Первый закон Ньютона (закон инерции). Удельный вес. Плотность

Для того чтобы лучше понять и запомнить этот закон, остановимся сначала на двух примерах из обыденной жизни.

Вы вошли в вагон трамвая и встали в проходе. Вдруг вагон по вине, скажем, неопытного вагоновожатого рывком трогается с места. Вы едва не падаете назад и, чтобы устоять на ногах, принуждены схватиться за поручень или сделать значительное противодействующее усилие.

Почему вы падаете назад? В момент начала движения вагона ваше тело стремится остаться неподвижным (в пространстве), или, как говорят, стремится сохранить состояние покоя, а так как вагон, на полу которого вы стоите, начал двигаться вперед, то вы и падаете назад.

Далее вагон набрал скорость и идет прямолинейно с некоторой постоянной скоростью. Теперь ваше тело не стремится падать ни назад, ни вперед, и вы стоите, не держась за поручень. Но вот вагоновожатый резко затормозил. Вы едва не падаете вперед и, чтобы устоять на ногах, принуждены снова схватиться за поручень или сделать значительное противодействующее усилие.

Почему же теперь вы падаете вперед? В момент начала торможения вагона ваше тело стремится двигаться с прежней скоростью, стремится, как говорят, сохранить свое прямолинейное и равномерное движение, а так как скорость вагона внезапно резко уменьшилась, то вы и падаете вперед.

Из наших примеров следует, что всякое тело сохраняет состояние покоя или прямолинейного равномерного движения до тех пор, пока какая-нибудь причина, называемая силой, не выведет его из этого состояния. Это и есть первый закон механики или первый закон Ньютона, открытый им в 1687 г.

Если тело находится в состоянии покоя, то принято говорить, что оно сохраняет состояние покоя вследствие инерции или по инерции. Если тело движется прямолинейно и равномерно, то принято говорить, что оно стремится продолжать это движение по инерции.

Таким образом, инерцией называется свойство тел сохранять состояние покоя или прямолинейного равномерного движения. Поэтому первый закон Ньютона и называется еще законом инерции.

Удельный вес. Плотность. Слова „плотность“ и „плотный“ мы часто употребляем в быту, и то содержание, которое мы вкладываем в эти понятия, в общем совпадает с содержанием, вкладываемым в эти понятия физикой. Не задумываясь, мы скажем, например, что дуб плотнее липы, вида плотнее воздуха, ртуть плотнее воды, железо плотнее олова и т. д.

Говоря о плотности этих тел, мы руководствуемся, конечно, их весом. При этом, сравнивая плотность, например, воды и ртути, мы имеем в виду не просто вес данных объемов воды и ртути, а сравнительный вес единицы объема воды и единицы объема ртути, т. е. так называемый удельный вес воды и ртути.

За единицу объема в технической системе единиц принят 1 кубический метр – м³. Поэтому мы можем сказать, что удельным весом какого-либо вещества, называется вес 1 м³ этого вещества. Таким образом, если мы имеем какое-либо тело и хотим найти удельный вес d вещества, из которого состоит тело, то должны разделить вес тела G на его объем V: d = G/V.

Если в этой формуле мы положим, что вес тела G = 1 кг и объем тела V = 1 м³, то найдем единицу удельного веса: единица удельного веса = килограмм : кубический метр = кг/м³.

Говоря в быту о плотности тела, мы руководствуемся его удельным весом. Однако из предыдущего мы знаем, что вес тела, а следовательно, и его удельный вес—величины непостоянные, тогда как масса тела — величина постоянная. Поэтому физика при определении плотности тела исходит не из удельного веса тела, а из его массы.

Напомним, что массой называется количество вещества, заключенное в данном теле. Очевидно, что тело будет тем плотнее, чем больше вещества содержится в единице объема тела. Поэтому мы можем сказать, что плотностью данного вещества называется масса одного кубического метра этого вещества, выраженная в единицах массы.

По второму закону Ньютона масса тела равняется силе, деленной на ускорение: m = ƒ/α; на основании этой формулы мы можем написать, что масса одного кубического метра вещества, т. е. плотность (обозначается греческой буквой р — „ро“), будет равна: p = d/g, где: d – удельный вес, т. е. вес массы 1 м³ (та сила, с которой масса 1м³ притягивается Землей); g – ускорение силы тяжести.

Таким образом, мы получили формулу для плотности, которую можно прочесть так: плотность равна удельному весу, беленному на ускорение силы тяжести.

Отсюда ясно, что единица плотности равна единице удельного веса (кг/м³), деленной на единицу ускорения (м/сек²).