Первый закон Ньютона – закон инерции. Инерциальная система отсчета

ЛЕКЦИЯ 1.2.

Динамика материальной точки. Границы применимости классической механики. Как мы уже отмечали, кинематика дает описание движения тел без анализа причин, вызвавших это движение. Динамика изучает движение тел в связи с теми причинами (носящими характер взаимодействия между телами), которые обусловливают то или иной характер движения.

В основе так называемой классической или иначе ньютоновской механики лежат три закона динамики, сформулированные Ньютоном в 1687 г. Эти законы явились результатом обобщения большого количества опытных данных. Правильность законов подтверждается большим количеством подтвержденных на практике следствий из них, а также огромным количеством машин, механизмов и устройств, принцип работы которых базируется на этих законах.

Следует, однако, отметить, что имеются определенные ограничения на применение этих законов. Развитие теории относительности и ее специального раздела – релятивистской механики (механики больших скоростей), а также квантовой механики показало, что законы классической механики с достаточной для практики точностью описывают поведение объектов, если их размеры и масса значительно превосходят массы и размеры атомов, а скорость движения существенно меньше скорости света.

Первый закон Ньютона (другое название – закон инерции) формулируется следующим образом: всякое тело находится в состоянии покоя или прямолинейного равномерного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит его изменить это состояние .

Закон инерции выполняется не во всякой системе отсчета. Системы отсчета, в которых этот закон выполняется, называются инерциальными . Те системы отсчета, в которых первый закон Ньютона не выполняется, называются неинерциальными . Установленный Ньютоном закон инерции сам по себе подразумевает наличие в природе инерциальных систем отсчета. С достаточной для практики точностью инерциальной можно считать систему отсчета, центр которой совмещен с Солнцем. Такая система отсчета называется гелиоцентрической . Отметим также, что всякая система отсчета, движущаяся относительно некоторой инерциальной системы отсчета прямолинейно и равномерно, также является инерциальной.

Во многих задачах инерциальной может считаться система отсчета, связанная с поверхностью Земли. В то же время начало отсчета такой системы совершает вращательное движение, обусловленное суточным вращением Земли вокруг своей оси. Поэтому, строго говоря, такую систему отсчета нельзя считать инерциальной. Ускорение рассматриваемой системы отсчета будет в общем случае зависеть от радиуса планеты и географической широты, на которой расположено начало отсчета системы. Из рис. видно, что

,

где - радиус планеты, α – географическая широта.

Линейная скорость вращения начала отсчета (т. О)

,

где Т – период обращения планеты вокруг своей оси.

Связанное с суточным вращением нормальное ускорение т. О

.

Наличие нормального ускорения приводит к тому, что, например, полное ускорение тела, свободно падающего в такой системе отсчета, будет равно

а груз на нити (отвес) в состоянии покоя будет ориентирован строго говоря не перпендикулярно поверхности Земли. Однако при длительности земных суток 24 ч нормальное ускорение т. О даже при ее расположении на экваторе, т.е. когда , будет составлять

м/с 2 ,

что примерно в 288 раз меньше ускорения свободного падения. Поэтому во многих практически важных случаях наличием дополнительного центростремительного ускорения можно пренебречь, считая систему отсчета, связанную с поверхностью Земли инерциальной.

Сила. Принцип суперпозиции сил. В качестве меры механического воздействия одного тела на другое в механике вводится векторная величина, называемая силой . Механическое воздействие может осуществляться как между непосредственно контактирующими телами (например, при ударе), так и между удаленными телами. В последнем случае взаимодействие между телами осуществляется через особую форму материи – поле . Взаимодействие при этом распространяется в пространстве с конечной скоростью. Прямая, вдоль которой направлена сила, называется линией действия силы . Опыты показали, что механическое воздействие на тело N сил , приложенных в одной точке, равнозначно воздействию на тело одной силы F , являющейся векторной суммой этих сил:

Выражение (1) представляет собой математическую формулировку принципа суперпозиции сил .

Замечание : следует иметь в виду, что соотношение (1) выполняется строго только применительно к материальной точке. В случае, когда силы приложены к разным точкам тела, соотношение (1) перестает быть справедливым .

Свободные и несвободные тела. Связи. Реакции связей. Принцип освобождаемости. Тело называется свободным, если на его перемещения не наложено никаких ограничений. На практике в большинстве случаев тела нельзя считать свободными, так как на их движение и возможные положения наложены те или иные ограничения. Такие ограничения в механике называют связями . При изучении поведения отдельных несвободных тел или механических систем в механике пользуются принципом освобождаемости : несвободное тело (или систему тел) можно рассматривать как свободное, если заменить действие на него тел, осуществляющих связи, соответствующими силами . Эти силы называются реакциями связей .

Масса и импульс тела . Силовое воздействие на тело со стороны других тел вызывает изменение его скорости, т.е. сообщает данному телу ускорение. Опыт показывает, что одинаковое воздействие сообщает разным телам разные по величине ускорения. Кроме того, всякое тело сопротивляется попыткам изменить состояние его движения. Из опыта известно, что оказавшись под воздействием силы, тело изменяет направление и (или) скорость своего движения постепенно , проявляя таким образом свойство инертности . В качестве количественной меры инертности тела в физику была введена величина, называемая массой тела. Масса обладает свойством аддитивности , т.е. масса тела (механической системы) равна сумме масс его отдельных частей.

Предположим, что в результате кратковременного воздействия на тело (или материальную точку) силы F тело массой m приобрело скорость v .

Определение : импульсом тела (материальной точки) называется векторная величина, определяемая соотношением

Для импульса, как и для силы, выполняется принцип суперпозиции: если система состоит из N частей массами , двигающихся со скоростями , то результирующий импульс системы определяется выражением

. (3)

Второй закон Ньютона. Уравнение движения тела. Второй закон Ньютона гласит, что скорость изменения импульса тела равна действующей на тело силе :

Уравнение (4) называется уравнением движения тела . Заменив в (8) импульс соотношением (2), получим

Если предположить, что масса тела не изменяется с течением времени, то соотношение (5) приводится к виду

. (6)

Таким образом, формула (6) является частным случаем соотношения (5). Из (6) непосредственно следует, что движение тела с ускорением означает, что на тело действует сила . Справедливо и обратное утверждение.

Третий закон Ньютона. Всякое действие тел друг на друга носит характер взаимодействия. Если тело 1 действует на тело 2 с силой F 21 , то и тело 2 действует на первое тело с силой F 12 . Третий закон Ньютона утверждает, что силы, с которыми действуют друг на друга взаимодействующие тела, равны по величине и противоположны по направлению :

Из третьего закона Ньютона следует, что силы всегда возникают попрано: всякой силе приложенной к какому-либо телу можно сопоставить равную ей по величине и противоположную по направлению силу, приложенную к другому телу, взаимодействующему с данным телом.

Закон всемирного тяготения. Все тела в природе взаимно притягивают друг друга. Закон, которому подчиняется это притяжение был установлен Ньютоном и носит название закона всемирного тяготения . Согласно этому закону сила, с которой две материальные точки притягиваются друг к другу, прямо пропорциональна массам этих точек и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними :

Помимо материальных точек соотношение (8) справедливо так же и для шаров. Коэффициент пропорциональности , называется гравитационной постоянной. Направление действия силы проходит по прямой, соединяющей материальные точки. В случае притяжения двух тел конечных размеров закон всемирного тяготения дает сложное выражение для силы взаимодействия тел. Посмотрим на рис. 1, на котором представлены взаимодействующие тела. Разобьем тела на N достаточно малых частей. Сила гравитационного притяжения, действующая на элемент первого тела со стороны элемента второго тела может быть представлена в виде

.

Согласно принципу суперпозиции на элемент со стороны второго тела будет действовать сила

.

Просуммировав последнее выражение по i , найдем силу взаимодействия между телами

.

Сила тяжести и вес тела. Под действием силы притяжения Земли все тела падают на ее поверхность с одинаковым ускорением g . Согласно второму закону Ньютона это означает, что в системе отсчета, связанном с Землей на все тела действует сила

называемая силой тяжести . Пусть теперь тело покоится на горизонтальной опоре (см. рис. 2). В этом случае сила тяжести будет уравновешена силой реакции опоры N , действующей на тело со стороны опоры. Тогда по третьему закону Ньютона тело будет действовать на опору с силой G :

называемой весом тела . Следует иметь в виду, что, вообще говоря, вес тела может быть не равен силе тяжести (пример с лифтом).

Силы упругости. Мы уже отмечали, что часто используемое в механике понятие «абсолютно твердое тело» представляет собой математическую абстракцию. В действительности под действием приложенных к нему сил всякое тело деформируется. Различают упругую и неупругую деформации. Если после прекращения действия сил, тело восстанавливает свои размеры и форму, то такая деформация называется упругой.

Рассмотрим пружину, имеющую в недеформированном состоянии длину , и приложим к ее концам равные по величине и противоположные по направлению силы F 1 и F 2 (см. рис. 1). Под действием этих сил пружина растянется на величину . В состоянии равновесия внешние силы F 1 и F 2 будут уравновешены внутренними упругими силами, возникающими в пружине при ее деформации. Опытным путем установлено, что при небольших деформациях (в этом случае деформация упругая) удлинение пружины оказывается пропорциональным растягивающей силе :

Коэффициент пропорциональности k называется коэффициентом жесткости пружины. Соотношение (1) носит название закона Гука .

Силы трения. Силы трения возникают при перемещении соприкасающихся поверхностей друг относительно друга. Трение, возникающее при относительном перемещении двух соприкасающихся тел, называется внешним . Трение между частями одного и того же сплошного тела называется внутренним (например, трение в жидкостях или газах). Различают сухое и вязкое трение. Сухое трение – это трение между поверхностями двух твердых тел при отсутствии жидкой (газообразной) прослойки между ними. В случае наличия такой прослойки, а также в случае трения друг о друга слоев жидкости или газа, или в случае трения твердого тела о жидкость, говорят о вязком тернии. В сухом трении выделяют трение скольжения и трение качения .

Сухое трение . В случае сухого трения сила терния возникает не только при скольжении тел относительно друг друга, но и при попытке вызвать такое скольжение. В последнем случае говорят о том, что между телами действует сила трения покоя . Рассмотрим еще раз рис. 2. Пусть на тело 1 действует сила нормального давления N . Эта сила может быть обусловлена различными причинами, в частности весом тела. Приложим теперь к телу 1 силу F , направленную в горизонтальном направлении. Мы увидим, что для того, чтобы сдвинуть тело 1 с места придется увеличить силу F до некоторого значения . Пока тело 1 будет оставаться в покое. Согласно второму закону Ньютона это означает, что на тело будет действовать уравновешивающая силу F сила трения F тр. Причем до тех пор, пока тело 1 не сдвинется с места справедливо соотношение

Заметим, что по третьему закону Ньютона сила, равная по модулю , и противоположная ей по направлению будет действовать и на тело 2 (см. рис. 2).

После того, как тело 1 сдвинется с места, между ним и телом 2 будет действовать сила трения скольжения, величина которой, вообще говоря, будет зависеть от скорости перемещения тела 1 относительно тела 2, а также от природы и состояния соприкасающихся поверхностей. При специальной обработке поверхностей, возможно реализовать ситуацию, когда сила трения скольжения практически не будет зависеть от скорости.

Законы сухого терния сводятся к следующему: максимальная сила трения покоя и сила трения скольжения не зависят от площади соприкасающихся поверхностей и приблизительно пропорциональна силе нормального давления, прижимающей трущиеся поверхности друг к другу:

, (2)

где - коэффициент трения . График зависимости силы трения в этом случае представлен на рис. 3.

Вязкое трение и сопротивление среды. Как показывает опыт, сила вязкого терния, возникающая при перемещении слоев жидкости друг относительно друга, оказывается в существенной зависимости от скорости относительного движения слоев. В случае небольших скоростей с достаточной для практики точностью выполняется закон прямой пропорциональности между скоростью и силой вязкого трения:

где знак «-» означает, что сила трения, действующая на слой жидкости, всегда противоположна скорости движения этого слоя.

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.

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

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…