§ 6. Первый закон Ньютона — закон инерции

Определения и обозначения

Инерция — способность тела сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения при нулевой равнодействующей сил. Проще говоря, тело не меняет свою скорость без причины. Это понятие помогает объяснить, почему пассажир наклоняется при торможении, а шайба продолжает скользить.

Первый закон Ньютона — формулировка условия, при котором тело сохраняет покой или равномерное прямолинейное движение. Таким условием является равенство нулю равнодействующей всех сил. Закон нужен, чтобы по действующим силам предсказывать, изменится ли движение тела.

Инерциальная система отсчёта — система отсчёта, в которой выполняется первый закон Ньютона. В ней свободное тело сохраняет постоянную скорость. Выбор системы важен, потому что одно и то же движение относительно разных наблюдателей может описываться по-разному.

Равнодействующая сил — сила, заменяющая совместное действие всех сил, приложенных к телу. Она определяется сложением сил с учётом их направлений. Если силы уравновешены, равнодействующая равна нулю, даже когда сами силы не исчезают.

Как это устроено

Скорость тела меняется только тогда, когда взаимодействие с другими телами не уравновешено. Например, толчок может увеличить скорость, торможение — уменьшить её, а боковая сила — изменить направление движения. Поэтому причиной изменения скорости является ненулевая равнодействующая сил, а не просто наличие какой-либо одной силы.

Когда равнодействующая равна нулю, действия сил взаимно компенсируются. Тело не получает ускорения, поэтому его скорость остаётся постоянной по величине и направлению. Если оно покоилось, скорость остаётся нулевой; если двигалось, оно продолжает равномерное прямолинейное движение.

Покой и равномерное прямолинейное движение — равноправные проявления инерции. Покой можно считать движением с постоянной скоростью, равной нулю. Поэтому первый закон не выделяет покой в особый физический случай, а описывает оба состояния одним правилом сохранения скорости.

Первый закон выполняется не в любой системе отсчёта, а в инерциальной. Например, наблюдатель на Земле во многих задачах может считать себя покоящимся в инерциальной системе, а наблюдатель в резко ускоряющемся автобусе находится в неинерциальной системе. В автобусе пассажир может двигаться относительно салона, хотя причины такого движения удобнее объяснять в системе, связанной с дорогой.

В быту инерция заметна при резком торможении: автобус останавливается, а тело пассажира стремится сохранить прежнюю скорость и наклоняется вперёд. При начале движения транспорт ускоряется, поэтому пассажир отклоняется назад, сохраняя прежнее состояние покоя. Шайба после толчка скользит по льду почти равномерно, потому что сопротивление мало, но трение постепенно уменьшает её скорость.

Движение тела при различных значениях равнодействующей сил

Сначала определите равнодействующую, затем найдите начальное состояние тела. Если она равна нулю, скорость сохраняется; если нет — движение изменяется. Таблица показывает, что инерция не запрещает изменение движения, а описывает поведение тела при отсутствии ненулевой равнодействующей.

Разбор задач

Задача 1. На горизонтальной поверхности брусок движется прямолинейно с постоянной скоростью. Нужно определить равнодействующую сил, действующих на него. Постоянная скорость означает, что ускорение отсутствует.

1. По первому закону Ньютона при отсутствии ускорения равнодействующая равна нулю.
2. По вертикали сила тяжести направлена вниз, а реакция опоры — вверх, поэтому они компенсируются.
3. Если действует сила трения, её уравновешивает другая горизонтальная сила; иначе трение изменило бы скорость.

Ответ: равнодействующая сил равна 0 Н. Силы могут действовать, но взаимно компенсироваться.

Задача 2. На тело действуют противоположные силы 8 Н и 8 Н. Рассмотрим отдельно случай покоя и случай движения со скоростью 3 м/с по прямой. Направления сил противоположны, поэтому их действия вычитаются.

1. Равнодействующая равна 8 Н − 8 Н = 0 Н.
2. Если тело покоилось, при нулевой равнодействующей оно продолжит покоиться.
3. Если тело двигалось со скоростью 3 м/с по прямой, оно сохранит эту скорость и направление.

Ответ: в первом случае тело останется в покое, во втором будет двигаться равномерно и прямолинейно со скоростью 3 м/с.

Задача 3. Автобус резко затормозил, и пассажир наклонился вперёд. Нужно объяснить, почему пассажир не остановился одновременно с автобусом, и выбрать систему отсчёта. Удобнее всего рассматривать движение относительно дороги.

1. Автобус уменьшил скорость из-за тормозящей силы, действующей на него.
2. Тело пассажира стремилось сохранить скорость автобуса до торможения, поэтому продолжило движение вперёд.
3. Относительно автобуса пассажир переместился вперёд, а относительно дороги его скорость сначала сохранялась, пока не возникло тормозящее воздействие.

Ответ: явление объясняется инерцией пассажира. Изменение движения автобуса наблюдается в системе отсчёта, связанной с дорогой, которую в школьных задачах считают инерциальной.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что для равномерного движения обязательно нужна сила в направлении движения. Так думают, потому что в быту сила тяги обычно компенсирует трение. Проверка простая: нужно найти равнодействующую, а не отдельную силу; при её нулевом значении скорость сохраняется.

Ошибка: понимать инерцию как самостоятельную силу. Её принимают за силу, потому что тело словно «сопротивляется» изменению движения. Проверьте себя вопросом: можно ли указать направление и источник этой силы; у инерции нет отдельного взаимодействия, это свойство тела.

Ошибка: утверждать, что первый закон Ньютона выполняется в любой системе отсчёта. Такое заключение появляется, если не учитывать ускорение самой системы. Сначала выясните, покоится ли система или движется равномерно; в ускоряющейся системе закон в обычной форме не выполняется.

Ошибка: считать равнодействующую нулевой только при отсутствии всех сил. Силы могут действовать одновременно и компенсировать друг друга, например тяжесть и реакция опоры. Для проверки сложите силы с учётом направлений, а не просто посчитайте их количество.

Связь с другими темами

До изучения закона нужны понятия механического движения, скорости, силы, сложения сил и равнодействующей. Без них трудно определить, меняется ли скорость и какие силы взаимно компенсируются.

Первый закон Ньютона подготавливает изучение второго закона Ньютона. Второй закон связывает ненулевую равнодействующую с ускорением и показывает, как сила изменяет движение.

Знание закона пригодится при изучении трения, движения транспорта, падения тел и выбора системы отсчёта. Оно помогает отличать реальное действие силы от кажущегося движения в ускоряющейся системе.

Что запомнить

• Инерция — свойство тела сохранять скорость.
• Первый закон Ньютона формулируется в инерциальных системах отсчёта.
• При нулевой равнодействующей тело покоится или движется равномерно и прямолинейно.
• Покой является частным случаем равномерного прямолинейного движения.
• Для равномерного движения сила не обязательна, если равнодействующая всех сил равна нулю.
• Нулевая равнодействующая не означает отсутствия всех действующих сил.
• Изменение скорости тела вызывается ненулевой равнодействующей сил.