Перший закон Ньютона. Маса

1. Перший закон Ньютона

Всі тіла в природі взаємодіють один з одним. Однак в деяких ситуаціях впливу на дане тіло з боку інших тіл можна не брати до уваги.

Так, космічний корабель в далекому міжзоряному просторі практично не відчуває гравітаційного тяжіння об’єктів Всесвіту через їх колосальної віддаленості. Що лежить на столі олівець притягується до Землі, але дія Землі компенсується пружною реакцією столу, і тому олівець знаходиться в спокої, немов ніякі сили на нього взагалі не діють.

У всіх подібних випадках будемо називати тіло вільним. Тіло називається вільним, якщо дії на нього з боку інших тіл або нехтує малі, або компенсують один одного.

1.1. Інерціальні системи відліку

Повсякденний досвід говорить про те, що вільні тіла покояться – як згаданий олівець на столі. Тому довгий час вважалося, що для підтримки якого б то не було руху необхідно здійснювати не компенсуються зовнішній вплив з боку інших тіл.

Але це виявилося невірним. Як встановив Галілей, вільне тіло може не тільки знаходитися в спокої, а й рухатися рівномірно і прямолінійно! Саме стан рівномірного прямолінійного руху є «природним» для вільного тіла; спокій же – окремий випадок такого руху зі швидкістю, що дорівнює нулю. Слід врахувати, проте, що рух щодо: воно розглядається не сама по собі, а в певній системі відліку. У різних же системах відліку рух даного тіла буде виглядати по-різному.

Так, будинок з точки зору нерухомо стоїть спостерігача буде перебувати в спокої: сила тяжіння будинку до Землі компенсується силою пружності грунту. Якщо спостерігач рухається щодо землі рівномірно і прямолінійно, то і будинок щодо спостерігача буде здійснювати рівномірний прямолінійний рух в повній відповідності з висновками Галілея – адже будинок є вільним тілом! Але якщо у спостерігача заплітається ноги і він бреде, хитаючись, то йому буде здаватися, що будинок розгойдується в різні боки. У цій системі відліку будинок, будучи вільним тілом, робить аж ніяк не рівномірний і прямолінійний рух. Таким чином, твердження Галілея вірно не у всій спільності: не у всякій системі відліку вільне тіло рухається рівномірно і прямолінійно. Але все ж такі системи відліку існують (існують «хороші» спостерігачі!), І в цьому полягає перший закон Ньютона.

Перший закон Ньютона. Існують такі системи відліку, щодо яких вільне тіло рухається рівномірно і прямолінійно.

Властивість вільного тіла зберігати швидкість постійною називається інерцією. Тому перший закон Ньютона називають ще законом інерції. Рівномірний прямолінійний рух вільного тіла називається рухом по інерції. Система відліку, щодо якої вільне тіло рухається рівномірно і прямолінійно, називається інерціальній. Перший закон Ньютона – це постулат про існування інерціальних систем відліку. У інерціальних системах відліку механічні явища описуються найбільш просто.

Насправді інерціальних систем відліку існує нескінченно багато: будь-яка система відліку, яка рухається відносно інерціальної системи рівномірно і прямолінійно, сама є інерціальній.

Система відліку, яка рухається відносно інерціальної системи відліку з прискоренням, є неінерціальної. У такій «поганий» системі відліку вільне тіло буде рухатися з прискоренням, що ускладнить опис його руху.

З досить високою точністю можна вважати інерціальною геліоцентричну систему (систему Коперника). Це система відліку, початок якої вміщено в центрі Сонця, а координатні осі спрямовані на три будь-які віддалені зірки, які можна прийняти за нерухомі.

Інерціальною часто можна вважати систему відліку, пов’язану з земною поверхнею. Це, однак, більш грубе наближення – адже ми тим самим відволікаємося від обертання Землі навколо власної осі і навколо Сонця. Так, зірка, нерухома в системі Коперника, в земній системі буде здійснювати складний рух у вигляді накладення двох обертань (добового і річного). Однак в більшості явищ, що відбуваються на поверхні Землі, неінерціальна земної системи відліку практично ніяк не позначається, і нею можна знехтувати.

1.2. Принцип відносності

Галілей помітив, що, перебуваючи в трюмі корабля, ніякими механічними дослідами неможливо встановити, покоїться корабель або рухається рівномірно і прямолінійно. Це означає, що інерціальні системи відліку зовсім не відрізняються один від одного з точки зору законів механіки. Іншими словами, вірний принцип відносності Галілея.

Принцип відносності Галілея. Будь-яке механічне явище при одних і тих же початкових умовах протікає однаково в будь-якій інерціальній системі відліку. Згодом Ейнштейн поширив цей принцип з механічних явищ на взагалі все фізичні явища. Загальний принцип відносності Ейнштейна ліг в основу теорії відносності. Принцип відносності Галілея і Ейнштейна ми обговоримо докладніше при вивченні основ спеціальної теорії відносності.

2. Маса і густина

Маса – одна з найбільш фундаментальних фізичних величин. Маса характеризує відразу кілька властивостей тіла і має низку важливих властивостей.

1. Маса служить мірою міститься в тілі речовини.
2. Маса є мірою інертності тіла. Інертністю називається властивість тіла зберігати свою швидкість незмінною (в інерціальній системі відліку), коли зовнішні впливи відсутні або компенсують один одного. При наявності зовнішніх впливів інертність тіла проявляється в тому, що його швидкість змінюється не миттєво, а поступово, і тим повільніше, чим більше інертність (т. Е. Маса) тіла.
3. Маси тіл є причиною їх гравітаційного тяжіння один до одного (див. Розділ «Сила тяжіння»).
4. Маса тіла дорівнює сумі мас його частин. Це так звана адитивність маси. Адитивність дозволяє використовувати для вимірювання маси еталон – 1 кг.
5. Маса ізольованої системи тіл не змінюється з часом (закон збереження маси).
6. Маса тіла не залежить від швидкості його руху. Маса не змінюється при переході від однієї системи відліку до іншої.

Щільністю однорідного тіла називається відношення маси тіла до його об’єму:

ρ = m / V.
Щільність не залежить від геометричних властивостей тіла (форми, обсягу) і є характеристикою речовини тіла. Щільності речовин представлені в довідкових таблицях. Бажано пам’ятати щільність води: 1000 кг/м ³.