Действие одного тела на другое. Закон инерции

Представим себе, что на горизонтальной дороге стоит тележка с песком (рис. 65, а). Если мы начнем ее толкать, то тележка начнет двигаться относительно Земли (рис. 65, б). Ее скорость будет изменяться – у тележки появится ускорение в системе отсчета, связанной с Землей. В этом случае принято говорить, что на тележку подействовали, т. е. тележка испытала механическое действие со стороны другого тела.

Подводя первый итог, скажем, что относительно системы отсчета, связанной с Землей, неподвижное тело сохраняет состояние покоя до тех пор, пока не появится действие, стремящееся вывести тело из этого состояния.

Теперь рассмотрим случай, когда тележка на горизонтальной дороге в момент начала наблюдения движется относительно Земли равномерно прямолинейно со скоростью v₀. Повседневный опыт подсказывает, что если мы хотим увеличить скорость тележки (разогнать ее), то мы должны тянуть или толкать тележку в направлении ее движения (рис. 66). Напротив, если мы хотим уменьшить скорость тележки (затормозить ее), мы должны подействовать на нее в направлении, противоположном движению (рис. 67).

Таким образом, как и в первом случае – с неподвижной тележкой, признаком наличия механического действия какого-либо тела на тележку является изменение ее скорости (появление отличного от нуля ускорения) относительно Земли. В дальнейшем для краткости механическое действие мы будем называть просто действием.

Признаком механического действия на тело является изменение скорости этого тела (появление у тела отличного от нуля ускорения) относительно Земли.

А что будет происходить со скоростью тележки, движущейся равномерно прямолинейно относительно Земли, если на тележку не действовать? Будет ли в этом случае изменяться ее скорость, или она останется постоянной?

Этот вопрос интересовал людей с давних пор. В Древней Греции считалось, что для поддержания равномерного прямолинейного движения тела на него необходимо действовать постоянно. В самом деле, чтобы телега ехала по горизонтальной дороге с постоянной скоростью, ее все время должна тянуть лошадь. Если лошадь перестанет тянуть телегу, та очень быстро остановится. Однако при попытке объяснить таким же образом полет выпущенной из лука стрелы древние ученые сталкивались с большими трудностями. Ведь на летящую стрелу не оказывается постоянное действие в направлении ее движения.

Первый серьезный шаг в разрешении этого вопроса сделал в XII в. Галилей. Пытаясь объяснить движение небесных и обычных земных тел с единой точки зрения, он начал изучать движение тел, скатывая тяжелые шары по разным наклонным плоскостям. При этом он установил, что при движении тела вниз по наклонной плоскости его скорость увеличивается; когда же тело движется вверх по наклонной плоскости, его скорость уменьшается. На основании этого он сделал вывод, что при движении по горизонтальной плоскости скорость тела должна оставаться постоянной.

Но опыты показывали, что при движении по реальной горизонтальной плоскости скорость тела также уменьшается (тело тормозится). Правда, это торможение зависит от материалов, из которых изготовлены тело и плоскость. Действительно, начав скатываться с одной и той же высоты (рис. 68), шарик движется по горизонтальному стеклу значительно дольше, чем по тому же стеклу, покрытому сукном. Галилей выдвинул гипотезу (предположение), что реальная горизонтальная плоскость в той или иной мере действует на тело, вызывая его торможение. Однако можно представить себе такую идеальную горизонтальную плоскость, которая не будет вызывать торможения.

Исходя из этой гипотезы, Галилей сделал вывод: скорость, сообщенная телу относительно Земли, сохраняется на идеальных (гладких) горизонтальных плоскостях до тех пор, пока нет причин (действия других тел), приводящих к возникновению ускорения.

Сделанный Галилеем вывод носит название закона инерции. Такое название закон получил потому, что движение тела без воздействия на него других тел назвали движением по инерции (латинское слово inertia означает «бездеятельность»). Согласно Галилею, движение по инерции может наблюдаться в системах отсчета, неподвижных относительно Земли.

Скорость, имеющаяся у тела относительно Земли, сохраняется на идеальных (гладких) горизонтальных плоскостях до тех пор. пока нет причин (действия других тел), приводящих к возникновению ускорения.

Отметим, что если начальная скорость тела равна нулю (тело неподвижно относительно Земли), то при отсутствии действия других тел оно также будет сохранять свое состояние – состояние покоя.

Рассмотрим еще раз тележку, движущуюся с постоянной скоростью по горизонтальной дороге. Теперь мы можем дать ответ на вопрос, будет ли изменяться скорость тележки относительно Земли, если на нее ничто не действует. В соответствии с законом инерции если дорога, по которой движется тележка, будет идеальной (гладкой), то скорость тележки относительно Земли будет оставаться постоянной (рис. 69).

В реальном случае на движущуюся тележку будет действовать дорога. В результате тележка будет тормозиться на шероховатой поверхности и в конце концов остановится (рис. 70).

Таким образом, если скорость тележки относительно Земли изменяется (тележка движется с ускорением – разгоняется или тормозится), то это означает, что на тележку оказывается механическое действие со стороны другого тела (или других тел).

Итоги

Признаком механического действия на тело является изменение скорости этого тела (появление у тела отличного от нуля ускорения) относительно Земли.

Закон инерции.
Скорость, имеющаяся у тела относительно Земли, сохраняется на идеальных (гладких) горизонтальных плоскостях до тех пор, пока нет причин (действия других тел), приводящих к возникновению ускорения.

Движение тела без воздействия на него других тел называют движением по инерции.

Вопросы

1. Что является признаком наличия механического действия на тело? Приведите примеры механического действия на тело.
2. Какое движение тела называют движением по инерции?
3. Сформулируйте закон инерции.
4. В каком направлении надо действовать на движущуюся по дороге тележку, чтобы: а) увеличить ее скорость; б) уменьшить ее скорость?
5. Почему движущаяся по реальной горизонтальной дороге тележка уменьшает свою скорость с течением времени?
6. Как будет изменяться скорость движущейся по идеальной горизонтальной дороге тележки, если на нее действовать: а) в направлении движения; б) против направления движения?
7. Какие физические модели использованы в формулировке закона инерции, приведенной в тексте параграфа? Какие факты можно объяснить с помощью этой гипотезы?