"Физика", Изергин Э.Т.
Первый закон Ньютона объясняет, почему тело не меняет свою скорость само по себе. Если равнодействующая всех сил равна нулю, покоящееся тело сохраняет покой, а движущееся продолжает двигаться равномерно и прямолинейно. Закон помогает связать движение с действием других тел, понять явление инерции и определить, когда силы уравновешены.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Первый закон Ньютона утверждает: в инерциальной системе отсчёта тело сохраняет покой или движется равномерно и прямолинейно, если равнодействующая сил равна нулю. Иначе говоря, скорость тела не изменяется без причины. Закон нужен, чтобы связывать изменение движения с действием других тел.
Инерциальная система отсчёта — система, в которой выполняется первый закон Ньютона. Наблюдатель выбирает тело отсчёта, задаёт начало координат и следит, как меняется положение тела со временем. Такая система позволяет правильно решить, является ли изменение скорости результатом действия сил.
Инерция — свойство тела сохранять свою скорость, если действие других тел не изменяет её. Благодаря инерции тело сохраняет покой или продолжает двигаться в прежнем направлении с прежней скоростью. Это свойство объясняет многие наблюдения в транспорте и при перемещении предметов.
Равнодействующая сила — сила, которая заменяет совместное действие нескольких сил. Её находят сложением сил с учётом их направлений. Если равнодействующая равна нулю, силы уравновешены и скорость тела не меняется.
Наблюдения показывают, что мяч меняет скорость, когда его ударяют, толкают или он сталкивается с препятствием. Санки замедляются из-за трения, а велосипед ускоряется, когда на педали нажимают сильнее. Значит, изменение скорости связано с действием других тел, а не возникает само по себе.
Первый закон Ньютона формулируют так: в инерциальной системе отсчёта при нулевой равнодействующей тело покоится или движется равномерно и прямолинейно. Равномерно означает, что за равные промежутки времени тело проходит равные расстояния. Прямолинейно означает, что направление движения не меняется.
Систему отсчёта нужно учитывать потому, что один и тот же объект может выглядеть движущимся по-разному для разных наблюдателей. Пассажир сидит неподвижно относительно автобуса, но движется относительно дороги. Закон удобно применять в системе, которая сама не ускоряется, иначе к наблюдаемому движению добавляется движение самой системы.
На тело могут одновременно действовать несколько сил, направленных в разные стороны. Например, сила тяжести тянет книгу вниз, а стол действует на неё вверх. Если противоположные силы равны, их совместное действие такое же, как действие силы, равной нулю, поэтому тело не получает ускорения.
Инерция проявляется, когда автобус резко тормозит: ноги пассажира замедляются вместе с автобусом, а верхняя часть тела стремится сохранить прежнюю скорость и наклоняется вперёд. Предмет на столе тоже остаётся в покое, пока внешнее воздействие не заставит его двигаться. Чем меньше действие, изменяющее скорость, тем дольше заметно сохранение прежнего состояния.
| Условие | Состояние тела | Пример |
|---|---|---|
| Равнодействующая сил равна нулю; тело первоначально покоится | Остаётся в покое | Книга лежит на столе |
| Равнодействующая сил равна нулю; тело уже движется | Движется равномерно и прямолинейно | Вагонетка движется по прямому пути без изменения скорости |
| Равнодействующая сил не равна нулю | Скорость или направление движения изменяется | Тележку толкают, и она ускоряется |
Сначала определите, покоится тело или уже движется, а затем найдите равнодействующую сил. Первая и вторая строки отличаются только начальным состоянием: нулевая равнодействующая сохраняет то, что уже было. Если равнодействующая не равна нулю, нужно ожидать изменения скорости или направления.
Условие. Книга лежит на столе. Нужно назвать силы, действующие на неё, и объяснить, почему книга остаётся в покое. Сопротивлением воздуха в этой ситуации пренебрегаем.
Ответ. Книга остаётся в покое, потому что сила тяжести и реакция опоры уравновешены. Нулевая равнодействующая не означает, что сил нет. Она означает, что их совместное действие не изменяет скорость книги.
Условие. На тележку действуют силы 5 Н вправо и 5 Н влево. До начала действия сил тележка покоилась. Требуется определить её движение после этого.
Ответ. Тележка останется в покое. Силы не исчезли, а уравновесили друг друга. Ускорения не возникает, потому что равнодействующая равна нулю.
Условие. Вагонетка движется по прямому участку пути, а равнодействующая сил равна нулю. Нужно определить, как изменится её движение.
Ответ. Вагонетка будет двигаться равномерно и прямолинейно. Нулевая равнодействующая сохраняет имеющееся движение, а не обязательно создаёт покой. Остановить вагонетку может сила, направленная против её движения.
Ошибка 1. Считать, что при нулевой равнодействующей тело обязательно покоится. Так думают, потому что в примерах часто рассматривают книгу или неподвижную тележку. Проверьте начальную скорость: движущееся тело при нулевой равнодействующей продолжает движение равномерно и прямолинейно.
Ошибка 2. Думать, что для движения постоянно нужна сила вперёд. Такое представление возникает из-за трения, которое действительно нужно преодолевать в обычных условиях. Проверьте, меняется ли скорость: сила требуется для изменения скорости, а не для сохранения постоянной.
Ошибка 3. Принимать нулевую равнодействующую за отсутствие всех сил. Несколько сил могут действовать одновременно и компенсировать друг друга. Чтобы проверить себя, перечислите все силы, укажите их направления и сложите их с учётом знаков.
Ошибка 4. Применять закон без указания системы отсчёта. Наблюдатель в ускоряющемся автобусе описывает движение иначе, чем наблюдатель на дороге. Сначала убедитесь, что система отсчёта инерциальная или близка к такой системе.
До изучения закона нужно знать, что такое сила и как изображают её направление стрелкой. Это помогает правильно перечислить все взаимодействия, действующие на тело. Без этого нельзя надёжно определить состояние тела.
Также нужно уметь складывать силы, направленные вдоль одной прямой, и находить их равнодействующую. Именно результат сложения показывает, изменится ли скорость. Противоположные равные силы дают нулевую равнодействующую.
Первый закон Ньютона создаёт основу для дальнейшего изучения взаимодействия тел, ускорения и второго закона Ньютона. Следующий шаг — научиться связывать ненулевую равнодействующую с ускорением. Так описание движения становится количественным.
Может ли тело двигаться, если на него не действует равнодействующая сила?
Да. Если равнодействующая равна нулю, тело может продолжать двигаться с уже имеющейся постоянной скоростью по прямой. Сила нужна не для поддержания движения, а для изменения скорости.
Почему книга не падает, если на неё действует сила тяжести?
На книгу действует не только сила тяжести вниз, но и реакция опоры стола вверх. Эти силы равны по модулю и противоположны по направлению, поэтому их равнодействующая равна нулю.
Чем инерция отличается от силы?
Инерция — это свойство тела сохранять свою скорость. Сила — действие одного тела на другое, которое может изменить скорость или форму тела.
Как понять, что силы уравновешены?
Нужно сравнить силы по величине и направлению, а затем найти их равнодействующую. Если она равна нулю, силы уравновешены, даже если каждая из них по отдельности не равна нулю.
Почему первый закон Ньютона формулируют для инерциальной системы отсчёта?
В инерциальной системе отсчёта тело при нулевой равнодействующей действительно сохраняет покой или равномерное прямолинейное движение. В ускоренно движущейся системе это правило может нарушаться, поэтому описание движения требует учёта движения самой системы.
§ 45. Первый закон Ньютона
