54. Инерция и первый закон Ньютона

Определения и обозначения

Инерция — явление сохранения телом состояния покоя или равномерного прямолинейного движения, если действие других тел не изменяет это состояние. Иначе говоря, тело не начинает разгоняться, замедляться или поворачивать само по себе. Это понятие помогает объяснить, почему для изменения скорости требуется действие других тел.

Инерциальная система отсчёта — система отсчёта, в которой тело при нулевой равнодействующей сил сохраняет покой или движется равномерно и прямолинейно. Система отсчёта включает тело отсчёта и способ определять положение и движение относительно него. Это понятие нужно, потому что закон движения нельзя применять, не уточнив, относительно чего наблюдают тело.

Первый закон Ньютона — закон, согласно которому существуют инерциальные системы отсчёта, а в них тело сохраняет покой или равномерное прямолинейное движение, если равнодействующая приложенных сил равна нулю. Он связывает движение тела с суммарным действием сил. С его помощью проверяют, будет ли скорость тела меняться.

Равнодействующая сила — сила, заменяющая совместное действие нескольких сил и равная их векторной сумме. При сложении важно учитывать не только значения сил, но и направления. Равнодействующая позволяет заменить несколько воздействий одним и применить первый закон Ньютона.

Как это устроено

Изменение движения связано с действием других тел. Например, неподвижный мяч начинает катиться после удара, а движущийся мяч меняет направление, если его отбить. В обоих случаях скорость изменилась из-за внешнего воздействия: удара, толчка или контакта с поверхностью. Без такого воздействия нельзя объяснить начало движения или изменение скорости.

Инерция проявляется в том, что тело сохраняет свою скорость, пока воздействие других тел не меняет её. Скорость — это не только быстрота, но и направление движения, поэтому поворот тоже означает изменение скорости. Если тело покоится, его скорость равна нулю; если движется равномерно по прямой, её значение и направление постоянны. Так инерция описывает сохранение как покоя, так и движения.

В повседневной жизни предметы часто останавливаются, потому что на них действуют трение и сопротивление воздуха. Например, санки после толчка замедляются из-за трения о снег, а брошенный предмет теряет скорость из-за сопротивления воздуха. Мы можем ошибочно решить, что движение прекращается само собой, потому что эти силы не всегда заметны. Если уменьшить трение, предмет будет скользить дольше, что показывает роль сопротивления.

Для описания движения важна не каждая сила отдельно, а их равнодействующая. На книгу, лежащую на столе, действуют сила тяжести вниз и сила со стороны стола вверх; если они равны, их совместное действие не меняет скорость книги. Поэтому отдельные силы могут быть приложены, но уравновешивать друг друга. При сложении сил учитывают их направления: противоположно направленные силы вычитают, а сонаправленные складывают.

Инерциальная система отсчёта нужна, чтобы правильно связать силы и изменение движения. Например, наблюдатель в резко тормозящем автобусе видит, что пассажиры наклоняются вперёд; сам автобус меняет скорость, поэтому такая система отсчёта не описывает ситуацию как инерциальную. Первый закон Ньютона утверждает, что инерциальные системы существуют. В каждой такой системе тело при нулевой равнодействующей покоится или движется равномерно и прямолинейно.

Действие равнодействующей силы и движение тела

Сначала найди равнодействующую всех сил, а затем выбери соответствующую строку таблицы. Если она равна нулю, тело не обязано покоиться: оно может сохранять постоянную скорость. Если равнодействующая не равна нулю, скорость тела изменяется.

Разбор задач

Задача 1. На книгу, лежащую на столе, действуют сила тяжести 5 Н вниз и сила реакции опоры 5 Н вверх. Нужно определить равнодействующую и объяснить, почему книга покоится. Поскольку силы направлены противоположно, сравним их значения.

1. Записываем силы: 5 Н вниз и 5 Н вверх.
2. Вычитаем модули противоположно направленных сил: 5 Н − 5 Н = 0 Н.
3. По первому закону Ньютона при нулевой равнодействующей тело сохраняет покой или равномерное прямолинейное движение. Книга уже покоится, поэтому остаётся в покое.

Ответ: равнодействующая равна 0 Н, книга покоится, потому что силы уравновешены.

Задача 2. Санки скользят по горизонтальному льду. Сила трения равна 2 Н и направлена против движения, а приложенная сила равна 2 Н и направлена по движению. Требуется выяснить, как меняется движение санок. Сначала определим суммарное действие сил вдоль направления движения.

1. Приложенная сила направлена по движению, а сила трения — против него.
2. Вычитаем модули: 2 Н − 2 Н = 0 Н, значит, равнодействующая равна нулю.
3. По первому закону Ньютона скорость не меняется. Санки продолжают двигаться равномерно и прямолинейно.

Ответ: санки продолжают скользить с прежней скоростью, потому что силы уравновешены.

Задача 3. На тело действуют силы 6 Н вправо и 2 Н влево. Нужно выяснить, может ли тело двигаться равномерно и прямолинейно в инерциальной системе отсчёта. Направления сил противоположны, но их значения неодинаковы.

1. Вычитаем меньшую силу из большей: 6 Н − 2 Н = 4 Н.
2. Равнодействующая равна 4 Н и направлена вправо, то есть не равна нулю.
3. Первый закон допускает неизменную скорость только при нулевой равнодействующей. Здесь это условие не выполнено, поэтому тело не может продолжать равномерное прямолинейное движение с неизменной скоростью.

Ответ: нет, при таких силах равнодействующая равна 4 Н вправо, поэтому скорость тела изменяется.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что для поддержания движения обязательно нужна сила в направлении движения. Так думают, потому что в обычной жизни толчок прекращается, а предмет вскоре останавливается. Но это происходит из-за трения и сопротивления среды; проверь, станет ли равнодействующая нулевой, если учесть все силы.

Ошибка: утверждать, что движущееся тело без толчка обязательно остановится. Так кажется, если не замечать силу трения и сопротивление воздуха. Сравни движение предмета на шероховатой и гладкой поверхности: при меньшем трении он дольше сохраняет скорость. Значит, причиной остановки служит действие сил, а не само движение.

Ошибка: применять первый закон в любой системе отсчёта. Её допускают, забывая, что наблюдатель сам может двигаться с ускорением, например находиться в тормозящем автобусе. Перед применением закона проверь, рассматривается ли инерциальная система, в которой тело при нулевой равнодействующей сохраняет скорость.

Ошибка: думать, что при наличии сил равномерное движение невозможно. Причина — смешение наличия отдельных сил с их суммарным действием. Проверь направления и сложи силы: если они уравновешены и равнодействующая равна нулю, тело может двигаться равномерно и прямолинейно.

Связь с другими темами

Чтобы изучать инерцию, нужно знать, что такое система отсчёта, скорость и равномерное прямолинейное движение. Скорость показывает, как меняется положение тела со временем, а система отсчёта позволяет описывать это движение. Первый закон Ньютона помогает понять, при каких условиях скорость сохраняется. Он служит основой для второго закона Ньютона, который изучает изменение движения под действием равнодействующей силы.

Что запомнить

• Инерция — явление сохранения состояния движения тела.
• Скорость тела меняется под действием других тел.
• В первом законе учитывают равнодействующую всех приложенных сил.
• При нулевой равнодействующей тело покоится или движется равномерно и прямолинейно.
• Первый закон Ньютона выполняется в инерциальных системах отсчёта.