§ 28. ТЕЛА И ИХ ОКРУЖЕНИЕ. ПЕРВЫЙ ЗАКОН НЬЮТОНА

Чтобы найти причину возникновения ускорений, нужно обратиться к опыту, к наблюдениям. Нам будет удобнее сначала выяснить, при каких условиях тело движется без ускорения, т. е. когда его скорость с течением времени не меняется.

Всякое тело, движется оно или покоится, не одиноко в мире. Вокруг него есть много других тел — близких и далеких, больших и малых, покоящихся и движущихся. Естественно предположить,

Рис. 75

Рис. 76

что некоторые из них, а может быть и все, как-то действуют на то тело, которое мы рассматриваем, как-то влияют на его состояние движения. Заранее нельзя сказать, какие из окружающих тел существенно влияют, а какие мало влияют на это состояние. Это надо исследовать в каждом отдельном случае.

Рассмотрим сначала какое-нибудь покоящееся тело. Такое тело не обладает ускорением, его скорость постоянна и равна нулю.

На рисунке 75 показан шарик, подвешенный на резиновом шнуре. Относительно Земли он находится в покое. Около шарика имеется множество различных тел: шнур, на котором он висит, стены комнаты, множество предметов в ней и в соседних помещениях и, конечно, Земля. Понятно, что не все эти тела одинаково действуют на шарик. Если, например, убрать или переставить мебель в комнате, то это не окажет какого-либо заметного влияния на шарик. Но если перерезать шнур (рис. 76), шарик сразу начнет падать вниз, с ускорением. Хорошо известно, что именно под влиянием Земли все тела падают вниз. Но пока шнур не был перерезан, шарик все же находился в покое. Этот простой опыт показывает, что из всех тел, окружающих шарик, только два заметно влияют на него: резиновый шнур и Земля, и их совместное влияние обеспечивает состояние покоя шарика. Стоило устранить одно из этих тел — шнур, и состояние покоя нарушилось. Если бы можно было, сохранив действие шнура, убрать... Землю, то это тоже нарушило бы покой шарика: он стал бы двигаться в противоположном направлении.

Это приводит нас к выводу, что действия на шарик двух тел — шнура и Земли, компенсируют (иногда говорят, уравновешивают) друг друга.

Когда говорят, что действия двух или нескольких тел компенсируют друг друга, то это значит, что результат их совместного действия такой же, как если бы этих тел вовсе не было.

Рассмотренный нами пример и много других подобных примеров позволяют сделать следующий вывод: если действия тел компенсируют друг друга, то тело под влиянием этих тел находится в состоянии покоя.

Но мы знаем, что движение и покой относительны; и если по отношению к одной системе отсчета тело покоится, то относительно других систем отсчета тело может двигаться. Рассмотрим, например, шайбу, лежащую на льду хоккейного поля (рис. 77). Шайба покоится относительно Земли, потому что действие на нее Земли компенсируется действием льда. Но для хоккеиста, движущегося с постоянной скоростью относительно Земли, а значит и относительно шайбы, эта шайба движется в сторону, противоположную направлению движения хоккеиста, со скоростью . В системе отсчета, связанной с движущимся хоккеистом, шайба движется равномерно и прямолинейно.

Ударим по шайбе клюшкой. В результате очень непродолжительного действия клюшки шайба придет в движение, приобретя некоторую скорость. Замечательно, что после удара, когда действие клюшки на шайбу уже прекратилось, шайба продолжает свое движение. Между тем после удара влияние на шайбу других тел осталось таким же, как и до удара: по-прежнему действие Земли компенсируется действием льда, а клюшка, как и до удара, никакого влияния на движение шайбы не оказывает. Шайба же после удара движется по прямой линии с почти постоянной скоростью, которую она приобрела в момент удара. Правда, шайба в конце концов остановится, но из опыта известно, что, чем более гладкими будут лед и сама шайба, тем более продолжительным будет движение шайбы. Можно поэтому догадаться, что если совсем устранить то действие льда на движущеюся шайбу, которое называется трением, то шайба продолжала бы двигаться относительно Земли с постоянной скоростью безостановочно.

Итак, мы видим, что если влияние на тело других тел компенсируется, то относительно Земли тело находится или 6 покое, или движется прямолинейно и равномерно.

Это утверждение справедливо, однако, не для всех систем отсчета. Например, относительно хоккеиста, бросающегося в атаку

Рис. 77

и поэтому движущегося относительно Земли с ускорением, шайба движется тоже неравномерно. Хотя, конечно, и этот хоккеист скажет, что действие Земли и действие льда на шайбу компенсируют друг друга.

Таким образом, мы приходим к одному из основных законов механики, который называется первым законом Ньютона.

Существуют такие системы отсчета, относительно которых движущиеся тела сохраняют свою скорость постоянной, если на них не действуют другие тела или действие других тел компенсируется.

Само явление сохранения скорости движения тела (в частности, состояния покоя) при компенсации внешних воздействий на тело называют инерцией. Поэтому первый закон Ньютона часто называют законом инерции.

Те системы отсчета, относительно которых тело при компенсации внешних воздействий движется равномерно и прямолинейно, называют инерциальными системами отсчета,

В приведенном примере с хоккейной шайбой инерциальными системами являются система отсчета, связанная с Землей, и система отсчета, связанная с хоккеистом, движущимся относительно Земли разномерно и прямолинейно. Но не только они. Ясно, что любая система отсчета, движущаяся относительно Земли прямолинейно и равномерно, тоже является инерциальной. Таким образом, если нам известна из опыта хотя бы одна инерциальная система отсчета, то инерциальными будут и любые другие системы отсчета, движущиеся относительно нее прямолинейно и равномерно.

В дальнейшем мы будем пользоваться только инерцнальными системами отсчета.

Закон инерции отнюдь не очевиден, как это может показаться с первого взгляда. С его открытием было покончено с одним давним заблуждением. До этого на протяжении веков считалось, что при отсутствии внешних воздействий на тело (или, что то же самое, при компенсации всех воздействий) оно может находиться только в состоянии покоя, что покой — это как бы естественное состояние тела. Для движения же тела с постоянной скоростью необходимо, чтобы на него действовало другое тело. Казалось, что это подтверждал повседневный опыт: для того чтобы повозка двигалась с постоянной скоростью, ее должна все время тянуть лошадь; чтобы стол двигался по полу, его нужно непрерывно тянуть или толкать и т. д.

Великий итальянский ученый Галилео Галилей был первым, кто указал, что это неверно, что при отсутствии внешнего воздействия тело может не только покоиться, но и двигаться

прямолипейпо и равномерно. Прямолинейное и равномерное движение является, следовательно, таким же «естественным» состоянием тел, как и покой. И если стол, для того чтобы он двигался, нужно гинуть или толкать, то это объясняется тем, что при движении стола пол не только компенсирует действие Земли, но и создает еще дополнительное действие на стол, называемое трением. Воздействие тех, кто тянет или толкает стол, и нужно, чтобы скомпенсировать трение. Галилей сделал вывод, что не будь трения стол, приведенный в движение, продолжал бы его с постоянной скоростью и без воздействия извне.

Гениальный английский физик Исаак Ньютон обобщил выводы Галилея и включил их в число основных законов движения.

Упражнение 18

1. Приведите примеры тел, находящихся в состоянии покоя. Действие каких тел компенсируется в этих случаях?

2. Приведите примеры тел, движущихся прямолинейно и равномерно. Укажите тела, действия которых при этом взаимно компенсируются,

3. Гребцы, пытающиеся заставить лодку двигаться против течения, не могут с этим справиться, и лодка остается в покое относительно берега. Действия каких тел на лодку при этом компенсируются?

4. В чем состоит явление инерции?

5. В чем состоит первый закон Ньютона?

6. На столе для игры в настольный теннис лежит мяч. Стол сдвинули с места, и мяч пришел в движение. Укажите тело отсчета, относительно которого в этом случае верен закон инерции, и тело отсчета, относительно которого этот закон не выполняется.