Перший закон Ньютона: визначення, приклади, формула
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Зміст:
Великий англійський фізик Ісаак Ньютон (1643-1727) навіки вписав своє ім’я в історію науки, зробивши безліч важливих наукових відкриттів, зрозумівши речі, які зараз здаються цілком собі очевидними. Але для часу, коли жив вчений це було великим проривом. Серед найбільш значущих відкриттів Ньютона, зрозуміло, варто згадати закон всесвітнього тяжіння, про який ми вже писали. Але крім нього саме Ньютон сформував основи класичної механіки, яка грунтується на трьох основних законах, названих по імені вченого – законами Ньютона. І в нашій сьогоднішній статті ми детально розберемо перший закон Ньютона та його значення для фізики.
Визначення
Якщо сформулювати перший закон Ньютона коротко, то він буде звучати так:
Існують такі системи відліку, звані інерціальними, в яких тіла рухаються рівномірно і прямолінійно, якщо на них не діють ніякі сили або дія інших сил скомпенсована.
Іншими словами суть першого закону Ньютона можна пояснити простим прикладом – якщо ми штовхнемо візок на абсолютно рівній дорозі і уявимо, що на нього не діють ніякі інші сили, крім нашого поштовху, в тому числі сила тертя, сила опору повітря і т.д., то такий візок буде котитися нескінченно. (Причому буде котитися з незмінно однаковою швидкістю).
Перший закон Ньютона ще називають законом інерції. Нагадаємо, що інерція це здатність тіл зберігати рух при відсутності впливу зовнішніх сил.
Ця картинка відмінно ілюструє, що таке інерція.
Зрозуміло, в реальності таких систем, де на тіло не діють ніякі інші зовнішні сили, не існує. Так, наприклад, всі тіла на Землі знаходяться під постійним впливом сили земного тяжіння (щоб переконатися в цьому, досить відпустити будь-який предмет і він завжди впаде вниз). Або, наприклад, під час ходьби на нас діє безліч різних зовнішніх сил: все та ж сила тяжіння, сила тертя, сила опору повітря і т. д.
Цікавий факт: Ньютон був не першим, хто сформулював цей закон, до нього він був висловлений, нехай і в менш чіткій формі, іншим великим вченим Галілео Галілеєм. Відповідно до закону інерції Галілея при відсутності зовнішніх сил тіло або спочиватиме на місці, або рухатиметься рівномірно. Заслуга Ньютона в тому, що він зміг поєднати принцип відносності Галілея з роботами інших вчених, і, звичайно ж, з власними працями.
Формула
Формулу цього закону можна записати наступним чином:
F = 0 → V = const, a = 0
Де F- сумарні сили, що діють на тіло, в інерціальній системі Ньютона (існуючій тільки теоретично) вони рівні 0. V – швидкість руху тіла, a – його прискорення.
Швидкість руху тіла (V), є константою, тобто постійною величиною, якщо уявити, що на тіло не діють інші сили, прискорення ж також дорівнює 0, оскільки знову таки швидкість тіла у нас константа.
Приклад та інерціальна система відліку
Сам Ньютон під своєю ідеальною інерціальною системою відліку (ІСВ), представляв не багато не мало, а нашу геліоцентричну систему з Сонцем в її центрі, і планетами, які рухаються навколо світила.
Безперервний рух планет навколо Сонця з незмінно постійною швидкістю по Ньютону і є найважливішим прикладом здійснення першого закону Ньютона або закону інерції в нашому Всесвіті.
Варто зауважити, що саме завдяки ІСВ вчений і відкрив свій не менш знаменитий закон всесвітнього тяжіння (а зовсім не тому, що йому на голову впало яблуко, як говорить популярна легенда про вченого).
За допомогою інерціальної системи відліку і першого закону імені себе Ісаак Ньютон пояснив закони небесної механіки, що здавалися загадкою для людей його часу.
Был долго этот мир глубокой тьмой окутан
Да будет свет, и тут явился Ньютон.
(Епіграма XVIII століття).
Але варто зауважити, що закони небесної механіки насправді виявилися набагато складнішими, ніж бачив їх Ньютон. І коли на зміну йому в ХХ століття прийшов інший геніальний фізик на ім’я Альберт Ейнштейн зі своєю теорією відносності, людству знову довелося переглянути свої погляди на будову Всесвіту, зокрема з’ясувалося, що рух Землі (як втім, й інших планет) навколо Сонця все-таки не є інерціальною системою відліку. Насправді все набагато складніше.
Но сатана недолго ждал реванша –
Пришел Эйнштейн, и стало все как раньше.
(Епіграма ХХ століття).
Рекомендована література та корисні посилання
- Єжов С. М., Макарець М. В., Романенко О. В. Класична механіка. — К. : ВПЦ “Київський університет”, 2008. — 480 с.
- Іро Г. Класична механіка. — Л. : ЛНУ ім. Івана Франка, 1999. — 464 с.
- Голдстейн Г. Классическая механика. — М. : Наука, 1975. — 416 с.
- Crowell, Benjamin (2011), Light and Matter (2011, Light and Matter), especially at Section 4.2, Newton’s First Law, Section 4.3, Newton’s Second Law, and Section 5.1, Newton’s Third Law.
- Feynman, R. P. (англ.) Рос.; Leighton, R. B.; Sands, M. The Feynman Lectures on Physics (неопр.). – 2nd. – Pearson / Addison-Wesley, 2005. — Т. Vol. 1. – ISBN 0-8053-9049-9.
Автор: Павло Чайка, головний редактор журналу Пізнавайка
При написанні статті намагався зробити її максимально цікавою, корисною та якісною. Буду вдячний за будь-який зворотний зв'язок та конструктивну критику у вигляді коментарів до статті. Також Ваше побажання/питання/пропозицію можете написати на мою пошту pavelchaika1983@gmail.com або у Фейсбук.