2.1. Первый закон Ньютона (закон инерции)

Тело (материальная точка), не подверженное внешним воздействиям, либо находится в покое, либо движется прямолинейно и равномерно.

Такое тело называют свободным, а его движение – свободным движением или движением по инерции.

Свободных тел, строго говоря, не существует. Они являются физическими абстракциями.

Свойство тел сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называют инерцией тела.

Количественной мерой инерции тела является его масса. Единицей массы в СИ является килограмм (кг). Обычно массу тела определяют, сравнивая ее с массой эталонных тел (гирь) путем взвешивания на рычажных весах.

Первый закон Ньютона выполняется не во всех системах отсчета. Например, тела, лежащие неподвижно на гладком полу каюты движущегося равномерно и прямолинейно корабля, могут прийти в движение без всякого воздействия на них со стороны других тел, если корабль начнет изменять курс или скорость хода, т.е. когда корабль начнет двигаться ускоренно. Без указания системы отсчета закон инерции теряет смысл. Классическая механика постулирует, что существует система отсчета, в которой все свободные тела движутся прямолинейно и равномерно.

Система отсчета, по отношению к которой выполняется закон инерции, называется инерциальной системой отсчета.

Содержание закона инерции, в сущности, сводится к утверждению, что существует по крайней мере одна инерциальная система отсчета.

Всякая система отсчета, движущаяся по отношению к инерциальной системе отсчета равномерно и прямолинейно, будет также инерциальной системой отсчета.

Понятие инерциальной системы отсчета является научной абстракцией. С очень высокой точностью инерциальной можно считать гелиоцентрическую систему отсчета с началом в центре масс Солнца и осями, направленными на три звезды (такая инерциальная система отсчета используется в космонавтике).

Лабораторная (земная) система отсчета неинерциальна главным образом из – за суточного вращения Земли. Однако, это вращение медленное

рад/с

и для решения большинства технических задач инерциальной системой отсчета можно считать систему, жестко связанную с Землей.

Закон инерции отнюдь не очевиден. До Галилея считали, что воздействие обуславливает не изменение скорости (т.е. ускорение), а саму скорость.

2.2. Второй закон Ньютона

Для того, чтобы его сформулировать введем понятие силы.

Силой называется векторная величина, характеризующая воздействие на данное тело со стороны других тел.

Сила полностью задана, если указаны ее модуль F, направление в пространстве и точка приложения.

Механическое воздействие может осуществляться как при непосредственном контакте тел (например, удар, трение, давление тел друг на друга и т.п.), так и между удаленными телами посредством гравитационных и электромагнитных полей.

Для материальной точки справедливо следующее утверждение: ускорение, вызываемое силой, обратно пропорционально массе, т.е.

. (1)

Это уравнение называется уравнением движения материальной точки. Оно будет

справедливо также и для поступательно движущихся тел, поскольку в этом случае ускорения всех точек тела будут одинаковыми, равными .

В классической механике масса материальной точки не зависит от скорости, а ускорение , где – скорость. Поэтому уравнение (1) можно переписать в другой форме

(2)

или , (3)

где (4)

– импульс материальной точки.

В теоретической механике (а раньше и в физике), вектор называется количеством движения.

Уравнение, записанное в форме (3), утверждает, что скорость изменения импульса материальной точки равна действующей на нее силе.

Это утверждение называют вторым законом Ньютона, а соответствующее ему уравнение (3) – уравнением движения.

Уравнение (3) дает также количественное определение силы: .

Второй закон Ньютона, записанный в форме (3), выражает принцип причинности в классической механике, т.к. устанавливает однозначную связь между изменением с течением времени состояния движения и положения материальной точки и действующей на нее силой. Этот закон позволяет, зная начальное состояние материальной точки (ее координаты и скорость в начальный момент времени) и действующую на нее силу, рассчитать состояние материальной точки в любой последующий момент времени.

Из уравнений (2) и (3) следует, что при (т.е. в отсутствие воздействия на данное тело со стороны других тел) ускорение , т.е. тело движется равномерно и прямолинейно (или, в частном случае, покоится).

Таким образом, 1-й закон Ньютона, казалось бы, входит во второй закон как его частный случай. Несмотря на это, 1-й закон формулируется независимо от второго, поскольку в нем содержится утверждение о существовании в природе инерциальных систем отсчета.

Из (1) следует, что . В СИ за единицу силы принимается Ньютон (Н): 1Н = 1кг м/с².