§ 7. Первый закон Ньютона

Определения и обозначения

Инерция — способность тела сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения при отсутствии действия сил или их взаимной компенсации. Проще говоря, тело не меняет свою скорость само по себе. Это понятие помогает объяснить сохранение движения и покоя.

Инерциальная система отсчёта — система отсчёта, в которой свободное тело сохраняет покой или движется равномерно и прямолинейно. Свободным называют тело, на которое равнодействующая сил равна нулю. В такой системе удобно проверять выполнение первого закона Ньютона.

Первый закон Ньютона утверждает: если равнодействующая сил равна нулю, тело сохраняет покой или равномерное прямолинейное движение. Покой и движение с постоянной скоростью здесь рассматриваются как равноправные случаи. Закон показывает, когда скорость тела не изменяется.

Равнодействующая сил — сила, заменяющая совместное действие всех сил на тело. Если она равна нулю, силы уравновешены, даже когда каждая из них по отдельности ненулевая. Именно равнодействующую нужно находить, чтобы предсказать изменение движения.

Как это устроено

В повседневной жизни движущееся тело обычно останавливается не потому, что движение само по себе исчезает, а из-за действия сил сопротивления. Между поверхностями возникает трение, а при движении в воздухе действует сопротивление воздуха. Эти силы направлены против скорости и уменьшают её, поэтому наблюдаемое движение отличается от идеального движения по инерции.

Опыты с тележками показывают влияние трения на движение. Если тележка катится по шероховатой поверхности, она быстро замедляется, а на гладкой поверхности проходит большее расстояние. При дальнейшем уменьшении трения скорость изменяется всё слабее, поэтому можно сделать вывод: без сопротивления тележка стремилась бы двигаться с постоянной скоростью.

Если скорость тела не изменяется, это означает отсутствие ненулевой равнодействующей. Однако отдельные силы при этом могут действовать: например, сила тяжести направлена вниз, а реакция горизонтальной опоры — вверх. Они компенсируются, поэтому тело не получает ускорения, хотя нельзя сказать, что на него не действуют силы.

Первый закон объединяет два случая: покой и равномерное прямолинейное движение. Покой можно рассматривать как движение с постоянной скоростью, равной нулю. Поэтому при нулевой равнодействующей тело либо остаётся неподвижным, либо продолжает двигаться без изменения величины и направления скорости.

Закон выполняется в инерциальных системах отсчёта, а не в любых выбранных системах. Система, движущаяся равномерно и прямолинейно относительно инерциальной, также считается инерциальной. В ускоренно движущемся автобусе тело может отклоняться даже без видимой силы, поэтому такая система неинерциальна и требует специального учёта её ускорения.

Состояние тела при различных условиях действия сил

Пользуясь таблицей, сначала выясните, действует ли на тело хотя бы одна сила. Затем проверьте, компенсируют ли силы друг друга, и только после этого делайте вывод о движении. Особенно важно не смешивать отсутствие сил с их равновесием.

Разбор задач

Шайба на гладкой поверхности

Условие: шайба скользит по горизонтальной поверхности, трением можно пренебречь. Определим, что произойдёт после прекращения толчка.

1. На шайбу действуют сила тяжести вниз и реакция опоры вверх, поэтому по вертикали они компенсируются.
2. По горизонтали трения нет, а значит, горизонтальных сил после толчка не остаётся.
3. Равнодействующая всех сил равна нулю, поэтому скорость шайбы не изменяется.

Ответ: шайба будет двигаться равномерно и прямолинейно с прежней скоростью.

Пассажир в резко трогающемся автобусе

Условие: автобус резко начинает движение, а пассажир стоит или сидит без надёжной опоры. Нужно определить направление его отклонения.

1. До начала движения пассажир покоится относительно дороги.
2. Автобус ускоряется вперёд, но тело пассажира стремится сохранить прежнее состояние покоя.
3. Относительно автобуса пассажир отклоняется назад, потому что пол и другие части автобуса перемещаются вперёд быстрее его тела.

Ответ: пассажира отклоняет назад; это проявление инерции.

Брусок под действием противоположных сил

Условие: на брусок действуют две горизонтальные силы по 6 Н в противоположных направлениях, а сила тяжести и реакция опоры уравновешены. Начальная скорость бруска равна 2 м/с.

1. Горизонтальные силы равны по величине и противоположны, поэтому их равнодействующая равна 6 Н − 6 Н = 0 Н.
2. Вертикальные силы также компенсируются, значит, равнодействующая всех сил равна нулю.
3. По первому закону Ньютона скорость и направление движения не изменяются.

Ответ: брусок продолжит двигаться равномерно и прямолинейно со скоростью 2 м/с.

Типичные ошибки

«Для равномерного движения нужна сила вперёд». Так думают, потому что в быту толчок приходится постоянно поддерживать из-за трения. Проверьте себя: сила нужна для изменения скорости, а не для её сохранения при нулевой равнодействующей.

«Если тело покоится, сил нет». Ошибка возникает из-за смешения покоя и отсутствия взаимодействий. Посмотрите на книгу на столе: сила тяжести и реакция опоры действуют, но взаимно компенсируются.

«Любое движение по инерции равномерное». Само слово «движение» ещё не говорит о постоянстве скорости и направления. Проверьте, не меняются ли величина скорости и траектория; при повороте равномерным прямолинейным движение уже не является.

«Первый закон одинаково работает в любой системе». В ускоренном автобусе тело отклоняется относительно салона, поэтому такая система неинерциальна. Сначала выясните, движется ли система отсчёта равномерно и прямолинейно.

Связь с другими темами

До изучения закона нужны понятия системы отсчёта, скорости, ускорения, силы и равнодействующей. Без них невозможно описать, относительно чего сохраняется движение и почему оно изменяется. Эти знания образуют основу механики.

Первый закон подготавливает изучение второго закона Ньютона. Второй закон связывает ненулевую равнодействующую с ускорением тела. Вместе законы позволяют не только описывать сохранение движения, но и рассчитывать его изменение.

Закон применяют к транспорту, космическим аппаратам, спортивным снарядам и телам в равновесии. Он помогает объяснять толчки при торможении, движение шайбы и сохранение состояния покоя. Поэтому инерция важна и в технике, и в повседневных наблюдениях.

Что запомнить

• Первый закон Ньютона называют законом инерции.
• В инерциальной системе тело сохраняет покой или равномерное прямолинейное движение, если равнодействующая сил равна нулю.
• Нулевые силы и нулевая равнодействующая — не одно и то же.
• При ненулевой равнодействующей скорость тела изменяется по величине или направлению.
• Покой является частным случаем равномерного прямолинейного движения.
• Трение часто скрывает проявление инерции в повседневных наблюдениях.