Первый закон Ньютона
«Природа для него,— писал впоследствии Эйнштейн,— была открытой книгой, которую он читал без усилий». За свои научные заслуги Ньютон был возведен в рыцарское достоинство. И он мог с полным правом на своем смертном одре сказать: «Сделал, что мог, пусть другие сделают лучше».
Ньютон родился в 1642 г., в год смерти Галилея. Родился он очень слабым и был так мал, что его можно было искупать в большой пивной кружке. Целую неделю его жизнь висела на волоске. Но судьбе было угодно, чтобы смерть была побеждена и ребенок остался жив.
В школе Ньютон учился поначалу плохо, занимая в списке успеваемости предпоследнее место. Однако после случившейся как-то драки с одноклассником он решил доказать, что может обойти того в списке успеваемости, и, увлекшись учебой, начинает обгонять одного за другим всех остальных учеников класса. Вскоре Исаак становится лучшим учеником школы.
В детстве Ньютон был склонен к мечтательности и задумчивости. Он увлекался стихами, рисовал и много мастерил: им были сконструированы солнечные и водяные часы, ветряная мельница, бумажный змей и др.
Единственным другом в его школьные годы была младшая сестра избитого им одноклассника. Много лет спустя она рассказала, что Исаак был «тихим, рассудительным и разумным мальчиком. Он никогда не играл с мальчиками во дворе и не участвовал в их грубых развлечениях». Оставаясь среди девочек, «он часто делал маленькие столики, чашечки и другие игрушки для нее и ее подружек, чтобы они могли складывать туда своих куколок и дешевые украшения».
В 1661 г. Ньютон поступает в Тринити-колледж Кембриджского университета. Через четыре года он становится бакалавром искусств.
В 1665 г. в Англии распространилась эпидемия чумы, спасаясь от которой жители городов начали уезжать в малонаселенные деревни. Ньютон также покидает Кембридж и возвращается в родную деревню. Два года, проведенные там, вдали от городской суеты, оказались для него очень плодотворными. В это время он сделал свои самые главные открытия: разработал новые методы в математике, создал теорию цветов, открыл закон всемирного тяготения и др. Однако полученные им тогда результаты были опубликованы лишь много лет спустя.
Итогом его многолетних исследований явился фундаментальный труд под названием «Математические начала натуральной философии». В предисловии к этой книге, вышедшей в 1687 г., Ньютон написал: «Сочинение это нами предлагается как математические основы физики. Вся трудность физики, как будет видно, состоит в том, чтобы по явлениям движения распознать силы природы, а затем по этим силам объяснить остальные явления».
Книга Ньютона начиналась с определений основных понятий механики: массы, силы и т. д. После них шли «аксиомы или законы движения», на основе которых доказывались многочисленные следствия и теоремы.
Сформулированные Ньютоном аксиомы теперь называют законами Ньютона.
Первый закон Ньютона гласит:
Любое тело, до тех пор пока оно остается изолированным, сохраняет свое состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.
Под изолированным телом в этом законе имеется в виду частица (материальная точка), находящаяся бесконечно далеко от всех остальных тел Вселенной.
Первый закон Ньютона выполняется не во всех системах отсчета. Системы отсчета, в которых выполняется первый закон Ньютона, называются инерциальными. Если координатные оси провести через центр Солнца и при этом направить их на какие-либо одиночные удаленные звезды, то по отношению к такой системе отсчета скорость любого изолированного тела будет оставаться практически неизменной. Это означает, что систему отсчета, связанную с Солнцем и удаленными звездами, с достаточной точностью можно считать инерциальной. Система отсчета, связанная с Землей, строго говоря, не является инерциальной, так как относительно нее удаленные небесные тела (которые можно считать практически изолированными), вместо того чтобы двигаться по прямым линиям, совершают на небе суточные вращения. Неинерциальность земной системы отсчета обусловлена вращением Земли вокруг своей оси и Солнца. Эти вращения, однако, происходят сравнительно медленно, и потому во многих случаях систему отсчета, связанную с Землей, можно считать приблизительно инерциальной.
Мы за тело отсчета будем принимать Землю. Законы Ньютона в этом случае будут выполняться лишь приблизительно, но для решения многих задач этой (не слишком высокой) точности будет достаточно.
Строго говоря, изолированных тел в природе не существует. Поэтому первый закон Ньютона описывает не реальную, а воображаемую ситуацию. В нем говорится о том, как двигалось бы тело, если бы все окружающие его тела вдруг оказались бесконечно далеко от него. До Ньютона существовали разные мнения: одни считали, что тело в этом случае перестало бы двигаться (так как исчезли тела, заставляющие его перемещаться), другие (вслед за Галилеем) придерживались иной точки зрения. Они считали, что лишь покоящееся вначале тело так и осталось бы в покое, но движущееся тело при этом продолжало бы двигаться по инерции с прежней скоростью.
Ньютон придерживался взглядов Галилея, что и отразил в своем первом законе.
Тел, находящихся на бесконечно большом расстоянии от всех остальных тел Вселенной, не существует. Но могут быть ситуации, когда это расстояние оказывается столь велико, что рассматриваемое тело с достаточной степенью точности можно считать изолированным. Так, например, космическая станция, находящаяся в пустом межзвездном пространстве, оказывается столь далеко от всех небесных тел, что ее движение можно описывать с помощью первого закона Ньютона. После выключения двигателей такая станция не останавливается, а продолжает двигаться (относительно Солнца и удаленных звезд) по прямой линии с неизменной скоростью. Именно так движутся сейчас автоматические межпланетные станции, покинувшие Солнечную систему.
1. Чем отличается динамика от кинематики? 2. В чем заключается первый закон Ньютона? 3. Относительно какого тела рассматривается движение в первом законе Ньютона? 4. Какие тела называют изолированными? Существуют ли они в природе? 5. Что вы можете сказать об ускорении изолированного тела? 6. Чем отличаются взгляды Галилея и Ньютона на движение изолированных тел от представлений их предшественников? 7. Что такое система отсчета? 8. Какие системы отсчета называют инерциальными?