"Физика. Базовый и углубленный уровни (в 2 частях) ", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.
Первый закон Ньютона объясняет, почему тело не меняет скорость само по себе: если силы уравновешены, оно остаётся в покое или движется равномерно и прямолинейно. Для применения закона нужно выбрать инерциальную систему отсчёта — такую, в которой это правило выполняется. Закон помогает отличать силу, изменяющую движение, от сил, которые лишь уравновешивают друг друга, и разбирать ситуации с покоем, трением и движением по прямой.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Инерция — явление сохранения телом состояния покоя или равномерного прямолинейного движения, если действие других тел не изменяет это состояние. Проще говоря, тело не меняет скорость без причины, связанной с воздействием других тел. Это понятие помогает объяснить, почему движение может продолжаться и после прекращения толчка.
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, чтобы описать положение и движение. Понятие нужно потому, что закон движения нельзя применять, не уточнив, относительно чего наблюдают тело.
Первый закон Ньютона утверждает, что существуют инерциальные системы отсчёта, в которых тело при нулевой равнодействующей сил сохраняет покой или равномерное прямолинейное движение. Это закон о движении тела при отсутствии нескомпенсированного воздействия. Он позволяет понять, что для изменения скорости нужна ненулевая равнодействующая.
Равнодействующая сила — сила, равная векторной сумме всех сил, действующих на тело. При сложении учитывают не только величины сил, но и направления: противоположные силы могут компенсировать друг друга. Равнодействующая нужна, чтобы рассматривать совместное действие нескольких сил как одно общее воздействие.
Наблюдая за телами, Галилей заметил: движущиеся предметы обычно останавливаются не сразу, а постепенно. Если поверхность сделать более гладкой, тело проходит большее расстояние, прежде чем остановиться. Причина в том, что уменьшается трение — воздействие, которое изменяет скорость. Если представить, что трения и других препятствующих сил нет, нет причины, по которой движение должно прекратиться.
В повседневной жизни кажется, будто сила нужна, чтобы поддерживать движение: например, чтобы тележка ехала, её приходится толкать. Но толчок нужен не для самого движения, а для преодоления трения и сопротивления воздуха. На гладком льду шайба после толчка скользит дольше, потому что тормозящее воздействие мало. Значит, сила изменяет скорость, а при слабом воздействии тело дольше сохраняет прежнее движение.
Первый закон формулируют через равнодействующую сил: если она равна нулю, скорость тела не изменяется. Это включает два случая. Если тело до этого покоилось, оно продолжает покоиться; если уже двигалось, то продолжает двигаться равномерно и прямолинейно. Равномерность означает постоянство скорости, а прямолинейность — неизменность направления движения.
Закон не утверждает, что так ведут себя тела в любой системе отсчёта. Он говорит о существовании систем, в которых это правило выполняется; их называют инерциальными. На практике систему, связанную с Землёй, во многих школьных задачах считают приближённо инерциальной, если вращением Земли можно пренебречь. Чтобы проверить пригодность системы, рассматривают движение тел при нулевой равнодействующей: если скорость сохраняется, система подходит для применения закона.
Движение описывают относительно выбранной системы отсчёта, поэтому один и тот же объект может выглядеть по-разному для разных наблюдателей. Пассажир сидит неподвижно относительно вагона, но движется относительно Земли вместе с поездом. Это не противоречие: изменилось не состояние самого пассажира, а система, относительно которой его положение описывают. Поэтому перед выводом о покое или движении всегда уточняют систему отсчёта.
Чтобы воспользоваться таблицей, сначала определите, покоилось ли тело или двигалось до рассматриваемого момента. Затем проверьте, равна ли нулю сумма всех действующих на него сил. Если она равна нулю, скорость сохраняется: и её величина, и направление.
| Случай | Условие | Что происходит со скоростью | Характер движения |
|---|---|---|---|
| Тело первоначально покоится | Равнодействующая сил равна нулю | Скорость остаётся равной нулю | Тело продолжает покоиться |
| Тело уже движется | Равнодействующая сил равна нулю | Величина и направление скорости не меняются | Равномерное прямолинейное движение |
| Действующие силы уравновешены | Векторная сумма сил равна нулю | Скорость не изменяется | Покой или равномерное прямолинейное движение — в зависимости от начального состояния |
Книга лежит на горизонтальном столе. Нужно назвать действующие на неё силы и объяснить, почему положение книги не меняется. Рассматриваем книгу относительно системы, связанной со столом, которую в этой задаче считаем инерциальной. Силы следует учитывать как векторы, то есть с направлением.
Ответ: на книгу действуют сила тяжести и реакция опоры; они уравновешены, поэтому книга сохраняет состояние покоя.
Автомобиль движется по прямому горизонтальному участку дороги с постоянной скоростью. Требуется сделать вывод о равнодействующей сил, а не утверждать, что на автомобиль вообще ничего не действует. Выбираем систему отсчёта, связанную с дорогой, и применяем первый закон Ньютона к равномерному прямолинейному движению.
Ответ: равнодействующая сил, действующих на автомобиль, равна нулю, хотя отдельные силы продолжают действовать.
Шайба скользит по гладкому горизонтальному льду, и толчок уже прекращён. Нужно определить силы и описать дальнейшее движение. Рассмотрим шайбу относительно льда, считая эту систему приближённо инерциальной, а трение и сопротивление воздуха — очень малыми. Именно оценка этих воздействий помогает понять, будет ли скорость сохраняться точно или лишь приблизительно.
Ответ: действуют сила тяжести, реакция опоры и, в реальности, небольшие силы сопротивления. При пренебрежимо малом сопротивлении шайба после толчка движется равномерно и прямолинейно.
Ошибка: считать, что для движения обязательно нужна сила в направлении движения. Так думают, потому что в обычных условиях толкаемый предмет действительно едет дольше, чем предмет без толчка; при этом не замечают трения. Проверка: спросите себя, исчезнет ли необходимость в толчке на поверхности без сопротивления. Сила требуется для изменения скорости, а не для сохранения уже имеющейся.
Ошибка: утверждать, что при нулевой равнодействующей тело обязательно покоится. Покой заметнее, поэтому его легко принять за единственный возможный результат. Проверьте, было ли тело изначально движущимся: оно может сохранять равномерное прямолинейное движение. Закон сохраняет прежнюю скорость, а не обязательно устанавливает нулевую.
Ошибка: считать нулевую равнодействующую признаком отсутствия сил. Это смешение суммы сил с каждой силой по отдельности; например, книга испытывает и силу тяжести, и реакцию опоры. Чтобы проверить вывод, перечислите все взаимодействия и сложите силы с учётом направлений. Несколько сил могут полностью уравновеситься.
Ошибка: применять закон, не указывая систему отсчёта. Она часто остаётся незамеченной, потому что наблюдатель принимает собственную точку зрения за единственно возможную. Проверка: уточните, относительно какого тела описано движение, и подходит ли выбранная система для применения закона. Один объект может покоиться относительно одной системы и двигаться относительно другой.
Для понимания закона нужны понятия системы отсчёта, траектории, скорости и равномерного прямолинейного движения: без них нельзя описать, что именно сохраняется. При изучении второго закона Ньютона первый закон поможет распознавать случаи, когда равнодействующая равна нулю, и выбирать систему отсчёта. Понятие инерциальной системы понадобится и в дальнейшем — при разборе законов динамики и задач о движении тел.
Почему движущееся тело не останавливается само по себе?
Тело сохраняет скорость, если равнодействующая сил равна нулю и движение рассматривается в инерциальной системе отсчёта. В обычных условиях тело замедляется из-за трения и сопротивления воздуха, а не потому, что движение прекращается само.
Если равнодействующая сил равна нулю, обязательно ли тело покоится?
Нет. Тело может покоиться, но может и двигаться равномерно и прямолинейно. Нулевая равнодействующая означает, что скорость тела не изменяется.
Может ли на тело действовать несколько сил, если их равнодействующая равна нулю?
Да. Например, на книгу на столе действуют сила тяжести и сила реакции опоры, направленные противоположно. Если они равны по модулю, то взаимно уравновешиваются.
Как отличить инерциальную систему отсчёта от неинерциальной?
В инерциальной системе тело при нулевой равнодействующей сохраняет покой или равномерное прямолинейное движение. Если при таких условиях тело ускоряется относительно выбранной системы, она неинерциальная; например, так может вести себя система, связанная с резко тормозящим автомобилем.
Почему в реальной жизни тело обычно замедляется, хотя первый закон Ньютона говорит о сохранении движения?
В реальной жизни на движущееся тело обычно действуют силы трения или сопротивления воздуха, направленные против движения. Поэтому равнодействующая не равна нулю и скорость уменьшается. На гладкой поверхности эти силы меньше, и тело скользит дольше.
1. Первый закон Ньютона (Закон инерции)
