1. Коли швидкість тіла змінюється?
2. Закон інерції
3. Інерціальні системи відліку та перший закон Ньютона
4. Застосування явища інерції
5. Чи очевидний перший закон Ньютона?
1. КОЛИ ШВИДКІСТЬ ТІЛА ЗМІНЮЄТЬСЯ?
ПОСТАВИМО ДОСЛІД
Ударте ключкою шайбу, що лежить на льоду, і вона почне рухатися (рис. 6.1). Отже, дія ключки на шайбу змінила швидкість шайби.
А якщо вдарити по шайбі, що рухається? І в цьому випадку її швидкість зміниться: ударом можна зупинити шайбу або надати їй швидкості в іншому напрямі.
Цей та інші подібні досліди і спостереження, з якими знайомий кожен із нас, показують, що внаслідок дії на тіло інших тіл його швидкість змінюється.
Але чи завжди це так? Чи може швидкість тіла змінюватися, хоча на нього не діють інші тіла?
ПОСТАВИМО ДОСЛІД
Простежимо за рухом шайби по льоду після удару ключкою. Ми помітимо, що швидкість шайби зменшується. Це зменшення швидкості під час руху шайби набагато помітніше, якщо вона ковзатиме не по льоду, а по асфальту.
Яке ж тіло діє на шайбу, що ковзає, зменшуючи її швидкість? Адже ми не бачимо, щоб її щось тягнуло чи штовхало. Може, шайба гальмується «сама собою»? Але якщо це гальмування — властивість самої шайби, то чому на асфальті вона «гальмується» набагато сильніше, ніж на льоду?
Ви, певна річ, здогадалися: причиною зменшення швидкості шайби є тертя. Під час ковзання шайби по асфальту тертя набагато більше, ніж під час ковзання по льоду, ось чому після того самого удару шайба, рухаючись по асфальту, зупиняється набагато раніше, ніж коли вона рухається по льоду.
Першим, хто зрозумів, що швидкість тіла зменшується не «сама по собі», а внаслідок тертя, був Ґ. Ґалілей.
А ось інший приклад.
ПОСТАВИМО ДОСЛІД
Підніміть м’яч і відпустіть його. Він почне падати. Під час падіння, як ми вже знаємо, швидкість тіла збільшується.
Яке ж тіло діє на падаючий м’яч, прискорюючи його? Хіба ми бачимо, що його під час падіння щось тягне або штовхає?
Цим «невидимим» тілом, що діє на м’яч, є величезна Земля. Як не дивно, довгий час її не помічали саме через її величезність (згадаймо приказку «Усе велике бачиться здалеку»). Земля притягує м’яч.
Першим, хто зрозумів, що прискорення падаючих тіл зумовлене притяганням Землі, був І. Ньютон. Про це ми докладніше розповімо в § 10. Закон всесвітнього тяжіння.
Але внаслідок притягання Землі швидкість тіла не обов’язково збільшується!
ПОСТАВИМО ДОСЛІД
Киньте м’яч вертикально вгору. Під час піднімання м’яча його швидкість зменшується.
Це зменшення швидкості також зумовлене притяганням м’яча Землею.
Отже, на підставі наших дослідів і спостережень ми можемо припустити, що
швидкість тіла змінюється внаслідок дії на нього інших тіл.
2. ЗАКОН ІНЕРЦІЇ
Те, що швидкість тіла змінюється тільки внаслідок дії на це тіло інших тіл, першим припустив Ґалілей.
Ґалілей був першим серед учених, хто почав перевіряти свої припущення на досліді. Він скочував кулі з похилої площини (з тієї самої висоти) і спостерігав за їхнім подальшим рухом по горизонтальній поверхні. Учений помітив: що більш тверда й гладка ця поверхня, то довше котиться по ній куля.
Так, по посипаній піском поверхні куля прокотиться зовсім небагато (рис. 6.2, а), по тканині прокотиться набагато довше (рис. 6.2, б), а по гладкому склу котитиметься дуже довго (рис. 6.2, в). Але зрештою вона все-таки зупиниться.
На підставі своїх дослідів Ґалілей здогадався, що причиною зменшення швидкості кулі є тертя. Під час руху кулі по тканині тертя менше, ніж під час руху по піску, а під час руху по склу — ще менше. Але все-таки й у цьому випадку тертя є. Може, тільки тому куля зрештою й зупиняється?
І Ґалілей висловив геніальний здогад: він припустив, що якби тертя не було зовсім, куля котилася б з незмінною швидкістю вічно! Так було відкрито перший закон механіки. Його формулюють як
закон інерції: якщо на тіло не діють інші тіла, воно рухається прямолінійно рівномірно або зберігає стан спокою.
Тіло рухається з постійною (за модулем і напрямом) швидкістю й у тому разі, коли дії інших тіл, що діють на дане тіло, скомпенсовані. Приблизно так і відбувається з кулею, що котиться по склу: тертя при цьому дуже мале, а притягання кулі Землею компенсується тим, що скло тисне на кулю знизу вгору.
Те, що тіло зберігає свою швидкість, якщо на нього не діють інші тіла (або дії цих тіл скомпенсовані), називають явищем інерції. Про різноманітні застосування цього явища ми розповімо далі.
3. ІНЕРЦІАЛЬНІ СИСТЕМИ ВІДЛІКУ ТА ПЕРШИЙ ЗАКОН НЬЮТОНА
Розпочате Ґ. Ґалілеєм у 16-му столітті відкриття законів механіки завершив у 17-му столітті І. Ньютон. Він сформулював систему основних законів механіки, яку згодом назвали «трьома законами Ньютона».
Першим з цих законів Ньютон узяв відкритий Ґалілеєм закон інерції1. Тому закон інерції називають також першим законом Ньютона.
Сучасне формулювання першого закону Ньютона ми наведемо трохи пізніше. У ньому враховується, що закон інерції виконується не в усіх системах відліку.
Наприклад, дослід показує, що він досить точно виконується в системі відліку, пов’язаній із Землею. А от, наприклад, у системі відліку, пов’язаній з автобусом, що їде міською вулицею, закон інерції не виконується: коли автобус ру-
шає з місця, пасажирів «кидає» назад, а коли автобус гальмує, пасажирів «кидає» уперед.
Системи відліку, у яких виконується закон інерції, називають інерціальними.
Те, що закон інерції досить точно виконується в системі відліку, пов’язаній із Землею, означає, що
пов’язану із Землею систему відліку досить точно можна вважати інерціальною системою відліку.
У наведеному далі формулюванні першого закону Ньютона зазначено, у яких системах відліку він справедливий.
Перший закон Ньютона: існують системи відліку, що називають інерціальними, у яких тіло зберігає стан спокою або прямолінійного рівномірного руху, якщо на нього не діють інші тіла або дії інших тіл скомпенсовані.
4. ЗАСТОСУВАННЯ ЯВИЩА ІНЕРЦІЇ
Перший закон Ньютона ми застосовуємо дуже часто. Наприклад, його застосовує кожен, хто кидає м’яч або розбігається для стрибка. І в тому, і в іншому випадку використовують явище інерції — те, що тіло зберігає швидкість і рухається «саме собою».
Використовує перший закон Ньютона і велосипедист, який, розігнавшись на рівному шосе, насолоджується якийсь час швидким рухом, не крутячи педалі.
Особливо ефектно використовують перший закон Ньютона в зимових видах спорту, де тертя вдається зробити особливо малим (рис. 6.3).
Однак перший закон Ньютона може бути і небезпечним, якщо його не враховувати. Наприклад, не можна різко гальмувати переднім гальмом, коли ви швидко їдете на велосипеді: «зберігаючи швидкість», ви можете вилетіти із сідла й перелетіти через руль!
5. ЧИ ОЧЕВИДНИЙ ПЕРШИЙ ЗАКОН НЬЮТОНА?
Закон інерції (перший закон Ньютона) здається дуже простим. Але чому ж тоді його не відкрив давньогрецький учений Арістотель, який почав вивчати рух тіл за дві тисячі років до Ґалілея?
Арістотель стверджував: щоб тіло рухалося, його необхідно «рухати». І спостереження дійсно вказують скоріше на те, що тіла «самі собою» не рухаються. Наприклад, коли кінь перестає тягти візок, візок зупиняється; коли стихає вітер, листя на деревах завмирає. Тому справедливість учення Арістотеля не викликала сумнівів дві тисячі років.
Ґалілей зробив принципово новий крок у вивченні руху: він перейшов від спостережень до дослідів. У цих дослідах він установив, що рух припиняється через цілком визначену причину — через тертя. І здогадався, що якби тертя можна було усунути зовсім, то тіло рухалося б «саме собою» вічно! Це й було відкриттям закону інерції.
Однак відкриття закону інерції зовсім не зробило його очевидним: з ним і сьогодні не погоджується здоровий глузд. І причина та ж сама, що заважала Арістотелю відкрити цей закон: ми бачимо, що тіла навколо нас не рухаються самі собою як завгодно довго! Як же не вірити власним очам?
Але річ у тім, що будь-який рух у «земному» світі, що оточує нас, супроводжується тертям — ми так само не помічаємо його, як не помічав колись і Арістотель.
Однак ми вже знаємо, що внаслідок тертя рух не зникає, а переходить з однієї форми в іншу: тіла нагріваються, тобто
збільшується швидкість хаотичного руху частинок, з яких складаються ці тіла.
Сьогодні, коли люди навчилися значно зменшувати тертя, здатність тіл зберігати рух уже не здається такою надзвичайною.
ПРО ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ
Швидкість тіла змінюється тільки внаслідок дії на нього інших тіл. Закон інерції: якщо на тіло не діють інші тіла, воно рухається прямолінійно рівномірно або зберігає стан спокою.
Системи відліку, у яких виконується закон інерції, називають інерці-альними. Систему відліку, пов'язану із Землею, досить точно можна вважати інерціальною системою відліку.
Перший закон Ньютона: існують системи відліку, що називають інерціальними, у яких тіло зберігає стан спокою або прямолінійного рівномірного руху, якщо на нього не діють інші тіла або дії інших тіл скомпенсовані.
ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ
Перший рівень
1. Коли швидкість тіла змінюється?
2. Чи може швидкість тіла змінитися, якщо на нього не діють інші тіла?
3. Чи може швидкість тіла залишатися незмінною, хоча на нього діють інші тіла? Підтвердьте свою відповідь прикладом.
4. Сформулюйте закон інерції. Хто його відкрив?
5. У чому полягає явище інерції? Наведіть приклади цього явища.
6. Чому, коли струшувати мокру парасольку, з неї злітають краплі води?
7. Які системи відліку називають інерціальними?
8. Чи можна пов'язану із Землею систему відліку приблизно вважати інерціальною?
9. Сформулюйте перший закон Ньютона.
10. Наведіть приклади прояву і застосування першого закону Ньютона.
11. Чому небезпечно різко гальмувати переднім гальмом, коли ви швидко їдете на велосипеді?
Це матеріал з підручника Фізика 10 клас Генденштейн, Ненашев