Урок 1. Перший закон Ньютона

ВИДЕО УРОК

Рухи тіл починаються і припиняються, вони стають швидшими або повільнішими, змінюються напрями рухів. У усіх цих випадках відбувається зміна швидкості, тобто з'являється прискорення.

Частина механіки, в якій вивчаються причини появи прискорення і розглядаються способи його обчислення, називають динамікою.

Щоб знайти причину виникнення прискорень, треба звернутися до досвіду, до спостережень. Спочатку з'ясуємо за яких умов тіло рухається без прискорення, тобто коли його швидкість з часом не міняється.

Розглянемо яке-небудь тіло, що покоїться. Таке тіло не має прискорення, його швидкість постійна і дорівнює нулю.

ПРИКЛАД:

На малюнку показана кулька, підвішена на гумовому шнурі.

Відносно Землі він знаходиться у спокої. Біля кульки є безліч різних тіл: шнур на якому він висить, стіни кімнати, безліч предметів в ній і у в сусідніх приміщеннях і, звичайно Земля. Не усі ці тіла діють на кульку. Якщо, наприклад, прибрати або переставити меблі в кімнаті, то це не зробить якого-небудь помітного впливу на кульку. Але якщо перерізувати шнур, кулька відразу починає падати вниз з прискоренням.

Добре відомо, що саме під впливом Землі усі тіла падають вниз. Але доки шнур не був перерізаний, кулька все ж знаходилася у спокої.

Цей простий досвід показує, що з усіх тіл, що оточують кульку, тільки два помітно впливають на нього: гумовий шнур і Земля, і їх спільний вплив забезпечує стан спокою кульки. Варто було усунути одно з цих тіл – шнур, і стан спокою порушився. Якби можна було, зберігши дію шнура, прибрати ... Землю, то це теж порушило б спокій кульки : він став би рухатися в протилежному напрямі. Це приводить нас до висновку, що дії на кульку двох тіл – шнура і Землі компенсують (іноді говорять  урівноважують) один одного.

Коли говорять, що дії двох або декількох тіл компенсують один одного, то це означає, що результат їх спільної дії такий же, начебто цих тіл зовсім не було.

Розглянуті приклади дозволяють зробити наступний висновок:

Якщо дії тіл компенсують один одного, то тіло під впливом цих тіл знаходиться в стані спокою.

Виходячи з дослідів і спостережень, И. Ньютон

встановив, за яких умов тіло знаходиться в стані відносного спокою і коли воно рухається.

Перший закон Ньютона може бути сформульований таким чином:

Всяке тіло зберігає стан спокою або прямолінійного рівномірного руху до тих пір, поки на це тіло не подіє інше тіло.

З першого закону Ньютона виходить, що якщо на тіло не діють інші тіла, то воно рухається із швидкістю постійної за величиною і напрямом. Спокій же є окремий випадок руху зі швидкістю, рівною нулю.

Властивість тіла зберігати стан спокою або рівномірного прямолінійного руху називається інерцією тіла (інерція - слово латинське, що означає <<відсталість>>, <<бездіяльність>>).

Перевірити безпосередньо на досвіді перший закон Ньютона неможливо, оскільки не можна повністю усунути дію усього оточення тіл. Найважче усунути тертя одного тіла об інше. Проте легко виявити, що швидкість тіла, що рухається, зменшується тим повільніше, чим менше перешкод з боку навколишніх тіл.

ПРИКЛАД:

Так, кидана при однаковому зусиллі кулька по твердому ґрунту котиться далі, ніж по піску, а  по асфальту далі, ніж по ґрунту.

Спостережуване звичайне стан спокою предметів, що оточують нас, обумовлений тим, що дія одних тіл компенсується дією інших тіл.

ПРИКЛАД:

Тяжіння будь-якого тіла, що покоїться, Землею компенсується реакцією опори або підвісу.

Інерція.

З досвіду знаємо, що якщо яке-небудь тіло знаходиться у спокої, то саме воно, без всякої причини, в русі не прийде.

ПРИКЛАД:

Покладена на стіл книга лежатиме на місці, поки хто-небудь не перекладе її на інше місце.

Потяг коштує на місці до тих пір, поки тепловоз не почне його тягнути.

Вантаж сам собою не підніметься вгору.

Куля, вкладена до зброї, не вилетить до тих пір, поки її не виштовхнуть порохові гази.

У усіх випадках, для того, щоб вивести тіло із стану спокою, на нього повинне подіяти яке-небудь інше тіло, або, як прийнято говорити, на тіло повинна подіяти сила.

Часто доводиться спостерігати, як рухається велосипедист, що розігнався, не працюючи педалями. Досить довго рухається автомобіль після виключення двигуна. Куля, що виштовхнула з рушниці пороховими газами, продовжує рух і поза рушницею, де на неї вже не діють порохові гази.

Проте, врешті-решт, усі згадані тіла з часом зупиняються.

ПРИКЛАД:

Встановимо похило на столі дошку. Насиплемо на стіл, на невеликій відстані від кінця дошки, гірку піску. Помістимо на похилу дошку візок і надамо їй можливість скочуватися вниз по дошці. Візок, скотитись з дошки на стіл і потрапивши в пісок, швидко зупиняється. Вирівняємо пісок на столі і знову пустимо візок по дошці з колишньої висоти. Тепер візок пройде більшу відстань по столу, перш ніж зупинитися. Якщо зовсім прибрати пісок з шляху візка, то до зупинки вона пройде ще більшу відстань. Пісок створює значне тертя, що перешкоджає руху візка.

Отже, рух візка зберігається тим довше, чим менше перешкод візок зустрічає на своєму шляху.

Прикладом руху тіл за наявності дуже малого опору може служити рух штучних супутників Землі. Верхні розріджені шари атмосфери чинять незначний опір їх руху, тому супутники можуть обертатися навколо Землі тривалий час.

І якби перешкод руху зовсім не було, то будь-яке тіло, приведене в рух, продовжувало б рухатися скільки завгодно довго.

Цього висновку уперше дійшов італійський вчений Галилео Галілей, спостерігаючи за рухом різних тел.

Спостереження показують, що тіло, що рухається прямолінійно, само собою не може змінити напрям свого руху.

ПРИКЛАД:

Щоб направити ворота м'яч, що летить, футболіст ударяє по ньому ногою або головою.

Таким чином, тіло саме, що покоїться, по собі (без дії на нього інших тіл) не може почати рухатися, а тіло, що рухається, само собою не може ні зупинитися, ні змінити напрям свого руху.

Властивість тіла зберігати стан спокою або прямолінійного і рівномірного руху називається інерцією тіла.

Інерція – одно з найзагальніших властивостей матерії, її мають усі тіла, де б вони не знаходилися. Перший закон Ньютона також називають 

законом інерції.

З проявом інерції тіл нам доводиться зустрічаємося постійно в усіх випадках, коли буває треба привести в рух яке-небудь тіло, зупинити тіло, що рухається, або змінити напрям його руху.

ПРИКЛАД:

При бігу нам треба докласти зусилля, щоб розігнатися, а розігнавши, неможливо вмить зупинитися. Всякий знає, як важко людині, що швидко біжить, несподівано змінити напрям свого руху.

ПРИКЛАД:

У всякому верстаті внаслідок інерції неможливо відразу змусити рухатися інструмент або оброблювану деталь, так само як і миттєво зупинити їх.

Велике значення має інерція на транспорті. Внаслідок інертності не можна миттєво змінити швидкість руху тіла.

ПРИКЛАД:

Внаслідок інерції не можна миттєво зупинити автомобіль, що рухається, трамвай або потяг. Навіть якщо загальмувати колеса автомобіля, припинивши їх обертання, то все-таки деякий час машина рухатиметься вперед, ковзаючи колесами по дорозі.

ПРИКЛАД:

Всім добре відомо, що при раптовій зміні швидкості трамвая, наприклад, пасажири, зберігаючи свій попередній стан, нахиляються вперед, якщо швидкість руху зменшується, назад – якщо швидкість збільшується, і управо, якщо трамвай повертає вліво. У останньому випадку пасажири зберігають прямолінійний рух.