11. Инерция. Первый закон Ньютона

Определения и обозначения

Инерция — явление сохранения телом состояния покоя или равномерного прямолинейного движения, если действие других тел не изменяет это состояние. Она помогает описать, почему скорость не меняется сама собой. Для движения важно учитывать не только скорость, но и то, как на тело действуют окружающие тела.

Инертность — свойство тела сопротивляться изменению скорости. Чем больше масса тела, тем труднее изменить его скорость при одинаковом воздействии; такое тело называют более инертным. Это свойство нужно учитывать, сравнивая, например, разгон лёгкой тележки и тяжёлого автомобиля.

Инерциальная система отсчёта — система, в которой тело при нулевой равнодействующей сил покоится или движется равномерно и прямолинейно. Система отсчёта включает тело отсчёта, связанную с ним систему координат и часы. Это определение позволяет понять, относительно какой системы можно применять закон движения.

Первый закон Ньютона утверждает, что существуют системы отсчёта, в которых тело сохраняет покой или равномерное прямолинейное движение, если равнодействующая сил равна нулю. Равнодействующая — это суммарная сила, полученная сложением всех действующих на тело сил с учётом их направлений. Закон задаёт условие неизменности скорости и вводит понятие инерциальной системы.

Как это устроено

Если толкнуть тележку, её скорость изменится: тележка взаимодействует с рукой, и возникает воздействие, способное изменить движение. При столкновении тележек их скорости также меняются, потому что тела действуют друг на друга. Наблюдения показывают: изменение скорости связано с взаимодействием, а не происходит без причины.

После толчка тележка не катится вечно, потому что колёса и поверхность взаимодействуют, а воздух оказывает сопротивление. Эти воздействия направлены против движения и постепенно уменьшают скорость. Если снизить трение и сопротивление, тележка будет двигаться дольше; значит, прекращение движения в быту нельзя принимать за отсутствие сил.

На тело часто действует несколько сил, и их эффекты могут компенсироваться. Например, если две силы равны по величине и противоположны по направлению, их суммарное действие равно нулю. Поэтому изменение скорости определяет равнодействующая, а не наличие какой-либо одной силы: отдельные силы могут действовать, но взаимно уравновешиваться.

При нулевой равнодействующей тело может как оставаться в покое, так и двигаться с постоянной скоростью по прямой. Покой — частный случай такого движения: скорость тела равна нулю и не меняется. Если же равнодействующая не равна нулю, скорость обязательно изменяется по модулю, по направлению или сразу обоими способами.

Первый закон Ньютона не выполняется в любой системе отсчёта. Например, в ускоряющемся автобусе пассажиру может казаться, что предмет смещается относительно салона, хотя это связано с ускорением самого автобуса. Поэтому закон формулируют для инерциальных систем отсчёта; именно относительно них изучают движение и действие сил.

Равнодействующая сил и характер движения тела

Сначала определите, равна ли нулю сумма сил, действующих на тело. Затем выберите подходящую строку таблицы и установите, что происходит со скоростью. При нулевой равнодействующей скорость не меняется, но это не означает, что тело обязательно покоится.

Разбор задач

Задача 1. Книга лежит на горизонтальном столе. Нужно назвать силы, действующие на неё, и объяснить, почему книга не начинает двигаться.

1. На книгу действует сила тяжести, направленная вниз, к Земле. Со стороны стола действует сила реакции опоры, направленная вверх. Эти силы направлены противоположно.
2. Пока книга покоится на горизонтальном столе, силы равны по величине. Поэтому их сумма равна нулю, и скорость книги не изменяется.

Ответ: на книгу действуют сила тяжести и реакция опоры; они уравновешены, поэтому книга остаётся в покое.

Задача 2. Шайба движется по льду почти прямолинейно и равномерно, но постепенно замедляется. Нужно объяснить причину и определить, как изменится движение при уменьшении трения.

1. Замедление означает, что скорость шайбы уменьшается. Значит, на неё действует ненулевая равнодействующая, направленная против движения.
2. Её создают сила трения между шайбой и льдом и сопротивление воздуха. Если уменьшить тормозящее воздействие, равнодействующая станет меньше и скорость будет снижаться медленнее.

Ответ: шайбу тормозят трение и сопротивление воздуха; при уменьшении этих воздействий она дольше сохранит движение, близкое к равномерному и прямолинейному.

Задача 3. На тело действуют силы: 8 Н вправо, 3 Н влево и 5 Н влево. Сначала тело покоилось. Нужно определить его движение, а затем выяснить, что изменится, если первую силу увеличить до 10 Н.

1. Выберем направление вправо положительным. При первой величине силы равнодействующая равна 8 − 3 − 5 = 0 Н. По первому закону тело, которое до этого покоилось, продолжит покоиться.
2. После увеличения силы равнодействующая станет 10 − 3 − 5 = 2 Н вправо. Она уже не равна нулю, поэтому прежнее состояние движения не сохранится: тело начнёт разгоняться вправо.

Ответ: сначала тело остаётся в покое; при силе 10 Н равнодействующая равна 2 Н вправо, и скорость тела начнёт изменяться.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что для поддержания равномерного движения обязательно нужна сила. Так кажется, потому что в быту предметы тормозятся трением и сопротивлением воздуха, и это воздействие часто незаметно. Проверьте себя: если равнодействующая равна нулю, скорость не меняется; сила нужна для её изменения, а не для сохранения равномерного движения.

Ошибка — отождествлять нулевую равнодействующую с отсутствием всех сил. Например, на книгу действуют сила тяжести и реакция опоры, но они уравновешены. Чтобы проверить вывод, перечислите каждую силу отдельно и сложите их с учётом направлений: нулевой должна быть сумма, а не обязательно каждая сила.

Ошибка — полагать, что при нулевой равнодействующей тело обязательно покоится. Это происходит из-за привычки считать покой единственным состоянием без изменения скорости. Проверьте условие: закон допускает также движение по прямой с постоянной скоростью, поэтому начальное движение тела имеет значение.

Ошибка — применять первый закон Ньютона к любой системе отсчёта. В ускоренной системе движение может выглядеть иначе, чем в инерциальной, и закон в такой системе напрямую не выполняется. Перед решением проверьте, рассматривается ли инерциальная система; если она не указана, не делайте вывод, что закон применим автоматически.

Связь с другими темами

Для изучения темы нужно знать, что такое тело, скорость, взаимодействие и сила. При решении задач важно уметь складывать силы с учётом направлений и различать силу и равнодействующую. Эти знания помогают установить, меняется ли скорость тела.

Первый закон Ньютона служит основой для второго закона, который связывает равнодействующую с изменением движения. Понятие инерциальной системы также нужно при выборе системы отсчёта в задачах механики. Без этого выбора описание движения может оказаться неверным.

Что запомнить

• Инерция — явление сохранения состояния покоя или равномерного прямолинейного движения.
• Инертность — свойство тела сопротивляться изменению скорости.
• Если равнодействующая сил равна нулю, скорость тела не изменяется.
• При нулевой равнодействующей тело может покоиться или двигаться равномерно и прямолинейно.
• Первый закон Ньютона выполняется в инерциальных системах отсчёта.
• Трение и сопротивление воздуха часто скрывают проявление инерции.