Инерциальные системы отсчета. Первый закон Ньютона

Вы наверняка помните, что движение любого тела относительно. То есть нельзя сказать, имеет ли тело ускорение, если не указать, в какой системе отсчета рассматривается его движение. Например, в системе отсчета, связанной с Землей, тележка, изображенная на рис. 65, покоилась до того момента, как мы начали на нее действовать. Следовательно, в отсутствие действия на тележку ее ускорение относительно Земли было равно нулю. Но если посмотреть на эту же тележку из системы отсчета, связанной с разгоняющимся автомобилем (рис. 71), который едет по дороге с ускорением a относительно Земли, то ситуация изменится. В этой системе отсчета гам автомобиль будет неподвижен, а тележка будет двигаться вместе с Землей навстречу автомобилю с ускорением, хотя на нее ничто не действует.

Таким образом, все возможные системы отсчета можно разделить на две группы. В одних системах отсчета (неподвижных или движущихся равномерно прямолинейно относительно Земли) точечное тело, на которое ничто не действует, движется равномерно прямолинейно или покоится. Напротив, в других системах отсчета (движущихся относительно Земли с ускорением) это же тело, на которое ничто не действует, имеет ускорение.

На самом деле тщательные исследования показали, что даже в системах отсчета, связанных с Землей, точечное тело, на которое ничто не действует, движется равномерно прямолинейно (по закону равномерного прямолинейного движения) лишь приближенно.

Это объясняется, в частности, тем, что, как вы знаете из курса «Естествознание» Земля вращается вокруг своей оси и движется вокруг Солнца. По этой причине можно считать, что закон инерции Галилея выполняется только при рассмотрении движений, которые происходят в течение не очень длительных промежутков времени на небольших расстояниях. В опытах Галилея рассматривались именно такие движения. Следовательно, система отсчета, связанная с Землей, не всегда пригодна для ответа на вопрос, испытывает ли изучаемое тело действие со стороны других тел.

Как же выбрать систему отсчета, в которой можно выяснить, действуют ли на изучаемое тело другие тела?

Попробуем разобраться, как это можно сделать.

Прежде всего необходимо найти такое тело, на которое не действуют другие тела. Такое тело принято называть свободным. Имея такое тело, мы можем рассматривать его движение в различных системах отсчета. Та система отсчета, в которой скорость свободного тела не изменяется со временем, и будет искомой системой отсчета.

Но где взять такое тело, чтобы быть заранее уверенным, что на него ничто не действует? Выход прост. Надо выбрать такое точечное тело, которое находится очень далеко от всех других тел (например, где-то в космосе вдали от всех звезд). Тогда, как показывают эксперименты, можно считать, что действие других тел на это тело практически равно нулю.

Движение тела без воздействия на него других тел называют движением по инерции. Поэтому искомую систему отсчета, в которой свободное точечное тело движется равномерно прямолинейно или покоится, называют инерциальной.

Систему отсчета называют инерциальной, если в ней свободное тело (точечное тело, удаленное от всех других объектов) движущихся равномерно прямолинейно или покоится.

Ясно, что существуют и другие системы отсчета, в которых свободное тело движется с ускорением. В отличие от инерциальных, все такие системы отсчета называют неинерциальными.

Но существуют ли инерциальные системы отсчета? Или так же, как в случае с системой отсчета, связанной с Землей, движение свободного тела в этих системах отсчета будет равномерным прямолинейным лишь приближенно?

В современной физике постулируется, что
инерциальные системы отсчета существуют.

Это утверждение называют краткой формулировкой первого закона Ньютона.

Этот закон является одним из фундаментальных законов природы, важным не только в механике, но и во всех других разделах физики.

С очень высокой точностью инерциальными являются системы отсчета, связанные со звездами, в том числе с Солнцем. Для тех задач, которые мы будем решать, можно считать инерциальной систему отсчета, жестко связанную с Землей. Поэтому любую систему отсчета, связанную с телом, которое движется прямолинейно равномерно или покоится относительно Земли, мы будем считать инерциальной.

В дальнейшем все задачи мы с вами будем решать в инерциальных системах отсчета – ИСО, выбирая в качестве тела отсчета либо Землю, либо тело, которое движется относительно Земли с постоянной скоростью (в частном случае – покоится).

Подводя итог сказанному, дадим полную формулировку первого закона Ньютона, используя современную терминологию.

Существуют системы отсчета, относительно которых свободное (не подвергаемое действию других тел) точечное тело покоится или движется равномерно прямолинейно. Эти системы отсчета называют инерциальными.

Таким образом, если в выбранной нами ИСО у тела изменяется скорость, то это означает, что на тело действует другое тело (или другие тела). Верно и обратное утверждение: если на некоторое (первое) тело действует другое тело, то у этого (первого) тела в ИСО изменяется скорость.

Итоги

Свободным телом называют тело, на которое не действуют другие тела.

Систему отсчета называют инерциальной, если в ней свободное тело (точечное тело, удаленное от всех других объектов) покоится или движется равномерно прямолинейно.

Первый закон Ньютона (краткая формулировка).
Инерциальные системы отсчета существуют.

Первый закон Ньютона (полная формулировка).
Существуют системы отсчета, относительно которых свободное точечное тело покоится или движется равномерно прямолинейно. Эти системы отсчета называют инерциальными.

Любую систему отсчета, связанную с телом, которое движется равномерно прямолинейно или покоится относительно Земли, будем считать инерциальной. Все задачи будем решать только в инерциальных системах отсчета.

Вопросы

1. Объясните, почему для ответа на вопрос о причине изменения скорости тела систему отсчета необходимо выбирать специальным образом. Расскажите, как это следует делать.
2. Сформулируйте определение инерциальной системы отсчета.
3. Сформулируйте первый закон Ньютона.

Упражнения

1. Тело находится в состоянии покоя в ИСО. Чему равно значение скорости этого тела в ИСО, которая движется относительно первой системы отсчета со скоростью, имеющей значение v?
2. Тело движется относительно Земли с ускорением. Можно ли утверждать, что на это тело действует другое тело (или другие тела)?
3. Может ли иметь ускорение тело, движущееся по инерции, относительно: а) инерциальной; б) неинерциальной системы отсчета?
4. Представьте себя сидящим в купе поезда с занавешенным окном. Звукоизоляция столь хороша, что перестука колес во время движения услышать невозможно. Сможете ли вы определить, движется ли поезд с постоянной скоростью, или же он стоит неподвижно?
5. Предположим, что вы сидите в купе поезда, о котором говорилось в упражнении 4. Вам известно, что поезд находится на прямолинейном горизонтальном отрезке дороги. Вы положили на горизонтальный пол вагона стальной шарик и увидели, что он некоторое время оставался неподвижным. Потом он покатился: а) к передней стенке вагона с некоторым ускорением; б) к задней стенке вагона с тем же ускорением. Что вы можете сказать о характере движения поезда в этих случаях? Ответы обоснуйте.