Движение по инерции

Причиной изменения скорости движения тел, то есть возникновения ускорения, в механике считают их взаимодействие. Ускорение тела в некоторый момент времени определено положением тел и движением окружающих тел.

Долгое время, следуя Аристотелю, считалось, что для того, чтобы тело двигалось, пусть даже с постоянной скоростью, оно нуждается во внешнем воздействии. Если внешнего действия на тело нет, то тело находится в состоянии покоя. Только Галилей и позднее Ньютон показали, что движение тела с постоянной скоростью эквивалентно состоянию покоя тела. Для того чтобы тело находилось в покое или равномерном и прямолинейном движении на тело не должны действовать силы или их действие должно взаимно компенсироваться.

Движение по инерции

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Движение тела, которое происходит без внешнего воздействия, называют движением по инерции.

Всякое тело, которое было выведено из состояния покоя, после прекращения действия на него со стороны других тел, продолжает перемещаться по инерции.

На Земле такое движение практически невозможно. Представить движение по инерции можно только в идеальных условиях. Рассмотрим, например, скольжение тела по горизонтальной поверхности. Если поверхность тела гладкая и скользит оно по льду, то тело будет изменять свою скорость медленно. Можно представить, что идеально гладкое тело по идеально гладкой поверхности может двигаться с постоянной скоростью бесконечно долго. Иная ситуация сложится, если заставить скользить тоже самое тело по шероховатой поверхности. Оно быстро уменьшит свою скорость до нуля.

Инерциальные системы отсчета

Однако следует учитывать, что движение всегда относительно. В произвольной системе отсчета изменение скорости тела может произойти без того, чтобы на него оказали воздействие другие тела. Системы отсчета, в которых тело сохраняет состояние покоя или движется равномерно и прямолинейно, если на него не оказывают действие другие тела, называют инерциальными. Инерциальных систем бесконечно много, так как любая система отсчета, движущаяся равномерно и прямолинейно относительно инерциальной системы отсчета является в свою очередь инерциальной.

Получается, что понятие инерциальной системы отсчета связано с представлением о свободном теле. Считают, что если тело удалено от других тел достаточно далеко, то оно не испытывает взаимодействия с другими телами и является свободным. На практике условия свободного перемещения выполняются с большей или меньшей погрешностью. Эмпирически невозможно доказать существование инерциальных систем отсчета. Систем отсчета, связанную Землей (геоцентрическую систему), можно считать инерциальной лишь в некотором приближении, так как Земля вращается вокруг Солнца и собственной оси. С гораздо большей степенью точности инерциальной можно считать систему, связанную с Солнцем и звездами. Такая система называется гелиоцентрической.

Первый закон Ньютона

Существуют такие системы отсчета, в которых тело движется с постоянной скоростью или находится в покое, если на него не действуют другие тела или их действие взаимно скомпенсировано. Постулирование существования инерциальных систем отсчета – содержание первого закона Ньютона.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Для того чтобы экспериментально показать, что избранная система отсчета является инерциальной следует иметь свободное тело. Как можно установить, что на избранное тело не действуют другие тела?

Решение

Все известные на настоящий момент взаимодействия тел в макромире убывают с ростом расстояния между телами. Но нельзя быть абсолютно уверенным в отсутствии взаимодействия, если рассматриваемое тело не касается других тел или находится от них в удалении. Так, силы гравитации и электромагнитные силы играют существенную роль на относительно больших расстояниях между телами. Следовательно, установить факт отсутствия взаимодействия на основе удаления в пространстве можно только приближенно, с то или иной требуемой точностью. Говорят, что в этом смысле не существует решающего эксперимента, который можно было бы считать доказательством первого закона Ньютона.

ПРИМЕР 2

Задание

Каково отношение силы трения шарика о жидкость к весу шарика ( $\frac{F_{tr}}{P}$ ), если он всплывает с постоянной скоростью. При этом известно отношение плотности жидкости ( $\rho$ ) к плотности материала шарика ( ${\rho}_{sh}$ ): ( $\frac{\rho}{{\rho}_{sh}}=n$ ).

Решение

Сделаем рисунок.

По условию задачи шарик движется с постоянной скоростью, следовательно, из первого закона Ньютона следует, что силы, действующие на него, взаимно компенсируют друг друга.

На шарик действуют: сила тяжести: $m\overrightarrow{g}$ , сила трения шарика о жидкость ${\overrightarrow{F}}_{tr}$ . Эти силы направлены вниз, против движения шарика. Вверх направлена сила Архимеда ${\overrightarrow{F}}_A$ . Получается, то сила Архимеда компенсирует сумму сил (тяжести и трения):