Первый закон Ньютона – закон инерции. Инерциальная система отсчета

Под инерцией понимают явление, при котором тело сохраняет состояние равномерного прямолинейного движения или покоя, если отсутствуют действия на него других тел.

При отсутствии внешних воздействий тело, находившееся в движении, продолжает равномерно двигаться по прямой без изменения скорости. Это инерционное движение тела.

Первый закон Ньютона формулируется так:

всякое тело сохраняет состояние относительного покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока внешние воздействия не изменят этого состояния.

Физическая величина, являющейся мерой механического воздействия на тело со стороны других тел или полей, называется силой . Это воздействие проявляется в изменение скорости движущегося тела или изменение формы и размеров тела.

Таким образом, понятие силы уже заложено в первом законе Ньютона. Сила, как и любая векторная величина, считается заданной, если известны её численное значение, направление и точка приложения силы.

Второй закон Ньютона , устанавливающий связь между динамическими и кинематическими величинами, формулируется так: ускорение, приобретаемое телом под действием силы, пропорционально этой силе, и обратно пропорционально массе m массе этого тела, а направление его совпадает с вектором силы, т.е.

Предположим, что одна и таже и сила действует на различные тела. Из уравнения второго закона следует, что чем больше масса m, тем меньшее ускорение приобретает данное тело под влиянием приложенной силы, т.е. это

тело более инертно. Масса тела характеризует инерционные свойства тела при

поступательном движении и является мерой его инертности.

В практике на тело может действовать одновременно несколько сил. Однако каждая из этих сил действует независимо от других сил и сообщает телу ускорение, определяемое вторым законом Ньютона. В этом заключается принцип независимости действия сил, согласно которому можно записать

Где называется равнодействующей (или результирующей) n

Сил, приложенных к телу. В скалярной форме второй закон можно

записать так:

Т.е. сила численно равна произведению массы тела на ускорение, вызываемое этой силой. Второй закон Ньютона можно записать и в другой форме. Так как

Можно записать

Если масса является постоянной величиной, то ее можно внести под знак дифференциала, получим

Вектор p = m v называется импульсом или количеством движения тела и совпадает по направлению с вектором скорости v , а выражает изменение вектора импульса. Это уравнение преобразуем к следующему виду:

Вектор называют импульсом силы, действующей в течение малого промежутка времени, и имеет с силой одно направление. Из предыдущего уравнения, также являющимся выражением основного закона динамики (второго закона Ньютона) следует: изменение импульса тела (количества движения) равно импульсу действующей на него силы. При действии на тело массы m постоянной силы F тело приобретает постоянное ускорение, т.е. тело движется равнопеременно:

Третий закон Ньютона утверждает, что силы, с которыми два тела действуют друг на друга, равны и направлены на противоположные стороны, т.е.

При взаимодействии тел наблюдается как прямое действие, так и действие на расстоянии. При прямом действии, например при ударе молота о наковальню, сила, с которой молот действует на наковальню, равна по величине и противоположна по направлению силе, с которой наковальня действует на молот. Примером действия на расстоянии является взаимное притяжение Земли и Солнца.

И в этом случае силы будут равны и противо-положно направлены. Например, - сила, действующая со стороны Земли на Луну, а - сила, действующая со стороны на Землю.

В качестве первого закона Ньютон взял принцип инерции Галилея (1632 год) и дополнил его понятием инерциальной системы отсчета. Согласно принципу инерции Галилея свободное тело сохраняет состояние, покоя или равномерного, прямолинейного движения пока воздействие других тел не выведет его из этого состояния.

Из этого принципа следует, что состояние покоя или равномерного прямолинейного движения не требует для своего поддержания каких-либо внешних воздействий. В этом проявляется особое динамическое свойство тел, называемое инерцией . Поэтому первый закон Ньютона называют законом инерции, а движение тела в отсутствие воздействий со стороны других тел - движением по инерции.

Первый закон Ньютона выполняется не во всех системах отсчета. Те системы, в которых он выполняется, называются инерциальными системами отсчета.

Экспериментально установлено, что практически инерциальной системой отсчета является гелиоцентрическая система отсчета, начало координат которой находится в центре Солнца, а оси проведены в направлении трех удаленных звезд, выбранных, например, так, чтобы они были взаимно перпендикулярны.

Для многих практических целей при движении макроскопических тел в качестве системы отсчета используется система, связанная с Землей. Такая система отсчета считается приближенно инерциальной из-за влияния суточного и годового вращения Земли.

Таким образом, можно дать следующую формулировку первого закона Ньютона: существуют такие системы отсчета, в которых тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие других тел не выведет его из этого состояния.

Покажем, что любая система отсчета, которая движется равномерно и прямолинейно относительно инерциальной системы, также является инерциальной. Пусть тело А покоится в инерциальной системе отсчета К (рис. 3.1). Система отсчета К" движется относительно системы К равномерно и прямолинейно со скоростью. Тело А относительно системы К" движется равномерно и прямолинейно со скоростью -, что также удовлетворяет первому закону Ньютона. Следовательно, система отсчета К" является инерциальной. Таким образом, по известной одной инерциальной системе отсчета можно описанным выше способом построить их сколько угодно.

3.1.2. Второй закон Ньютона

Этот закон является основным законом динамики материальной точки и твердого тела, движущегося поступательно.

Закон устанавливает связь между силой, массой и ускорением.

Опыт показывает, что всякое изменение величины или направления скорости движения тела вызывается его взаимодействием с другими телами.

В механике сила определятся как количественная мера взаимодействия тел, которое приводит к изменению их скорости или деформации.

Сила характеризуется величиной, направлением и точкой приложения. Следовательно, сила является векторной величиной.

По современным представлениям, основанным на опыте, все наблюдаемые в природе взаимодействия могут быть сведены к четырем фундаментальным: гравитационному, слабому, электромагнитному и сильному.

Гравитационное взаимодействие присуще всем материальным объектам. Оно определяется наличием у материальных тел массы и подчиняется закону всемирного тяготения Ньютона. Радиус действия гравитационного взаимодействия неограничен. В области микромира роль гравитационного взаимодействия ничтожно мала.

Слабое взаимодействие - короткодействующее, существует в микромире и проявляется в том, что приводит к определенному виду нестабильности элементарных частиц.

Электромагнитное взаимодействие проявляется при взаимодействии токов и зарядов. Радиус действия электромагнитного взаимодействия неограничен. Оно является определяющим в образовании атомов, молекул и макроскопических тел.

Ядерное или сильное взаимодействие является самым интенсивным. Радиус сильного взаимодействия очень мал ~10 -15 м. Благодаря этому взаимодействию протоны и нейтроны удерживаются в ядрах, несмотря на сильное отталкивание протонов.

К нефундаментальным силам относятся силы упругости, трения, сопротивления и другие. Все эти силы могут быть сведены к электромагнитным или гравитационным, однако, это приводит к существенному усложнению решения задач механики. По этой причине в механике силы упругости и трения рассматривают наряду с фундаментальными.

Опытным путем установлено еще одно важное свойство сил, проявляющееся при механическом взаимодействии. Силы в механике подчиняются принципу суперпозиции , который заключается в следующем: одновременное взаимодействие частицы М с несколькими другими n частицами с силами
эквивалентно действию одной силы, равной их векторной сумме.

. (3.1)

Силу называют равнодействующей.

Как показывает опыт, все тела обладают свойством препятствовать изменению величины и направления скорости. Это свойство называется инертностью.

Массу можно определить двумя способами. Первый из них состоит в следующем. Выбирается эталонное тело, масса которого m эт принимается за единицу массы. Масса m исследуемого тела определяется из следующего соотношения, установленного опытным путем:

где а и а эт - ускорения, вызываемые действием одной и той же силы на эталонное и исследуемое тела. При этом определяется так называемая инертная масса.

Второй способ основан на использовании закона всемирного тяготения. При этом определяется так называемая гравитационная масса.

А. Эйнштейн сформулировал принцип эквивалентности гравитационной и инертной массы: инертная и гравитационная массы одного и того же тела одинаковы.

Эквивалентность инертной и гравитационной масс позволяет выбрать для них одну единицу измерения. В качестве единицы массы в системе СИ принят килограмм (кг) - масса эталонного платиново-иридиевого тела, хранящегося во Франции в международном бюро мер и весов.

Динамическое воздействие движущегося тела на другие тела зависит от скорости и массы. Поэтому в качестве динамической характеристики интенсивности движения вводится векторная величина , называемая импульсом (или количеством движения) тела и равная произведению его массы на скорость:

. (3.2)

Единица импульса килограмм-метр, деленный на секунду (кг·м/с).

Согласно второму закону Ньютона, производная по времени от импульса тела равна равнодействующей всех приложенных к нему сил:

. (3.3)

Из (3.3) следует, что изменение импульса происходит в направлении равнодействующей силы . Отметим, что второй закон Ньютона в форме (3.3) допускает описание движения тела с переменной массой. Если масса тела постоянна, то из (3.2) и (3.3) получаем уравнение второго закона Ньютона в виде

, (3.4)

откуда с учетом формулы (2.21) получаем:

. (3.5)

Единица силы в СИ является производной единицей, определение которой основано на формуле (3.5). Единица силы - 1 Ньютон (Н), это такая сила, которая телу с массой 1 кг сообщает ускорение 1м / с 2 .

Второй закон Ньютона часто называют основным законом динамики поступательного движения. С помощью этого закона в механике решаются две основные задачи:

1. Прямая основная задача - установление дифференциальных уравнений движения тела (точки) и их решение.

2. Обратная основная задача - нахождение зависимости сил взаимодействия тел от их координат, скоростей и времени, то есть установление законов взаимодействия.

inertia - «бездеятельность», «косность»), то есть явление сохранения скорости, если внешние воздействия на них скомпенсированы.

Первый закон Ньютона с точки зрения современных представлений можно сформулировать так: существуют такие системы отсчета, относительно которых тело (материальная точка) при отсутствии на него внешних воздействий (или при их взаимной компенсации) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.

Системы отсчёта, в которых выполняется закон инерции, называют инерциальными системами отсчёта (ИСО).

Явлением инерции также является возникновение фиктивных сил инерции в неинерциальных системах отсчета.

Впервые закон инерции был сформулирован Галилео Галилеем , который после множества опытов заключил, что для движения свободного тела с постоянной скоростью не нужно какой-либо внешней причины. До этого общепринятой была иная точка зрения (восходящая к Аристотелю): свободное тело находится в состоянии покоя, а для движения с постоянной скоростью необходимо приложение постоянной силы.

Принцип относительности Галилея: во всех инерциальных системах отсчета все физические процессы протекают одинаково(если условия для всех тел одинаковы). В системе отсчета, приведенной в состояние покоя или равномерного прямолинейного движения относительно инерциальной системы отсчета (условно - «покоящейся») все процессы протекают точно так же, как и в покоящейся системе.

Следует отметить что понятие инерциальной системы отсчета - абстрактная модель (некий идеальный объект рассматриваемый вместо реального объекта. Примерами абстрактной модели служат абсолютно твердое тело или невесомая нить), реальные системы отсчета всегда связаны с каким-либо объектом и соответствие реально наблюдаемого движения тел в таких системах с результатами расчетов будет неполным.

См. также

Литература

Ссылки

Masreliez, C J; Dynamic incremental scale transition with application to physics and cosmology , Physica Scripta (oct 2007)
Masreliez C. J. , Motion, Inertia and Special Relativity - a Novel Perspective, Physica Scripta, (dec 2006)

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Первый Закон Ньютона" в других словарях:

Закон инерции (Первый закон Ньютона): свободное тело, на которое не действуют силы со стороны других тел, находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения (понятие скорости здесь применяется к центру масс тела в случае… … Википедия

Законы Кеплера семейство физических законов, открытых Иоганном Кеплером, описывающих движение планет вокруг Солнца. Первый закон Кеплера (Закон эллипсов) Первый закон Кеплера. Каждая планета Солнечной системы обращается по … Википедия

В физике первый закон Ньютона. см. статью Инерция Закон инерции в математике см. раздел «Свойства» в статье «Квадратичная форма» (закон инерции Сильвестра) … Википедия

ЗАКОН ИНЕРЦИИ - см … Большая политехническая энциклопедия

Классическая механика Второй закон Ньютона История… Фундаментальные понятия Пространство · Время · … Википедия

Три закона, лежащие в основе т. н. классич. механики или механики Ньютона. Сформулированы И. Ньютоном (1687). Первый закон: «Всякое тело продолжает удерживаться в своём состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку… … Физическая энциклопедия

Механики, три закона, лежащие в основе так называемой классической механики. Сформулированы И. Ньютоном (1687). Первый закон: Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку … Современная энциклопедия

Ньютона законы - механики, три закона, лежащие в основе так называемой классической механики. Сформулированы И. Ньютоном (1687). Первый закон: “Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

Книги

Ньютон. Биография , Питер Акройд. Вторые изобретатели ничего не стоят!Исаак НьютонО чем книгаИсаак Ньютон - величайший гений, чьи научные взгляды навсегда изменили наш мир. Каким человеком он был? Какие обстоятельства…

Раздел механики, изучающий закон взаимодействия тел, называется динамикой.

Наблюдение за движением тел вокруг нас показывает, что обычно тела движутся, пока на них оказывается воздействие со стороны других тел. Автомобиль после выключения мотора вскоре останавливается, мяч после удара футболиста, прокатившись некоторое время, также останавливается.

Однако итальянский учёный Галилео Галилей из наблюдений за движением тел сделал принципиально новый вывод. Он обратил внимание, что скорость первоначально двигавшегося тела в разных условиях изменяется по-разному. Камень, брошенный с одинаковой начальной скоростью, по гладкой поверхности льда проходит значительно больший путь до остановки, чем по поверхности песка. Из таких наблюдений Галилей сделал вывод, что скорость изменяется только в результате взаимодействия с другими телами.

В 1632 году Галилей сформулировал закон инерции: всякое тело находится в покое или движется равномерно и прямолинейно, если на него не действуют другие тела или их действия компенсируют друг друга.

Великий английский учёный Исаак Ньютон включил закон инерции в число основных законов механики, поэтому закон инерции называют первым законом Ньютона или первым законом механики.

Совершенно изолировать какое-либо тело от действия других тел невозможно. Поэтому любое наблюдаемое на опыте движение тел можно считать равномерным прямолинейным лишь приблизительно.

Как только на тело, движущееся с переменной скоростью по траектории любой формы, прекращается действие других тел, в соответствии с законом инерции тело дальше движется равномерно и прямолинейно по касательной к траектории движения тела.

Явление сохранения скорости движения тела при отсутствии внешних воздействий называется инерцией.

Проявления инерции хорошо знакомы каждому из нас: например, при резком торможении автобуса пассажир продолжает по инерции двигаться вперёд. С прежней скоростью. Для того, чтобы остаться неподвижным относительно автобуса, он должен приложить определённые усилия, взаимодействуя с полом автобуса и поручнями. Когда автобус при движении с большой скоростью делает поворот, пассажир продолжает равномерно и прямолинейно двигаться, направляясь к боковой стенке автобуса.

Так как покой и движение тел относительны, то и при отсутствии взаимодействия с другими телами одно и тоже тело может находится в состоянии покоя в одной системе отсчёта и двигаться с ускорением в другой системе отсчёта.

Следовательно, закон инерции выполняется не в любых системах отсчёта.

Системы отсчёта, в которых выполняется закон инерции, называются инерциальными системами отсчёта.

В опытах на поверхностях Земли закон инерции выполняется с довольно высокой точностью, поэтому обычно системы отсчёта связанные с Землёй, считают инерциальными системами отсчёта. Однако при повышении точности измерений в любой из них обнаруживаются отклонения от закона инерции. Явления, противоречащие первому закону Ньютона, наблюдаются на Земле из-за того, что Земля вращается вокруг своей оси и обращается вокруг Солнца.

Остались вопросы? Не знаете первый закон Ньютона?
Чтобы получить помощь репетитора – .
Первый урок – бесплатно!

blog.сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.