"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 3 частях)", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.; под ред. Орлова В.А. (ч. 1); Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И., под ред. Орлова В.А. (ч. 2); Генденштейн Л.Э., Кошкина А.В., Левиев Г.И. (ч. 3)
Первый закон Ньютона описывает, как движется тело, когда внешние воздействия уравновешены: оно сохраняет покой или равномерное прямолинейное движение. Закон помогает отличить причину изменения скорости от условия, при котором скорость не меняется. Для его применения нужно учитывать не каждую силу по отдельности, а их векторную сумму — равнодействующую. Закон выполняется в инерциальных системах отсчёта; земную систему во многих задачах можно считать такой приближённо.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Первый закон Ньютона утверждает: в инерциальной системе отсчёта тело сохраняет покой или равномерное прямолинейное движение, если другие тела на него не действуют либо их действия скомпенсированы. Иными словами, без нескомпенсированного воздействия скорость не меняется. Закон позволяет определить, когда движение остаётся прежним.
Инерция — явление сохранения телом скорости, когда внешнее воздействие отсутствует или уравновешено. Это свойство проявляется и у покоящегося, и у движущегося тела. Понятие помогает объяснить, почему тело не обязано останавливаться само по себе.
Инерциальная система отсчёта — система, в которой при нулевой равнодействующей тело покоится или движется равномерно и прямолинейно. Система отсчёта задаёт, относительно чего описывают положение и движение. Понятие нужно, потому что формулировка первого закона справедлива не в любой системе.
Равнодействующая сил — векторная сумма всех сил, действующих на тело. Векторы складывают с учётом их направлений, поэтому силы могут компенсировать друг друга. Для первого закона существенно, равна ли эта сумма нулю, а не просто то, действуют ли отдельные силы.
На скользкой поверхности шайба после толчка некоторое время движется, хотя её уже не толкают. Постепенно она замедляется из-за трения и сопротивления воздуха: скорость меняется вследствие воздействия этих тел. Если уменьшить трение, шайба проедет дальше, поэтому остановку нельзя считать естественным стремлением тела. Инерция означает сохранение прежней скорости, когда изменение движения не вызвано нескомпенсированными силами.
Покой и равномерное прямолинейное движение равноправны: и там и там скорость тела постоянна. Различие лишь в том, что при покое она равна нулю. Например, пассажир сидит неподвижно относительно автобуса, но движется относительно дороги вместе с ним. Поэтому о покое можно говорить только после указания системы отсчёта.
Если равнодействующая сил равна нулю, тело сохраняет скорость — её модуль и направление. Отдельные силы при этом могут действовать, если их векторная сумма обнуляется. Если равнодействующая не равна нулю, условия первого закона для сохранения скорости не выполнены: закон не утверждает, что скорость останется прежней. Изменения скорости — её величины или направления — указывают на нескомпенсированное воздействие.
Первый закон формулируют для инерциальных систем отсчёта, потому что в ускоренно движущейся системе наблюдаемое движение может меняться даже без привычного внешнего воздействия. Чтобы проверить выбранную систему, рассматривают тела, на которые силы не действуют или уравновешены: если они сохраняют покой или равномерное прямолинейное движение, система ведёт себя как инерциальная. В задачах систему, связанную с Землёй, обычно принимают приближённо инерциальной. Это упрощение допустимо, когда влияние вращения и движения Земли мало.
Полностью исключить все воздействия в реальном опыте трудно: рядом всегда могут оставаться трение, сопротивление воздуха или притяжение других тел. Поэтому экспериментаторы стараются уменьшить эти влияния или уравновесить силы. Если остаточное воздействие очень мало, движение тела близко к описанному законом. Так опыт позволяет проверить идеальный случай по приближению к нему.
| Условие или понятие | Что происходит с телом | Пример или пояснение |
|---|---|---|
| Равнодействующая сил равна нулю | Скорость тела не изменяется | Силы могут отсутствовать или взаимно компенсироваться |
| Тело покоится | Скорость остаётся нулевой | Покой рассматривается относительно выбранной системы отсчёта |
| Тело движется равномерно и прямолинейно | Сохраняются модуль и направление скорости | Изменение скорости указывало бы на нескомпенсированное воздействие |
| Инерциальная система отсчёта | В ней выполняется первый закон Ньютона | Система отсчёта, связанная с Землёй, часто используется как приближённо инерциальная |
Сначала установите, какое условие дано: нулевая равнодействующая, покой или равномерное прямолинейное движение. Затем сопоставьте его со следствием в среднем столбце. Последний столбец помогает проверить смысл вывода на примере.
Автомобиль движется по прямой, и его скорость постоянна, то есть не меняются ни её модуль, ни направление. Значит, движение равномерное и прямолинейное. Рассуждаем в системе отсчёта, связанной с дорогой, которую в такой задаче принимают инерциальной.
Ответ: равнодействующая сил, действующих на автомобиль, равна нулю.
Книга неподвижна относительно стола, значит, её скорость не меняется. На неё действуют сила тяжести, направленная вниз, и сила реакции опоры стола, направленная вверх. Поскольку книга остаётся в покое, эти силы уравновешены.
Ответ: на книгу действуют сила тяжести и реакция опоры; они компенсируют друг друга, поэтому состояние книги не меняется.
До торможения пассажир и автобус двигались вперёд с общей скоростью. Когда автобус резко замедляется, тело пассажира стремится сохранить эту скорость, поэтому относительно салона пассажир смещается вперёд. Это проявление инерции, а не действие отдельной силы, толкающей человека вперёд. Движение нужно сравнивать с выбранной системой отсчёта.
Ответ: пассажир смещается вперёд относительно тормозящего автобуса по инерции; отдельной силы, толкающей его вперёд, нет.
Ошибка — считать, что для равномерного движения нужна постоянная сила, направленная вперёд. Так рассуждают, потому что в быту движущиеся предметы обычно тормозятся трением и сопротивлением воздуха. Проверьте себя: если скорость не меняется, первый закон требует нулевой равнодействующей, а не обязательного толчка вперёд.
Ошибка — заключать, что при нулевой равнодействующей тело обязательно покоится. Покой кажется главным состоянием, потому что многие предметы вокруг неподвижны относительно комнаты. Проверьте вывод, спросив, может ли тело сохранять ненулевую постоянную скорость: прямолинейное равномерное движение тоже удовлетворяет закону.
Ошибка — считать, что первый закон неприменим, если на тело действуют силы. Такое мнение возникает, когда каждую силу рассматривают отдельно. Нужно сложить их как векторы: если сумма равна нулю, силы компенсированы и скорость сохраняется. Например, проверьте направление силы тяжести и реакции опоры у книги на столе.
Ошибка — называть инерцию силой, которая толкает или тянет тело. Так можно истолковать выражения вроде «пассажира бросило вперёд», но это описание движения относительно автобуса, а не отдельного взаимодействия. Проверьте себя: инерция обозначает явление сохранения скорости, а силу всегда связывают с действием другого тела.
Для понимания закона понадобятся понятия скорости, равномерного прямолинейного движения и системы отсчёта. Также нужно уметь складывать силы как векторы: одинаково направленные складываются, противоположно направленные могут компенсироваться. Эти знания помогают определить, меняется ли скорость и чему равна равнодействующая.
Первый закон задаёт условия, при которых скорость сохраняется, и вводит инерциальные системы отсчёта. На этой основе изучают второй закон Ньютона, связывающий равнодействующую с изменением движения, и третий закон, описывающий взаимодействие тел. Вместе законы Ньютона образуют основу динамики — раздела механики о причинах движения.
Почему движущееся тело продолжает двигаться, если его никто не толкает?
Тело сохраняет скорость по инерции, если равнодействующая сил равна нулю. Сила нужна не для поддержания равномерного движения, а для изменения скорости — например, для разгона или торможения.
Обязательно ли тело при нулевой равнодействующей находится в покое?
Нет. Оно может как покоиться, так и двигаться равномерно и прямолинейно. Покой — это частный случай движения с постоянной скоростью, равной нулю.
Могут ли на тело действовать силы, если их равнодействующая равна нулю?
Да, на тело могут действовать несколько сил, которые взаимно компенсируются. Например, на книгу на столе действуют сила тяжести и сила реакции опоры, направленные противоположно.
Почему пассажира наклоняет вперёд при торможении автобуса?
Автобус замедляется, а тело пассажира стремится сохранить прежнюю скорость. Поэтому относительно автобуса пассажир смещается вперёд; отдельная сила, толкающая его вперёд, для объяснения не требуется.
Можно ли считать систему отсчёта, связанную с Землёй, инерциальной?
Во многих школьных задачах — приближённо можно. Земля вращается и движется по орбите, поэтому строго инерциальной такую систему считать нельзя, но влияние этих движений часто мало.
1. Первый закон Ньютона (Закон инерции)
