжести компенсируется силой реакции опоры, а сила тяги компенсируется силой сопротивления.

Ответ: На автомобиль действуют сила тяжести, сила реакции опоры, сила тяги и сила сопротивления. Сила тяжести скомпенсирована силой реакции опоры, а сила тяги скомпенсирована силой сопротивления.

Задача 2

Космический аппарат находится в глубоком космосе, далеко от планет и звёзд, и движется с постоянной скоростью. Что произойдет с его движением, если выключить двигатели?

1. Система отсчёта, связанная с космическим аппаратом в глубоком космосе, может считаться инерциальной. 2. Поскольку аппарат далеко от массивных тел, гравитационные силы на него практически не действуют. Сопротивления воздуха нет. Если двигатели выключены, сила тяги отсутствует. Таким образом, равнодействующая всех внешних сил на аппарат равна нулю. 3. По Первому закону Ньютона, если на тело не действуют внешние силы или их действие скомпенсировано, оно сохраняет свою скорость. 4. Следовательно, космический аппарат продолжит двигаться с той же постоянной скоростью и в том же направлении.

Ответ: Космический аппарат продолжит двигаться с той же постоянной скоростью и в том же направлении, поскольку на него не действуют внешние силы, которые могли бы изменить его движение.

Где это встречается

• Ремни безопасности в автомобиле — При резком торможении тело пассажира по инерции продолжает двигаться вперёд, и ремни безопасности удерживают его, предотвращая удар о приборную панель или лобовое стекло.
• Торможение поезда — Пассажиры, стоящие в вагоне поезда, при резком торможении по инерции продолжают двигаться в сторону движения поезда, поэтому их может качнуть вперёд. Аналогично, при разгоне их клонит назад.
• Вращение Земли — Земля движется вокруг Солнца и вращается вокруг своей оси. Это движение продолжается благодаря инерции, так как космическое пространство является почти полным вакуумом, и силы сопротивления минимальны.
• Бросок ядра или молота — Спортсмен разгоняет снаряд, придавая ему скорость. После того как снаряд выпущен, он продолжает движение по инерции (по параболической траектории под действием силы тяжести), сохраняя приобретенную скорость по горизонтали.

Типичные ошибки

Не путать

• Второй закон Ньютона — Первый закон говорит о состоянии тела, когда силы скомпенсированы (равнодействующая равна нулю, скорость постоянна). Второй закон описывает, как изменяется движение тела (появляется ускорение), когда равнодействующая сил не равна нулю (F = ma).
• Инерция — Инерция — это свойство тела сохранять свою скорость. Первый закон Ньютона — это утверждение о существовании инерциальных систем отсчёта, в которых и проявляется это свойство (закон инерции).

Откуда взялось понятие

Первый закон Ньютона был сформулирован Исааком Ньютоном в его труде «Математические начала натуральной философии», опубликованном в 1687 году, основываясь на идеях Галилео Галилея об инерции.

Как запомнить

Если на тело не давят, оно не меняет скорость.