§ 37. Выбор системы отсчета. Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета

Допустим, что нам удалось какое-то тело освободить от всяких влияний других тел. Допустим также, что мы нашли такую систему отсчета, в которой это тело находится в покое или движется прямолинейно и равномерно. Очевидно, такая система будет самой удобной для отыскания причин, вызывающих движение, и самой лучшей для решения задач динамики. Поэтому нашу задачу можно поставить так: найти хотя бы одну действительно существующую систему отсчета, в которой тело, освобожденное от всяких внешних влияний (уединенное тело), находилось бы в состоянии покоя или сохраняло бы состояние равномерного прямолинейного движения.

Теоретически заранее указать систему отсчета, обладающую такими свойствами, нельзя. Отыскать такую систему с помощью одноразового прямого опыта тоже нельзя, так как невозможно заранее указать, какие тела и как действуют на данное тело и что нужно сделать для освобождения его от этих действий. Так же принципиально нельзя устранить и тело отсчета, относительно которого наблюдается данное движение. Для того чтобы проверить, как в любой данной системе могло бы вести себя уединенное тело, необходимо поставить ряд последовательных опытов по наблюдению за движением тела при постепенно уменьшающемся влиянии других тел.

В практической деятельности чаще всего приходится рассчитывать движение тел относительно поверхности Земли. Поэтому сначала проверим с помощью опытов, как могло бы вести себя уединенное тело в системе отсчета, связанной с Землей.

При постановке этих опытов надо считаться с тем, что нельзя освободиться от притяжения Земли. Оно заставляет все тела падать по вертикали равноускоренно. Однако принцип независимого сложения движений позволяет обойти эту трудность. Он дает возможность рассматривать особенности движений по горизонтали и не учитывать при этом притяжения Земли.

Из повседневной жизни мы знаем, что если телу сообщена какая-либо горизонтальная скорость, то оно может продолжать свое движение в течение некоторого времени. Водитель автомашины и машинист поезда используют это для движения на горизонтальных участках пути при выключенном двигателе (на накате). Именно потому, что нужно уметь вовремя «погасить» скорость такого движения «по инерции», водители должны проявлять особую заботу о тормозных устройствах.

Для того чтобы остановить движение современного самолета при посадке, приходится помимо обычных тормозов на колесах применять специальные тормозные парашюты (рис. 2.3).

Рис. 2.3.

Рис. 2.4.

Любое тело, получившее какую-либо горизонтальную скорость относительно Земли, сохраняет ее, и для его остановки каждый раз мы должны затрачивать какое-то усилие.

Уже все эти факты позволяют нам предполагать, что любое тело, освобожденное от внешних воздействий, могло бы сохранять относительно Земли состояние покоя или равномерного прямолинейного движения по горизонтали.

Справедливость такого предположения мы можем подтвердить рядом простых опытов со скатыванием шарика с горки (рис. 2.4). Допустим, что шарик, приобретя после скатывания некоторую скорость попадает на горизонтальную дорожку. Пусть в первый раз это шероховатая дорожка, посыпанная песком, в другой раз — дорожка, покрытая шерстяной тканью, в третий раз — дорожка из полированного гладкого стекла.

Мы можем обнаружить, что передвижение какого-либо предмета по этим дорожкам требует разных усилий. Это убеждает нас, что влияние поверхностей дорожек на движение тела должно быть различным.

Наблюдая за движением шарика, легко определить, что он после скатывания с горки на первой дорожке очень быстро остановится, пройдя малое расстояние. На второй дорожке шарик пройдет большее расстояние, на третьей - еще большее. Если бы шарику была предоставлена, например, возможность двигаться по дорожке на воздушной подушке, то расстояние, пройденное им, стало бы еще больше, а его движение — более равномерным.

Таким образом, последовательность этих опытов показывает, что при непрерывном уменьшении влияния окружающих тел горизонтальное движение любого тела относительно Земли неограниченно приближается к равномерному прямолинейному движению.

Примерно такая же последовательность опытов, но только, конечно, более тщательных, была проведена Галилео Галилеем. Эти опыты и позволили Галилею впервые сформулировать свой знаменитый закон инерции: тела, свободные от внешних воздействий, сохраняют состояние покоя или равномерного прямолинейного движения относительно Земли.

Впоследствии великий английский физик Исаак Ньютон включил этот закон в число общих законов движения, поэтому закон инерции часто называют первым законом Ньютона.

Отметим еще раз, что первый закон Ньютона определяет одно из важнейших свойств системы отсчета, связанной с Землей. Именно это свойство позволит нам в дальнейшем проследить причины и условия изменений движения различных тел относительно Земли.

Все системы отсчета, для которых выполняется первый закон Ньютона, получили название инерциальных систем.

Мы можем сказать, что Земля — инерциальная система отсчета, причем не единственная. Таких систем множество.

Понятно, что наши рассуждения не могут рассматриваться как полное доказательство справедливости закона инерции для всех движений относительно Земли. Полное доказательство мы получаем только при бесчисленных приложениях этого закона к решению практических задач. Всегда результаты расчетов, основанных на этом законе, полностью оправдываются на опыте.

Обратим внимание на то, что опыты Галилея и приведенные примеры относились только к таким движениям, которые происходили в течение не очень длительного времени и на не очень больших расстояниях на поверхности Земли. Другими словами, инерциальность системы отсчета «Земля» обоснована нами только с известной точностью и только для указанных ограниченных интервалов времени и расстояний. Именно поэтому, когда возникает необходимость, например, определить характер движения воздуха в циклонах и антициклонах, особенности океанских течений, рассчитать движение баллистической ракеты, обнаруживается, что систему отсчета «Земля» можно считать инерциальной только приближенно. В этих случаях мы должны считаться с вращательным движением Земли и особо учитывать возникающие из-за него изменения в движении тел.

Для всех движений, наблюдаемых на Земле и в Солнечной системе, в точности инерциальной является система, связанная с Солнцем и далекими звездами.

Для всех движений, которые мы будем дальше рассматривать, указанные нарушения инерциальности системы отсчета «Земля» очень малы.

Рис. 2.5.

Они никак не будут сказываться на результатах и справедливости наших рассуждений. Поэтому будем считать первый закон Ньютона строго выполняющимся в системе отсчета, связанной, с Землей.