§ 7. Первый закон Ньютона

Определения и обозначения

Инерция — свойство тела сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения при отсутствии внешнего воздействия. Иначе говоря, тело не изменяет свою скорость само по себе. Это понятие помогает объяснить, почему движущаяся шайба продолжает скользить, а пассажир наклоняется при разгоне автобуса.

Инерциальная система отсчёта — система отсчёта, в которой свободное тело покоится или движется равномерно и прямолинейно. Свободным называют тело, на которое равнодействующая сил равна нулю. Это уточнение нужно потому, что первый закон Ньютона выполняется именно в таких системах.

Равнодействующая сил — сила, заменяющая совместное действие нескольких сил и равная их векторной сумме. Обозначить её можно как F_равн. Чтобы понять, изменится ли движение тела, нужно учитывать не каждую силу отдельно, а их общий результат.

Первый закон Ньютона утверждает: тело сохраняет покой или равномерное прямолинейное движение, если равнодействующая сил равна нулю. Условие записывают так: ΣF = 0. Закон объединяет два внешне разных случая: неподвижное тело и тело, движущееся с постоянной скоростью.

Как это устроено

Тело само по себе не начинает разгоняться, тормозить или поворачивать, потому что сохранение движения является его свойством — инерцией. Если тело покоится, оно стремится оставаться в покое. Если оно движется, то без ненулевой равнодействующей сохраняет прежние направление и скорость.

В повседневной жизни инерцию легко заметить в транспорте. При резком начале движения автобуса ноги пассажира увлекаются вместе с полом, а верхняя часть тела стремится сохранить покой, поэтому пассажир отклоняется назад. При торможении автобус замедляется, но тело пассажира продолжает двигаться вперёд с прежней скоростью.

Опыты с тележками показывают ту же закономерность. Толчок сообщает тележке скорость, а затем при уменьшении сопротивления она дольше движется почти равномерно и прямолинейно. Значит, остановка тележки связана не с исчезновением инерции, а с действием сопротивления и трения, создающих равнодействующую, направленную против движения.

Проверяя первый закон, нужно учитывать все силы, действующие на тело: тяжесть, реакцию опоры, трение, сопротивление воздуха, тягу и другие. Отдельная сила ещё не показывает, изменится ли скорость. Сначала определяют направления и величины сил, затем находят их векторную сумму — равнодействующую.

Отсутствие сил и нулевая равнодействующая — не одно и то же. Например, на книгу действуют сила тяжести вниз и сила реакции стола вверх, но они уравновешены. Первый закон формулируют для инерциальных систем отсчёта, потому что в ускоренно движущейся системе тело может казаться изменяющим скорость даже при нулевой равнодействующей реальных сил.

Состояние тела при различных значениях равнодействующей сил

Сначала определите, меняется ли скорость тела по величине или направлению. Если скорость постоянна и траектория прямая, равнодействующая равна нулю; если тело покоится, это также возможно. Затем проверьте, не уравновешивают ли друг друга действующие силы.

Разбор задач

Две противоположные силы

На тело действуют две силы по 8 Н, направленные в противоположные стороны. Требуется найти равнодействующую и определить характер движения. Направим ось вдоль первой силы и учтём, что вторая сила имеет противоположный знак.

1. Запишем силы с учётом направлений: F₁ = 8 Н, F₂ = −8 Н.
2. Сложим их: F_равн = F₁ + F₂ = 8 Н − 8 Н = 0 Н.
3. По первому закону сделаем вывод: тело сохраняет покой или равномерное прямолинейное движение, если оно уже находилось в одном из этих состояний.

Ответ: равнодействующая равна 0 Н; скорость тела не изменяется.

Равномерное движение тележки

Тележка движется по горизонтальной поверхности равномерно и прямолинейно. Нужно сделать вывод о силах, хотя их значения не указаны. Характер движения уже даёт необходимую информацию о равнодействующей.

1. Скорость тележки постоянна, а направление движения не меняется.
2. Следовательно, ускорения нет, и равнодействующая сил равна нулю.
3. Это не означает отсутствия сил: сила тяжести и реакция поверхности могут уравновешиваться по вертикали, а тяга и сопротивление — по горизонтали.

Ответ: равнодействующая равна нулю, но отдельные силы могут действовать и взаимно уравновешиваться.

Пассажир в автобусе

Пассажир отклоняется назад при начале движения автобуса и вперёд при резком торможении. Рассмотрим явление относительно автобуса, который изменяет свою скорость, тогда как тело пассажира стремится сохранить прежнее состояние.

1. При начале движения автобус ускоряется вперёд, а пассажир сначала сохраняет покой относительно дороги, поэтому кажется отклоняющимся назад.
2. При торможении автобус замедляется, а пассажир продолжает двигаться вперёд по инерции.
3. После того как силы через опору изменят скорость пассажира, он снова будет двигаться вместе с автобусом.

Ответ: оба отклонения объясняются инерцией пассажира при изменении скорости автобуса.

Типичные ошибки

Ошибка 1: считать, что при равномерном движении силы вообще не действуют. Так думают, потому что движение связывают только с силой, но силы могут уравновешиваться. Проверьте себя: перечислите все силы и найдите их сумму.

Ошибка 2: путать нулевую равнодействующую с отсутствием сил. Ошибка возникает, если сложение сил выполняют без учёта направлений. Проверьте, не компенсирует ли одна сила другую.

Ошибка 3: утверждать, что тело без силы обязательно остановится. Такое заключение появляется из-за действия трения в обычных опытах, хотя именно трение изменяет скорость. Спросите себя, есть ли сила сопротивления; если её нет, движение сохраняется.

Ошибка 4: применять закон в любой системе отсчёта. Ускорение самой системы может создавать видимость изменения движения. Всегда уточняйте, является ли выбранная система отсчёта инерциальной.

Связь с другими темами

Для понимания закона нужны понятия механического движения, скорости, системы отсчёта и силы. Также необходимо уметь складывать направленные силы и учитывать их направления.

Первый закон Ньютона подготавливает изучение второго закона. Второй закон связывает ненулевую равнодействующую с ускорением тела и показывает, как именно изменяется его движение.

Закон используют при объяснении движения транспорта и поведения пассажиров. Он также помогает анализировать работу измерительных приборов и различные механические ситуации.

Что запомнить

• Инерция — свойство тела сохранять свою скорость.
• При нулевой равнодействующей тело сохраняет покой или равномерное прямолинейное движение.
• Нулевая равнодействующая не означает отсутствия всех сил.
• Изменение скорости тела указывает на ненулевую равнодействующую.
• Первый закон Ньютона справедлив в инерциальных системах отсчёта.
• Покой и равномерное прямолинейное движение являются равноправными состояниями тела при нулевой равнодействующей.