Принцип суперпозиции сил. Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета


 Принцип причинности в механике.

Что вызывает ускорение тел? Если тело, лежащее на полу или на столе, начинает двигаться, то всегда по соседству можно обнаружить предмет, который толкает это тело, тянет или действует на него на расстоянии (например, магнит на железный шар). Поднятый над Землей камень не остается висеть в воздухе, а падает. Надо думать, что именно действие Земли приводит к этому.
Вся совокупность подобных фактов говорит о том, что изменение скорости тела (а значит, ускорение) всегда вызывается воздействием на него каких- либо других тел. Эта фраза содержит главное утверждение механики Ньютона и выражает принцип причинности в механике.
Может оказаться и так, что тело покоится или движется равномерно и прямолинейно, т. е. без ускорения (а = 0), хотя на него и действуют другие тела.
На столе лежит книга, ее ускорение равно нулю, хотя действие со стороны других тел налицо. На книгу действуют притяжение Земли и стол, не дающий ей падать вниз. В этом случае говорят, что действия уравновешивают (или компенсируют) друг друга. Но книга никогда не придет в движение, не получит ускорение, если на нее не подействовать рукой, сильной струей воздуха или еще каким-нибудь способом. Скорость тела никогда не меняется, если на него ничто не действует.
Тело, подвешено на нити. На тело действуют две силы; силы притяжения Земли и сила натяжения нити. Тело покоится, так как действие этих сил взаимно скомпенсировано. Если убрать действие одной из сил, то шарик придет в движение. Например, если перерезать нить шарик будет падать вниз, а если «убрать» Землю, шарик начнет движение вверх.

 

 

Перечислить экспериментальные доказательства того, что изменение скорости одного тела всегда вызывается действием на него других тел, нет никакой возможности. Эти доказательства вы можете наблюдать на каждом шагу.
Футболист ударил по мячу. Ударил — значит, его нога оказала определенное действие на мяч, и скорость мяча увеличилась. А вот какое действие позволяет футболисту быстро устремиться к воротам противника? Одного желания здесь мало. Будь вместо футбольного поля идеально гладкий лед, а на ногах футболиста вместо бутс с шипами — тапочки с гладкой подошвой, это ему не удалось бы. Для того чтобы бежать с ускорением, нужно упираться ногами в землю. Если ноги будут скользить, вы никуда не убежите. Значит, только трение о землю, действие со стороны земли на ноги футболиста позволяет ему, да и всем нам, при беге и ходьбе изменять свою скорость. Точно так же, чтобы остановиться с разбегу, надо упираться ногами в землю.
Если действий со стороны других тел на данное тело нет, то согласно основному утверждению механики ускорение тела равно нулю, т. е. тело будет покоиться или двигаться с постоянной скоростью.


 Инерциальные и неинерциальные системы отсчета.

До сих пор систему отсчета мы связывали с Землей, т. е. рассматривали движение относительно Земли. В системе отсчета, связанной с Землей, ускорение тела определяется только действием на него других тел. Подобные системы отсчета называют инерциальными.
Системы отсчета, относительно которых тела движутся с постоянной скоростью, при компенсации внешних воздействий называется инерциальной. Закон инерции выполняется (рис 2 (а).

Однако в других системах отсчета может оказаться, что тело имеет ускорение даже в том случае, когда на него другие тела не действуют.
В качестве примера рассмотрим систему отсчета, связанную с автобусом. При равномерном движении автобуса пассажир может не держаться за поручень, действие со стороны автобуса компенсируется взаимодействием с Землей. При резком торможении автобуса стоящие в проходе пассажиры падают вперед, получая ускорение относительно стенок автобуса (рис.1). Однако это ускорение не вызвано какими-либо новыми воздействиями со стороны Земли или автобуса непосредственно на пассажиров. Относительно Земли пассажиры сохраняют свою постоянную скорость, но автобус начинает двигаться с ускорением, и пассажиры относительно него также движутся с ускорением. Однако это ускорение не связано со взаимодействием пассажиров с какими-либо телами, оно появляется вследствие того, что движение их рассматривается относительно тела отсчета (автобуса), движущегося с ускорением.
Таким образом, когда на пассажира не действуют другие тела, он не получает ускорение в системе отсчета, связанной с Землей, но относительно системы отсчета, связанной со стенками автобуса, движущегося замедленно, пассажир имеет ускорение, направленное вперед.

рис 1.  

 

То же самое получится, если связать систему отсчета с вращающейся каруселью. Относительно карусели любой предмет, находящийся на Земле, будет описывать окружность, т. е. будет двигаться с ускорением, хотя никаких внешних действий, вызывающих это ускорение, обнаружить нельзя.
Системы отсчета, относительно которых тела движутся с ускорением, , не вызванным действием на него других тел, называют неинерциальной. Закон инерции не выполняется (рис 2 б)

 

       

                     

Так, неинерциальными являются системы отсчета, связанные с автобусом, движущимся по отношению к Земле с ускорением, или с вращающейся каруселью.

В неинерциальных системах отсчета основное положение механики о том, что ускорение тела вызывается действием на него других тел, не выполняется.

 


Формулировка первого закона Ньютона.

Таким образом, наблюдения за движением тел и размышления о характере этого движения приводят нас к заключению о том, что свободные тела движутся с постоянной скоростью по отношению к определенным телам и связанным с ними системам отсчета, например по отношению к Земле. В этом состоит главное содержание закона инерции. Поэтому первый закон динамики может быть сформулирован так: Существуют системы отсчета, называемые инерциальными, относительно которых тело движется прямолинейно и равномерно, если на него не действуют другие тела или действие этих тел скомпенсированно.
Этот закон, с одной стороны, содержит определение инерциальной системы отсчета. С другой стороны, он содержит утверждение (которое с той или иной степенью точности можно проверить на опыте) о том, что инерциальные системы отсчета существуют в действительности. Первый закон механики ставит в особое, привилегированное положение инерциальные системы отсчета.

nПервый закон Ньютона связан с явлением инерции. Тело стремится сохранить состояние покоя, и поэтому, когда тележка сдвигается, тело отклоняется назад (1). При равномерном движении тележки тело остается неподвижным относительно нее, как если бы находилось в покое (2). При остановке, тело стремясь продолжить движение наклоняется вперед (3).

 

 

Взаимодействие тел. Сила.
Количественную меру действия тел друг на друга, в результате которого тела получают ускорения или испытывают деформацию, называют в механике силой.
Понятие силы относится к двум телам. С самого начала нужно отчетливо представить себе, что понятие силы относится именно к двум телам, а не к одному. Всегда можно указать тело, на которое действует сила, и тело, со стороны которого она действует. Так, сила тяжести действует на камень со стороны Земли, а на шарик, подвешенный на пружине, действует сила упругости со стороны пружины.

Сила имеет модуль, направление, точку приложения. Сила — векторная величина. В системе СИ сила измеряется в Ньютонах. Обозначается буквой F.

 

 
Принцип суперпозиции сил.

Если на тело одновременно действуют несколько сил, то ускорение тела будет пропорционально геометрической сумме всех этих сил.

Это положение иногда называют принципом суперпозиции (наложения) сил. Отметим, что действие каждой силы не зависит от наличия других сил.

 

 

Математическое выражение первого закона Ньютона имеет вид:

 

 

 

Контрольные задания по плану обобщенного характера.
1. Связь между какими величинами или явления выражает данный закон
Вопрос 1. Система отсчета связана с автомобилем. Ее можно считать инерциальной, если автомобиль
1. Движется равномерно по прямолинейному участку шоссе
2. Разгоняется по прямолинейному участку шоссе
3. Движется равномерно по извилистой дороге 4. По инерции вкатывается в гору

Вопрос 2. В каких из приведенных ниже случаев речь идет о движении тел по инерции?
А. Человек, поскользнувшись, падает назад; Б. Всадник летит через голову споткнувшейся лошади; В. Пузырек воздуха равномерно и прямолинейно движется в трубке с водой.
1. А 2. Б 3. В 4. А, Б, В

Вопрос 3. Ниже перечислены движения тел относительно Земли. Какую систему отсчета, связанную с одним из этих тел, нельзя считать инерциальной системой отсчета? Систему отсчета, связанную с Землей, примите за инерциальную.
А. Девочка бежит с постоянной скоростью. Б. Поезд движется равноускоренно.
В. Хоккейная шайба равномерно скользит по гладкому льду
1. А 2. Б 3. В 4. А,Б,В

2. Формулировка закона Выберите правильную формулировку закона:
1. Существуют такие системы отсчета, в которых тело не взаимодействующее с другими телами, сохраняет состояние покоя.
2. Существуют такие системы отсчета, в которых тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.
3. Существуют такие системы отсчета, в которых тело не взаимодействующее с другими телами, сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.
4. Существуют такие системы отсчета, в которых тело не взаимодействующее с другими телами, сохраняет состояние равномерного движения.

3. Когда и кто впервые сформулировал закон
Закон инерции впервые был установлен Галилеем для случая горизонтального движения: когда тело движется по горизонтальной плоскости, то его движение является
равномерным и продолжалось бы постоянно, если бы плоскость простиралась в пространстве без конца. Ньютон дал более общую формулировку закону инерции как первому закону движения: всякое тело пребывает в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока действующие на него силы не изменят это состояние.
В жизни этот закон описывает случай когда, если перестать тянуть или толкать движущееся тело, то оно останавливается, а не продолжает двигаться с постоянной
скоростью. Так автомобиль с выключенным двигателем останавливается. По закону Ньютона на катящийся по инерции автомобиль должна действовать тормозящая сила, которой на практике является сопротивление воздуха и трение автомобильных шин о поверхность шоссе. Они-то и сообщают автомобилю отрицательное ускорение до тех пор, пока он не остановиться.

4. Математическое выражение закона
Задача 1. Может ли автомобиль двигаться равномерно по горизонтальному участку шоссе с выключенным двигателем?
1. Да, так трение о шоссе и сопротивление воздуха компенсируются
2. Нет, так как трение о шоссе и сопротивление воздуха ничем не компенсируется
Задача 2. На рисунке изображен график изменения модуля скорости прямолинейного движения вагона с течением времени в инерциальной системе отсчета. В какие промежутки времени суммарная сила, действующая на вагон со стороны других тел, НЕ равна нулю

1. 0 – t1 ; t3 –t4 2. Во все промежутки времени
3. t1 – t2 ; t2 – t3 4. Ни в один из указанных промежутков времени

5. Опыты, подтверждающие справедливость закона
Опыт №1. На горизонтальном столе лежит шар. До каких пор он будет лежать на столе?
Верно ли утверждение: пока на него не подействует другое тело и не выведет его из состояния покоя. 1. Да 2. нет

Опыт № 2 1) Мальчик держит на нити шарик, наполненный водородом. Действие каких тел взаимно компенсируется, если шарик находится в состоянии покоя?
1. Притяжение земли и натяжение нити компенсируется выталкивающим действием воздуха.
2. Притяжение земли компенсируется выталкивающим действием воздуха.
3. Натяжение нити компенсируется выталкивающим действием воздуха.

2) Мальчик выпустил нить. Почему шарик пришел в ускоренное движение?
Верно ли утверждение : притяжение Земли не компенсирует действие выталкивающей силы воздуха (сумма всех сил не равна нулю) 1. Да 2. нет

6. Учет и использование закона на практике
Задача. К потолку каюты равномерно идущего теплохода подвешен тяжелый шар. Какое произойдет изменение его положении, если теплоход: ускорит ход?
1. С точки зрения наблюдателя в каюте при увеличении скорости парохода произойдет отклонение шара вперед
2. С точки зрения наблюдателя в каюте при увеличении скорости парохода произойдет отклонение шара назад
3. С точки зрения наблюдателя в каюте при увеличении скорости шар не будет отклоняться

7. Границы применения закона
В какой системе отсчета справедлив первый закон Ньютона?
1. В инерциальной 2. В неинерциальной 3. В любой системе отсчета

2. Задача:
Найти скорость алюминиевой тележки, после ее столкновения со стальной, если начальная скорость стальной тележки равна 4 м/с, а ее скорость после столкновения стала равной 2 м/с. Алюминиевая тележка до этого покоилась. Ускорение алюминиевой тележки в три раза больше стальной.

Домашнее задание:

Вопросы:
1. Какое утверждение содержится в первом законе Ньютона?
2. Какая система отсчета называется инерциальной?
3. Каким образом можно установить, что данная система отсчета является инерциальной?
4. Дайте определение силы.
5. Какие две силы считаются в механике равными?
6. Как складываются силы, действующие на тело?

 

Составить план обобщенного характера изучения физической величины сила

Пункты плана

1. Какое явление и свойство тел (веществ) характеризует данная величина.

2. Определение величины.

3. Определительная формула (для производной величины – формула, выражающая связь данной величины с другими).

4. Какая величина – скалярная или векторная.

5. Единица величины в СИ.

6. Способы измерения величины