1. Закон инерции — Первый закон Ньютона

Определения и обозначения

Инерция — явление сохранения телом состояния покоя или равномерного прямолинейного движения, если действие других тел отсутствует или скомпенсировано. Иными словами, скорость тела сама собой не меняется. Это понятие помогает понять, почему для продолжения движения не требуется постоянное усилие, если ничто не замедляет тело.

Инерциальная система отсчёта — система, в которой тело при нулевой равнодействующей сил сохраняет покой или движется равномерно и прямолинейно. Систему отсчёта связывают с телом отсчёта и используют для описания положения и движения. Указание на инерциальность нужно, чтобы знать, в каких условиях можно применять закон инерции.

Первый закон Ньютона утверждает существование инерциальных систем отсчёта и описывает движение тела при нулевой равнодействующей сил. Равнодействующая — суммарное действие всех сил на тело, учитываемое с их направлениями. Если она равна нулю, скорость не изменяется; закон нужен, чтобы связать силы с характером движения.

Как это устроено

В быту кажется, что для движения нужна непрерывная сила: отпущенный предмет скользит недолго, а толкнутый мяч вскоре останавливается. Такое впечатление возникает потому, что тела взаимодействуют с поверхностью и воздухом. Трение и сопротивление направлены против движения и уменьшают скорость. Если их не учитывать, причина остановки исчезает, и привычный вывод о необходимости постоянной силы уже не подходит.

Представим, что шайбу толкнули по горизонтальному льду: чем глаже поверхность, тем дальше она скользит. При уменьшении трения замедление становится всё менее заметным. Мысленно продолжая этот опыт и исключая сопротивление, приходим к выводу, что скорость сохранялась бы неизменной. Значит, воздействие требуется для изменения движения, а не для его поддержания.

Характер движения нельзя описать, не указав, относительно чего его наблюдают. Например, пассажир, сидящий в равномерно движущемся поезде, покоится относительно вагона, но движется относительно Земли. В ускоряющемся автобусе пассажир может смещаться относительно салона, хотя его движение относительно дороги описывается иначе. Поэтому закон инерции формулируют для определённых систем отсчёта, а не безусловно для любого наблюдателя.

Первый закон Ньютона выделяет системы, в которых при нулевой равнодействующей тело сохраняет скорость. Такие системы называют инерциальными, и именно в них закон связывает суммарное действие сил с неизменностью движения. Если на тело действуют несколько сил, учитывают их совместный результат, а не каждую по отдельности. Нулевой результат может получиться и тогда, когда отдельные силы есть, но они уравновешивают друг друга.

Покой и равномерное прямолинейное движение не противопоставлены: оба означают, что скорость не меняется. При этом покой зависит от выбора системы отсчёта — тело, неподвижное относительно стола, движется относительно Земли вместе со столом. В системе, где тело покоится, его скорость равна нулю. Поэтому покой можно считать частным случаем движения с постоянной скоростью.

Движение тела при нулевой равнодействующей сил

Сначала определите, в каком состоянии тело было до рассматриваемого момента, а затем проверьте равнодействующую сил. Таблица показывает, что при её нулевом значении начальное состояние не исчезает, а сохраняется. Помните, что этот вывод относится к инерциальной системе отсчёта.

Разбор задач

Задача 1. Шайба скользит по гладкому горизонтальному льду. Объясните, почему она продолжает двигаться и как изменится её движение, если трением можно пренебречь.

1. Разделим причины движения и его изменения: шайба уже получила скорость при толчке, а дальнейшее движение не требует постоянного толкания.
2. На реальной шайбу действуют сила тяжести и реакция льда, которые направлены вертикально и компенсируют друг друга. Трение и сопротивление воздуха направлены против движения, поэтому в действительности шайба постепенно замедляется.
3. Если трением и сопротивлением можно пренебречь, вертикальные силы по-прежнему уравновешены, а горизонтальная равнодействующая равна нулю.

Ответ: шайба продолжает двигаться благодаря уже имеющейся скорости. Без трения и сопротивления она двигалась бы равномерно и прямолинейно.

Задача 2. На тело действуют две горизонтальные силы: 6 Н вправо и 6 Н влево. До этого тело покоилось. Определите его движение в инерциальной системе отсчёта.

1. Выберем направление вправо положительным: силы имеют одинаковые модули, но противоположные направления.
2. Их равнодействующая равна нулю: 6 Н − 6 Н = 0 Н. Значит, горизонтальное воздействие не изменяет скорость тела.
3. По условию тело изначально покоилось. Первый закон Ньютона говорит, что при нулевой равнодействующей оно сохранит это состояние.

Ответ: тело останется в покое. Нельзя заключать, что оно обязательно начнёт двигаться, только потому что на него действуют силы: важна их равнодействующая.

Задача 3. При начале движения автобуса пассажир отклоняется назад. Объясните наблюдение относительно автобуса и дороги и укажите, можно ли считать систему автобуса инерциальной.

1. Относительно дороги автобус разгоняется вперёд, а тело пассажира стремится сохранить прежнюю скорость. Поэтому сначала оно не приобретает скорость автобуса так же быстро, как салон.
2. Относительно салона пассажир смещается назад: автобус уходит вперёд относительно его тела. Это проявление инерции, а не отдельная сила, которая обязательно толкает пассажира назад.
3. Разгоняющийся автобус движется с ускорением относительно дороги. Если дорогу считать инерциальной системой, то систему, связанную с таким автобусом, в общем случае нельзя считать инерциальной.

Ответ: пассажир отклоняется назад относительно автобуса, потому что его тело сохраняет прежнюю скорость относительно дороги. Система разгоняющегося автобуса не является инерциальной.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что для равномерного движения обязательно нужна сила по направлению скорости. Обычно так думают, потому что в повседневных ситуациях трение и сопротивление действительно замедляют предметы. Проверьте себя: если равнодействующая равна нулю, скорость не меняется, а не исчезает.

Ошибка — заключать, что при нулевой равнодействующей тело обязательно покоится. Такой вывод упускает второй возможный случай: тело уже может двигаться с постоянной скоростью. Чтобы проверить себя, выясните начальное состояние: закон сохраняет и покой, и равномерное прямолинейное движение.

Ошибка — рассматривать отдельную силу вместо суммарного действия всех сил. Её допускают, когда замечают одну заметную силу и забывают о других, например о реакции опоры. Составьте перечень сил с направлениями и найдите их равнодействующую, прежде чем делать вывод о движении.

Ошибка — считать инерциальной любую систему отсчёта. Система, связанная с ускоряющимся или поворачивающим телом, обычно не подходит для прямого применения первого закона. Проверьте, движется ли выбранная система равномерно и прямолинейно относительно инерциальной; если нет, выводы нужно формулировать осторожно.

Связь с другими темами

Для понимания закона нужно знать, что такое система отсчёта, траектория и скорость. Также понадобится понятие равномерного прямолинейного движения: тело за равные промежутки времени проходит равные пути по прямой. Эти сведения позволяют описывать, что именно сохраняется при нулевой равнодействующей.

Первый закон подготавливает к изучению второго закона Ньютона. Первый описывает случай, когда равнодействующая равна нулю, а второй связывает ненулевую равнодействующую с изменением скорости тела. Вместе они помогают анализировать как неизменное, так и изменяющееся движение.

Понятие инерциальной системы отсчёта понадобится при изучении всех законов Ньютона и решении задач о движении. Перед применением закона важно уточнить, относительно какого тела или системы описывается движение. Это помогает не смешивать наблюдения разных наблюдателей.

Что запомнить

• Первый закон Ньютона выполняется в инерциальных системах отсчёта.
• Если равнодействующая сил равна нулю, скорость тела не меняется.
• При нулевой равнодействующей тело может покоиться или двигаться равномерно и прямолинейно.
• Инерция — сохранение телом состояния движения.
• Сила не поддерживает равномерное движение, а изменяет скорость тела.
• Покой — частный случай движения с нулевой скоростью.