Часть 1 МЕХАНИКА

Глава 2 ДИНАМИКА МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ

2.2. Первый закон Ньютона

Кинематика не раскрывает причин движения. Она лишь описывает само движение. Раскрыть причины движения не так просто.

До Галилея в течение почти двух тысяч лет существовала динамика Аристотеля (384-322 до н. э.). По Аристотелю, небесные тела по своей природе отличные от земных и двигаются только по совершенных кривых - кругах, первоисточник их движения - дух (Бог). Земные тела сами по себе, без действия сил находятся в состоянии покоя, причина их движения - сила. Основное характерно положение динамики Аристотеля: без силы нет движения. То есть для поддержания движения тела на него должны действовать другие тела. Этот взгляд соответствует непосредственному, интуитивному представлению о движении. Так, тележка движется только тогда, когда его подталкивают. Если толкнуть тележку сильнее, то он будет двигаться быстрее, и, наконец, если совсем прекратить действие силы на него, тележка остановится.

Наличие у тела скорости связывалась с действием на него других тел, а числовое значение и направление скорости - с характером и интенсивностью этого действия.

Представления Аристотеля о движении опроверг Г. Галилей (1564-1642), который впервые применил метод научного рассуждения в толковании поставленных им экспериментов.

Изучая скатывание гладкой пули с наклонной плоскости, Г. Галилей заметил, что вниз шар движется ускоренно, постепенно увеличивая скорость, а вверх - замедленно. Отсюда он сделал вывод, что, скатившись на горизонтальную плоскость, шар вечно будет той же скоростью на бесконечной плоскости, если ничто не будет мешать ее движению. Это же можно наблюдать с тележкой, движущейся по гладкой поверхности. Потерпев толчка, тележка начинает двигаться и через некоторое время остановится. Однако уменьшая сопротивление воздуха и трение между тележкой и плоскостью, можно неограниченно увеличивать его путь. В предельном приближении (без трения и сопротивления воздуха) тележка будет двигаться бесконечно долго с постоянной по численному значению и направлению скоростью. Это утверждение называется законом инерции. Четкое определение его впервые дал И. Ньютон: любое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока действие сил не заставит его изменить это состояние.

Свойство тел сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называют инерцией. Том первый закон Ньютона называют законом инерции.

Бесконечную плоскость реализовать не можно, не можно поставить тело в такие условия, чтобы на него не действовали другие тела. Однако можно проверить обратное: во всех случаях, когда тело изменяет свою скорость по числовым значением и направлением, то есть получает ускорение, всегда можно показать тела, действие которых вызывает это ускорение. Например, траектория тела, которое бросили под углом к горизонту, искривляется под действием притяжения с стороны Земли; шар, столкнувшись со стеной, изменяет свою скорость под действием силы, которая действует со стороны деформированной стены.

Следовательно, причиной ускорения тела является сила, действующая на него.

Опыт свидетельствует, что направления векторов силы и ускорения совпадают и что ускорение пропорционально действующей силе. Такого выводу пришли Г. Галилей и И. Ньютон. Они также отождествляли физически состояние покоя и равномерного прямолинейного движения тела, ибо эти состояния реализуются по одинаковых условий - когда сила, действующая на тело (равнодействующая сил), равна нулю. С закона инерции можно сделать вывод, что тело будет двигаться и тогда, когда на него не будет действовать сила. Все это противоречит динамике Аристотеля, который считал, что тела движутся только тогда, когда на них действует сила, пропорциональная скорости (не ускорению!) тела. В динамике Аристотеля явления рассматривались поверхностно, а также неправильно толковались.

Динамика Галилея - Ньютона глубже проникает в суть явлений и правильно толкует их. Однако она не наглядна, ее законы еще следует доказать. Исторически это стало возможным на более высоком уровне развития науки (эксперимента и теории).

Мы убедились, что состояние тела меняется под действием других тел. А как влияют на изменение состояния свойства самого тела? Пусть на какое-то тело, находящееся в состоянии покоя, подействовала сила. Поскольку под действием силы тело приобретает не скорости, а ускорения, то требуется время для достижения конечной скорости. Это время для разных тел будет неодинаковым.

Скалярная величина, характеризующая инерцию тела, называется его инертной массой. Чем медленнее тело меняет свой состояние под действием силы, тем больше его масса. Из определения понятно, что масса любого тела больше нуля. Масса - величина аддитивная. Она не зависит ни от условий, в которых находится тело, ни от взаимодействия его с другими телами. Первый закон Ньютона справедлив не в любой системе отсчета, а только в инерционной.