§ 14. Первый закон Ньютона

Определения и обозначения

Первый закон Ньютона утверждает: в инерциальной системе отсчёта тело сохраняет покой или равномерное прямолинейное движение, если другие тела не действуют на него или их действия уравновешены. Иначе говоря, без нескомпенсированного воздействия скорость тела не меняется. Закон нужен, чтобы определить, когда движение остаётся прежним, а когда следует искать причину его изменения.

Инерция — явление сохранения телом своей скорости, если действие других тел отсутствует или скомпенсировано. Скорость включает и быстроту движения, и его направление, поэтому при сохранении скорости тело не разгоняется, не замедляется и не поворачивает. Это понятие помогает объяснять, почему тело не меняет движение само по себе.

Инерциальная система отсчёта — система, в которой выполняется первый закон Ньютона. Систему отсчёта связывают с телом и используют для описания положения и движения других тел. Понятие нужно потому, что наблюдатели в разных системах могут по-разному описывать движение, и закон справедлив не в каждой из них.

Равнодействующая сила — сила, действие которой эквивалентно совместному действию всех сил на тело. Её находят с учётом величины и направления каждой силы; если силы уравновешены, равнодействующая равна нулю. Она позволяет заменить несколько воздействий одним и понять, меняется ли скорость тела.

Как это устроено

Изменение скорости происходит при взаимодействии тела с другими телами: например, толчок заставляет неподвижный мяч двигаться, а удар меняет направление летящего мяча. Причина изменения — действие силы со стороны другого тела. Если скорость не меняется, это не значит, что тело обязательно неподвижно: оно может двигаться с постоянной скоростью по прямой. Значит, покой и такое движение — два случая сохранения скорости.

В быту кажется, что для движения постоянно нужна сила: катящийся мяч останавливается, а санки постепенно замедляются. Но обычно на них действуют трение о поверхность и сопротивление воздуха, направленные против движения. Эти силы уменьшают скорость, поэтому предмет останавливается. Если уменьшить сопротивление, например катить шар по более гладкой поверхности, он будет двигаться дольше; тело не стремится остановиться само.

Первый закон выполняется, когда силы отсутствуют или уравновешены. Несколько сил могут действовать одновременно, но их совместное действие, то есть равнодействующая, будет нулевым. Тогда скорость не изменяется. Если же равнодействующая не равна нулю, движение меняется: тело может разгоняться, замедляться или менять направление.

При нулевой равнодействующей тело может как покоиться, так и продолжать равномерное прямолинейное движение. Например, книга на столе остаётся неподвижной, хотя на неё действуют сила тяжести и сила со стороны стола. У движущегося шара на поверхности, где можно пренебречь трением и сопротивлением, скорость сохраняется. В обоих случаях важен не сам факт наличия сил или движения, а то, равна ли нулю их равнодействующая.

Закон справедлив не в любой системе отсчёта: система, которая сама движется с ускорением или поворачивает, может показывать движение тела иначе. Например, при резком старте автобуса пассажир относительно автобуса отклоняется назад, хотя его тело стремится сохранить прежнее состояние движения. Инерциальной называют такую систему, в которой тело при нулевой равнодействующей сохраняет покой или движется равномерно и прямолинейно. Выбирая систему отсчёта, нужно помнить, что наблюдение движения и применение закона связаны.

Действие сил и движение тела

Сначала найдите все действующие на тело силы, затем выясните, уравновешивают ли они друг друга. Если равнодействующая равна нулю, по таблице можно заключить, что скорость сохраняется, но для выбора между покоем и движением нужны дополнительные сведения. Ненулевая равнодействующая означает изменение скорости.

Разбор задач

Книга на столе

Условие. Книга лежит на горизонтальном столе. Назовите силы, действующие на книгу, и объясните, почему она остаётся в покое.

1. Назовём силу тяжести: Земля притягивает книгу вниз. Это воздействие стремится изменить её движение.
2. Со стороны стола на книгу действует сила реакции опоры, направленная вверх. Стол поддерживает книгу и не даёт ей провалиться.
3. Книга неподвижна, поэтому проверим совместное действие сил: они направлены противоположно и уравновешены. Их равнодействующая равна нулю, значит, по первому закону состояние покоя сохраняется.

Ответ: на книгу действуют сила тяжести и реакция опоры; их равнодействующая равна нулю, поэтому книга остаётся в покое.

Резкий старт автобуса

Условие. Автобус резко начинает движение, и пассажира отклоняет назад. Объясните наблюдаемое явление.

1. До старта автобус и пассажир покоятся относительно дороги. При начале движения автобус быстро набирает скорость.
2. Тело пассажира из-за инерции стремится сохранить прежнее состояние, то есть покой относительно дороги. Автобус уже движется вперёд, а тело пассажира не сразу приобретает такую же скорость.
3. Поэтому относительно автобуса пассажир отклоняется назад. Это не означает, что его кто-то толкает назад: наблюдаемое отклонение связано с разницей в изменении движения автобуса и тела пассажира.

Ответ: при резком старте тело пассажира стремится сохранить прежнее состояние покоя, поэтому относительно автобуса он отклоняется назад.

Шар на гладкой поверхности

Условие. Шар движется по гладкой горизонтальной поверхности; сопротивлением воздуха и трением можно пренебречь. Опишите его движение и объясните ответ.

1. На шар действует сила тяжести вниз и реакция поверхности вверх. Так как поверхность горизонтальна и шар не падает, эти силы уравновешены.
2. Трением и сопротивлением воздуха по условию пренебрегаем, поэтому не учитываем силы, направленные против движения. Равнодействующая всех сил равна нулю.
3. Применяем первый закон Ньютона: нулевая равнодействующая означает, что скорость шара не изменяется. Поскольку шар уже движется, он продолжит двигаться по прямой с прежней скоростью.

Ответ: шар будет двигаться равномерно и прямолинейно, так как равнодействующая действующих на него сил равна нулю.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что для равномерного движения обязательно нужна сила. Так рассуждают, потому что в быту предметы обычно замедляются, но забывают о трении и сопротивлении воздуха. Проверьте себя: выясните, меняется ли скорость и есть ли нескомпенсированные силы. Постоянная скорость не требует постоянного толчка.

Ошибка — утверждать, что любое действие сил непременно меняет скорость. Её допускают, когда не учитывают, что несколько сил могут действовать одновременно и компенсировать друг друга. Составьте список сил, укажите их направления и оцените совместное действие. Если равнодействующая равна нулю, скорость не изменяется.

Ошибка — путать покой с отсутствием сил. Например, книга на столе неподвижна, но на неё действуют сила тяжести и реакция опоры. Ошибка возникает, если замечают только отсутствие движения и не ищут взаимодействия с окружающими телами. Проверьте себя вопросом: какие тела действуют на рассматриваемое тело и уравновешены ли силы?

Ошибка — считать, что первый закон выполняется в любой системе отсчёта. При ускорении или повороте самой системы наблюдаемое движение может не соответствовать привычному описанию закона. Чтобы проверить рассуждение, уточните, относительно чего рассматривается движение и является ли система инерциальной. В такой системе тело при нулевой равнодействующей сохраняет скорость.

Связь с другими темами

Для понимания закона нужно знать, что такое скорость и равномерное прямолинейное движение: они описывают, как меняется положение тела и сохраняется ли его движение. Также важно представлять взаимодействие тел и действие сил, иначе нельзя определить, почему скорость изменилась или почему она осталась прежней. Далее первый закон поможет разбирать второй закон Ньютона, связывающий силу и изменение движения. Он пригодится и при изучении условий равновесия тел.

Что запомнить

• Тело сохраняет покой или равномерное прямолинейное движение, если равнодействующая сил равна нулю.
• Отсутствие изменения скорости не означает, что на тело совсем не действуют силы.
• Взаимодействие с другими телами может изменить скорость тела.
• Инерция — явление сохранения телом своей скорости.
• Первый закон Ньютона справедлив в инерциальных системах отсчёта.