Инерциальные системы отсчета. Законы Ньютона

В динамике выясняются причины того или иного характера движения тела на основе сил, действующих на тело. Наиболее просто законы динамики выглядя в так называемых инерциальных системах отсчета.

Инерциальными называют такие системы отсчета, в которых тело находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, если все силы, действующие на тело, скомпенсированы. Скомпенсированность сил означает следующее:

.

Все материальные тела обладают некоторым физическим свойством, которое называют инертность. Инертность это свойство тела сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если все силы, действующие на тело, скомпенсированы. Впервые на это обратил внимание Галилей, который сформулировал принцип инертности.

В основе динамики лежат три закона Ньютона.

1-ый закон Ньютона.

Существуют такие системы отсчета, в которых тело находится в состоянии покоя или движется равномерно и прямолинейно, если все силы, действующие на него, скомпенсированы.

Первый закон Ньютона, прежде всего, постулирует существование инерциальных систем отсчета. В этом его самостоятельное значение. Кроме того, он устанавливает условия покоя тела или равномерного прямолинейного движения.

Поскольку инертность это физическое свойство тела, его можно выражать количественно и измерять. В качестве меры инертности тела выбирают его массу m. Измеряя независимо силу, действующую на тело и ускорение, которое сообщает телу эта сила, можно становить пропорциональность . Коэффициентом пропорциональности в этой зависимости является масса. Измеренную в таком динамическом эксперименте массу называют инертной массой.

Сам Ньютон формулировал свой второй закон с помощью понятия импульса тела .

2-ой закон ньютона.

Изменение импульса тела равно действующей на тело силе и совпадает с ней по направлению.

.

Или в нерелятивистском случае:

Сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на ускорение, сообщаемое этой силой.

.

Можно нарисовать следующую схему (см. рис. 11).

Взаимодействие Сила Ускорение

Рис. 11

3-ий закон Ньютона.

Силы, с которыми два тела действуют друг на друга, равны по модулю и противоположны по направлению.

Отсюда следует, что при взаимодействиях в инерциальных системах силы всегда возникают попарно.

Третий закон Ньютона, вообще говоря, справедлив лишь приближенно, т.к. он предполагает мгновенный характер распространения взаимодействия. Все силы, действующие на тела в механике, можно условно разделить на две группы: силы, возникающие при непосредственном взаимодействии (например, силы упругости, силы трения), и силы, возникающие на расстоянии (например, гравитационные силы). Силы, возникающие при непосредственном взаимодействии, связаны с деформацией тела, например, при растяжении пружины.

Силы, возникающие на расстоянии, обусловлены наличием соответствующих полей с определенными свойствами (например, гравитационного поля).

На самом деле между этими двумя типами сил нет принципиального различия. Все они, в сущности, обусловлены существованием тех или иных полей. Но особенность этих полей связана с их быстрым убыванием в зависимости от расстояния между телами.