Первый закон Ньютона

Общая информация

В физике всего три закона, или правила, Ньютона, которые являются основой классической механики. Они используются для описания более сложных процессов, а также решения задач. Учащимся требуется знать кратко три закона Ньютона:

Правила Ньютона

  1. Первый связан с инерциальными системами отсчета.
  2. Второй утверждает зависимость ускорения от силы воздействия на физическое тело.
  3. Третий определяет взаимосвязь сил, действующих на объект.

Правила были впервые сформулированы ученым Исааком Ньютоном в XVII веке. Классическая механика являлась основной парадигмой до XX века, пока Альберт Эйнштейн не сформулировал положения релятивистской динамики.

Положения трех законов были выведены опытным путем. Они применяются для объектов, скорости которых намного меньше, чем 3*108 м/с. Перед изучением законов Ньютона нужно ознакомиться с основными положениями динамики.

Основные положения

Тело двигается равномерно, равноускоренно, прямолинейно или находится в состоянии покоя (находится в одной точке). При равномерном и прямолинейном движении скорость объекта является постоянной величиной в пространстве, т. е. не изменяется с течением времени. Если скорость меняется, то тело движется равноускоренно. Когда тело без движения, на него действуют силы, равные по модулю и противоположны по направлению.

Динамика — раздел физики

Динамика — раздел физики, который изучает правила и законы взаимодействия объектов в целом. В этом случае не рассматривается такие взаимодействия:

  1. Атомарные.
  2. Молекулярные.
  3. Субатомные.

Они не влияют на динамику движения объекта, поскольку силы, действующие на тело, настолько малы, что ими можно пренебречь. Далее следует рассмотреть законы И. Ньютона и формулы.

Первый закон

Чтобы понять назначение и применение I закона Ньютона, следует представить тело, находящееся в состоянии покоя, т. е. на него не действуют другие объекты. Этот пример является простейшей системой механического типа. Если предположить существование другого объекта, который движется под воздействием внешних сил, относительно искомого тела.

Центром системы отсчета для движущегося объекта является тело, скорость которого равна 0 (v = 0). Первый закон Ньютона формулируется следующим образом: в инерциальных системах отсчета (ИСО) тела двигаются равномерно и прямолинейно, а также могут находиться в состоянии покоя, когда они не взаимодействуют с другими телами или на них не действуют внешние силы (их действие может быть скомпенсировано).

Закон инерции Ньютона

У I правила Ньютона существует другое название — закон инерции. Системы отсчета, находящиеся у поверхности Земного шара, являются инерциальными. При проведении экспериментов следует учитывать различные отклонения от I закона Ньютона. Они связаны с ее вращением вокруг оси.

За ИСО можно принять гелиоцентрическую систему, начальные координаты которой помещены в центр Солнца. Ее И. Ньютон использовал для открытия закона Всемирного тяготения. Кроме того, автобус, который движется равномерно и прямолинейно, также является ИСО. Чтобы новичкам было понятно, нужно руководствоваться таким правилом: любая система считается инерциальной, когда ее центр движется равномерно и прямолинейно или ее v = 0.

Однако скорость тела изменяется, поскольку оно может взаимодействовать с другими телами, передавая им кинетическую энергию. Для описания этого процесса нужно разобрать влияние массы и силы на изменение величины скорости объекта.

Понятие массы

Основная формулировка массы имеет такой вид: физическая величина, которая является мерой инертности физического тела. Она обладает скалярностью и аддитивностью. В первом случае выражается одним действительным неотрицательным числом. Второй термин означает следующее: общая масса тела (m), состоящего из нескольких частей с массами m1, m2, m3 и m4, эквивалентна их сумме. Формула записывается следующим образом: m = m1 + m2 + m3 + m4.

При большей массе инертность физического объекта возрастает. Например, пластмассовую машинку легче остановить, чем груженый грузовик или легковую машину, т. е. инертность последних намного больше первой. Единица измерения массы — кг.

Понятие массы

При взаимодействии тела приобретают некоторые физические величины, называемые ускорением. Массы обратно пропорциональны ускорениям. Для понимания процесса нужно разобрать следующий пример: машина с массой m1 столкнулась с объектом, масса которого m2. В результате этого появляются ускорения a1 и a2 для первого и второго объектов. Это можно записать таким образом: m1 * m2 = - a2 * a1. Минус перед ускорениями означает направленность по разным направлениям.

Величина силы

Сила — векторная величина, действующая на физическое тело и влияющая на скорость его перемещения в пространстве. Обозначается она буквой F и измеряется в ньютонах (Н) при помощи специального прибора — динамометра. Последний состоит из пружины, связанной со стрелочным указателем. Если пружину растянуть, то произойдет отклонение стрелки, которая указывает количественную характеристику F.

Следует отметить, что на объект может действовать несколько сил, которые учитываются при решении задач и исследовании некоторых процессов. Они имеют важную особенность — природу возникновения. Например, на автомобиль действует F, состоящая из следующих элементов (сил):

Величина силы

  1. Тяги (Fтяг = m * a), направленной в сторону движения.
  2. Трения (Fтр = a * m * g, а — коэффициент трения и g — ускорение свободного падения 9,81 м/с 2 ) — противоположно относительно Fт.
  3. Реакция опоры (N = m * g) — вверх, относительно дороги.
  4. Тяжести (Fт = m * g) — вниз.

В литературе по физике используется термин «равнодействующая сила». Он означает значение векторной суммы всех составляющих, действующих на объект.

Таким образом, I закон Ньютона применяется при исследовании движения и взаимодействия физических тел, а также для расчета инерциальных составляющих посредством разделения силы на составляющие элементы.