Урок 1. Первый закон Ньютона

ВИДЕО УРОК

Движения тел начинаются и прекращаются, они становятся более быстрыми или более медленными, изменяются направления движений. Во всех этих случаях происходит изменение скорости, т. е. появляется ускорения.

Часть механики, в которой изучаются причины появления ускорения и рассматриваются способы его вычисления, называют динамикой.

Чтобы найти причину возникновения ускорений, нужно обратиться к опыту, к наблюдениям. Сначала выясним при каких условиях тело движется без ускорения, т. е. когда его скорость с течением времени не меняется.

Рассмотрим какое-нибудь покоящееся тело. Такое тело не обладает ускорением, его скорость постоянна и равна нулю.

ПРИМЕР:

На рисунке показан шарик, подвешенный на резиновом шнуре.

Относительно Земли он находится в покое. Около шарика имеется множество различных тел: шнур на котором он висит, стены комнаты, множество предметов в ней и в в соседних помещениях и, конечно Земля. Не все эти тела действуют на шарик. Если, например, убрать или переставить мебель в комнате, то это не окажет какого-либо заметного влияния на шарик. Но если перерезать шнур, шарик сразу начинает падать вниз с ускорением.

Хорошо известно, что именно под влиянием Земли все тела падают вниз. Но пока шнур не был перерезан, шарик всё же находился в покое.

Этот простой опыт показывает, что из всех тел, окружающих шарик, только два заметно влияют на него: резиновый шнур и Земдя, и их совместное влияние обеспечивает состояние покоя шарика. Стоило устранить одно из этих тел – шнур, и состояние покоя нарушилось. Если бы можно было, сохранив действие шнура, убрать … Землю, то это тоже нарушило бы покой шарика: он стал бы двигаться в противоположном направлении. Это приводит нас к выводу, что действия на шарик двух тел – шнура и Земли компенсируют (иногда говорят  уравновешивают) друг друга.

Когда говорят, что действия двух или нескольких тел компенсируют друг друга, то это значит, что результат их совместного действия такой же, как если бы этих тел вовсе не было.

Рассмотренные примеры позволяют сделать следующий вывод:

Если действия тел компенсируют друг друга, то тело под влиянием этих тел находится в состоянии покоя.

Исходя из опытов и наблюдений, И. Ньютон

установил, при каких условиях тело находится в состоянии относительного покоя и когда оно движется.

Первый закон Ньютона может быть сформулирован следующим образом:

Всякое тело сохраняет состояние покоя или прямолинейного равномерного движения до тех пор, пока на это тело не подействует другое тело.

Из первого закона Ньютона следует, что если на тело не действуют другие тела, то оно движется со скоростью постоянной по величине и направлению. Покой же есть частный случай движения со скоростью, равной нулю.

Свойство тела сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инерцией тела (инерция – слово латинское, означающее <<косность>>, <<бездеятельность>>).

Проверить непосредственно на опыте первый закон Ньютона невозможно, так как нельзя полностью устранить действие всех окружающих тел. Наиболее трудно устранить трение одного тела о другое. Однако легко обнаружить, что скорость движущегося тела уменьшается тем медленнее, чем меньше помех со стороны окружающих тел.

ПРИМЕР:

Так, бросаемый при одинаковом усилии шарик по твёрдому грунту катится дальше, чем по песку, а  по асфальту дальше, чем по грунту.

Наблюдаемое обычно состояние покоя окружающих нас предметов обусловлено тем, что воздействие одних тел компенсируется воздействием других тел.

ПРИМЕР:

Притяжение любого покоящегося тела Землёй компенсируется реакцией опоры или подвеса.

Инерция.

Из опыта знаем, что если какое-нибудь тело находится в покое, то само оно, без всякой причины, в движении не придёт.

ПРИМЕР:

Положенная на стол книга будет лежать на месте, пока кто-нибудь не переложит её на другое место.

Поезд стоит на месте до тех пор, пока тепловоз не начнёт его тянуть.

Груз сам собой не поднимется вверх.

Пуля, вложенная в ружьё, не вылетит до тех пор, пока её не вытолкнут пороховые газы.

Во всех случаях, для того чтобы вывести тело из состояния покоя, на него должно подействовать какое-нибудь другое тело, или, как принято говорить, на тело должна подействовать сила.

Часто приходится наблюдать, как движется разогнавшийся велосипедист, не работая педалями. Довольно долго движется автомобиль после выключения двигателя. Пуля, вытолкнутая из ружья пороховыми газами, продолжает движение и вне ружья, где на неё уже не действуют пороховые газы.

Однако, в конце концов, все упомянутые тела со временем останавливаются.

ПРИМЕР:

Установим наклонно на столе доску. Насыплем на стол, на небольшом расстоянии от конца доски, горку песку. Поместим на наклонную доску тележку и предоставим ей возможность скатываться вниз по доске. Тележка, скатившись с доски на стол и попав в песок, быстро останавливается. Выровняем песок на столе и вновь пустим тележку по доске с прежней высоты. Теперь тележка пройдёт большее расстояние по столу, прежде чем остановиться. Если совсем убрать песок с пути тележки, то до остановки она пройдёт ещё большее расстояние. Песок создаёт значительное трение, препятствующее движению тележки.

Следовательно, движение тележки сохраняется тем дольше, чем меньше препятствий тележка встречает на своём пути.

Примером движения тел при наличии очень малого сопротивления может служить движение искусственных спутников Земли. Верхние разрежённые слои атмосферы оказывают незначительное сопротивление их движению, поэтому спутники могут вращаться вокруг Земли продолжительное время.

И если бы препятствий движению совсем не было, то любое тело, приведённое в движение, продолжало бы двигаться сколь угодно долго.

К этому выводу впервые пришёл итальянский учёный Галилео Галилей, наблюдая за движением различных тел.

Наблюдения показывают, что тело, движущееся прямолинейно, само собой не может изменить направление своего движения.

ПРИМЕР:

Чтобы направить ворота летящий мяч, футболист ударяет по нему ногой или головой.

Таким образом, покоящееся тело само по себе (без действия на него других тел) не может начать двигаться, а движущееся тело само собой не может ни остановиться, ни изменить направление своего движения.

Свойство тела сохранять состояние покоя или прямолинейного и равномерного движения называется инерцией тела.

Инерция – одно из самых общих свойств материи, ею обладают все тела, где бы они не находились. Первый закон Ньютона также называют законом инерции.

С проявлением инерции тел нам приходится встречаемся постоянно во всех случаях, когда бывает нужно привести в движение какое-нибудь тело, остановить движущееся тело или изменить направление его движения.

ПРИМЕР:

При беге нам нужно приложить усилие, чтобы разогнаться, а разогнавшись, невозможно моментально остановиться. Всякий знает, как трудно быстро бегущему человеку внезапно изменить направление своего движения.

ПРИМЕР:

Во всяком станке вследствие инерции невозможно сразу заставить двигаться инструмент или обрабатываемую деталь, так же как и мгновенно остановить их.

Большое значение имеет инерция на транспорте. Вследствие инертности нельзя мгновенно изменить скорость движения тела.

ПРИМЕР:

Вследствие инерции нельзя мгновенно остановить движущийся автомобиль, трамвай или поезд. Даже если затормозить колёса автомобиля, прекратив их вращение, то всё-таки некоторое время машина будет двигаться вперёд, скользя колёсами по дороге.

ПРИМЕР:

Всем хорошо известно, что при внезапном изменении скорости трамвая, например, пассажиры, сохраняя своё предыдущее состояние, наклоняются вперёд, если скорость движения уменьшается, назад – если скорость увеличивается, и вправо, если трамвай поворачивает влево. В последнем случае пассажиры сохраняют прямолинейное движение.