ДИНАМИКА МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ И СИСТЕМЫ МАТЕРИАЛЬНЫХ ТОЧЕК, ДВИЖУЩИХСЯ ПОСТУПАТЕЛЬНО

Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчёта

В основе, так называемой, классической или ньютоновской механики лежат три закона динамики, сформулированных И. Ньютоном (1687). Эти законы играют исключительную роль в механике и являются (как и все физические законы) обобщением результатов огромного человеческого опыта.

Законы Ньютона рассматривают как систему взаимосвязанных законов и опытной проверке подвергают не каждый отдельный закон, а всю систему в целом. Ньютоновская механика оказалась настолько плодотворной, настолько могущественной, что у физиков сложилось представление о том, что любое физическое явление можно объяснить с помощью ньютоновских законов. Большинство физиков к концу XIX в. были убеждены в том, что они уже знают о природе все, что можно было узнать. Однако, наиболее проницательные физики понимали, что в утверждениях классической физики есть слабые места. Так, например, английский физик У. Томсон говорил, что на горизонте безоблачного неба классической физики имеются два темных облачка: неудача попыток создания теории абсолютно черного тела и противоречивое поведение эфира - гипотетической среды, в которой, как предполагалось, распространялись световые волны. Эти факты получили свое объяснение в новых теориях - в квантовой механике и специальной теории относительности.

В специальной теории относительности, созданной А. Эйнштейном к 1905 году, подверглись радикальному пересмотру ньютоновские представления о пространстве и времени. Этот пересмотр привел к созданию «механики больших скоростей», или, как ее называют, релятивистской механики. Новая механика не привела, однако, к полному отрицанию старой ньютоновской механики. Уравнения релятивистской механики, в пределе (для скоростей малых, по сравнению со скоростью света), переходят в уравнения классической механики. Таким образом, классическая механика вошла в релятивистскую механику как ее частный случай и сохранила свое прежнее значение для описания движений, происходящих со скоростями значительно меньшими, чем скорость света с.

Аналогично обстоит дело и с соотношениями в классической и квантовой механике, возникшей в 20-х годах прошлого века в результате развития физики атома.

Уравнения квантовой механики для масс, много больших, по сравнению с массами атомов, также дают уравнения классической механики. Следовательно, классическая механика вошла в квантовую механику в качестве ее предельного случая.

Таким образом, развитие науки не перечеркнуло классическую механику, а лишь показало ее ограниченную применимость. Классическая механика, основывающаяся на законах Ньютона, является механикой тел больших (по сравнению с массой атомов) масс, движущихся с малыми (по сравнению со скоростью света) скоростями.

Основные законы движения - законы Ньютона, известны из курса средней школы. Напомним прежде формулировку первого закона Ньютона.

Существует такая система отсчета (или такие системы отсчета), в которой свободная материальная точка движется равномерно и прямолинейно или покоится.

Свободной материальной точкой или телом называют тело, не подвергающееся воздействию других тел.

Представление об абсолютно свободном теле является абстракцией. Например, мы не можем сказать, что тело свободно, если на него не действует другое соприкасающееся с ним тело. Так как, кроме таких «непосредственных» воздействий, на любое тело могут действовать поля (гравитационное, электромагнитное). Заметим, что и «непосредственные» воздействия тоже осуществляются полями: любое тело состоит из заряженных частиц, поля которых действуют на частицы другого тела.

Гравитационные и электромагнитные силы являются дальнодейст- вующими, т. е. медленно убывающими с расстоянием, что не позволяет избавиться от их влияния.

Таким образом, первый закон Ньютона фактически является постулатом, т. к. невозможно проверить опытом поведение свободного тела. Можно считать, что Ньютон приписал телам некое свойство - сохранять постоянную скорость, которое он назвал инерцией (инертностью).

Очевидно, что скорость свободного тела остается постоянной не во всякой системы отсчета.

В системе отсчета, связанной с отходящим от станции или резко тормозящим поездом, грузы не сохраняли бы «состояние покоя», если бы их не удерживала на полках сила трения.

Система отсчета, в которой свободная материальная точка сохраняет постоянную скорость 6, названа инерциальной системой отсчета.

Первый закон Ньютона равносилен выбору в качестве системы отсчета - инерциальной системы отсчета или утверждению, что такая система существует. Это утверждение и составляет сущность данного закона.

Опытным путем установлено, что инерциальной системой отсчета можно считать гелиоцентрическую (звездную) систему отсчета (начало координат находится в центре Солнца, а оси проведены в направлении определенных звезд). Система отсчета, связанная с Землей, строго говоря, неинерциальная, однако, эффекты, обусловленные ее неиперциальностыо (Земля вращается вокруг собственной оси и вокруг Солнца), при решении многих задач малы и в этих случаях ее можно считать инерциальной.

Из приведенных выше примеров легко понять, что основным признаком инерциальной системы отсчета является отсутствие ускорения се движения.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >