I закон: инерция, инерциальная система отсчёта

Что такое инерция?

Представь, что ты едешь в автобусе, стоя в проходе. Автобус резко тормозит — и ты непроизвольно наклоняешься вперёд. Или наоборот: автобус трогается с места, а тебя «откидывает» назад. Почему так происходит? Дело в том, что твоё тело стремится сохранить своё состояние — если ты двигался, оно хочет продолжать двигаться, если стоял — продолжать стоять.

Это явление называется инерцией. Инерция — это свойство всех тел сохранять свою скорость (и по величине, и по направлению), пока на них не подействует какая-то сила.

Примеры инерции в жизни

• Пассажир в транспорте: при резком торможении автобуса ты продолжаешь двигаться вперёд по инерции.
• Встряхивание термометра: ртуть или жидкость внутри стремится остаться на месте, поэтому её можно «сбросить» резким движением.
• Выбивание ковра: пыль по инерции продолжает двигаться вперёд, когда ковёр резко останавливается после удара.
• Камень, брошенный в космосе: если в космосе нет воздуха и гравитации других тел, камень будет лететь бесконечно с одной и той же скоростью.

Первый закон Ньютона (закон инерции)

В XVII веке великий английский учёный Исаак Ньютон сформулировал три закона движения. Первый из них как раз описывает явление инерции.

Давай разберём этот закон по частям, чтобы всё стало понятно.

Что значит «скорость постоянна»?

Это значит, что тело движется равномерно и прямолинейно: с одной и той же скоростью и в одном направлении. Или вообще стоит на месте (скорость равна нулю — это тоже постоянная скорость!).

Что значит «не действуют другие тела»?

Если на тело вообще не действуют силы, оно сохраняет свою скорость. Например, космический корабль в открытом космосе, вдали от планет и звёзд, будет лететь с постоянной скоростью без работы двигателей.

Что значит «действие скомпенсировано»?

Иногда на тело действует несколько сил, но они уравновешивают друг друга (их сумма равна нулю). Например, книга лежит на столе: на неё действует сила тяжести (вниз) и сила реакции опоры (вверх). Силы равны, книга не движется.

Или шайба скользит по льду с постоянной скоростью: сила трения очень мала, и если её компенсировать лёгким толчком, шайба будет двигаться равномерно.

Что такое система отсчёта?

Чтобы описать движение тела, нужно выбрать систему отсчёта — это как точка зрения, с которой мы наблюдаем за телом.

Простыми словами: система отсчёта — это «наблюдательный пункт», откуда мы смотрим на движение.

Пример

Ты сидишь в поезде, который движется. Относительно вагона (система отсчёта, связанная с поездом) ты неподвижен. Но относительно земли (другая система отсчёта) ты движешься вместе с поездом.

Получается, движение и покой — понятия относительные. Они зависят от выбора системы отсчёта.

Инерциальная система отсчёта

Первый закон Ньютона выполняется не во всех системах отсчёта. Те системы, в которых он выполняется, называются инерциальными.

Проще говоря: это такая система отсчёта, которая сама не ускоряется. Она либо покоится, либо движется равномерно и прямолинейно.

Примеры инерциальных систем отсчёта

• Земля (приближённо): для большинства задач Землю можно считать инерциальной системой, хотя она вращается вокруг оси и вокруг Солнца.
• Поезд, движущийся равномерно и прямолинейно: внутри такого поезда законы механики работают так же, как на неподвижной платформе.
• Космический корабль, летящий с постоянной скоростью: если двигатели выключены и корабль не маневрирует, это ИСО.

Примеры неинерциальных систем отсчёта

• Автобус, который резко тормозит или разгоняется: внутри него пассажиры наклоняются, хотя на них не действуют явные силы — это признак неинерциальной системы.
• Карусель: она вращается, то есть ускоряется (меняется направление движения). В системе, связанной с каруселью, появляются «фиктивные» силы — центробежная сила.
• Лифт, начинающий подъём: когда лифт ускоряется вверх, кажется, что ты становишься тяжелее. Это неинерциальная система.

Как определить, инерциальная система или нет?

Есть простой способ: если внутри системы отсчёта свободное тело (на которое не действуют силы) начинает само по себе ускоряться или менять направление движения, значит, система неинерциальная.

Пример: мяч в автобусе

Положи мяч на пол автобуса, который стоит на месте. Мяч неподвижен. Автобус — инерциальная система.

Теперь автобус резко тронулся. Мяч покатился назад, хотя его никто не толкал! С точки зрения автобуса (неинерциальная система) на мяч подействовала какая-то «сила». На самом деле мяч просто сохранил своё состояние покоя по инерции, а автобус уехал вперёд.

Связь между инерциальными системами отсчёта

Если одна система отсчёта инерциальная, то любая другая система, которая движется относительно неё равномерно и прямолинейно, тоже будет инерциальной.

Например, если Земля — ИСО, то поезд, едущий по прямым рельсам с постоянной скоростью, — тоже ИСО. Но поезд, который тормозит или поворачивает, — уже не ИСО.

Зачем нужны инерциальные системы отсчёта?

Все основные законы механики (три закона Ньютона) сформулированы именно для инерциальных систем отсчёта. В неинерциальных системах приходится вводить дополнительные «фиктивные» силы (например, центробежную силу), чтобы объяснить движение.

Поэтому в физике мы обычно стараемся выбирать инерциальную систему отсчёта — так задачи решаются проще и понятнее.

Таблица: сравнение инерциальных и неинерциальных систем

Пример задачи

Решение:

Часть 1. Пока поезд движется равномерно и прямолинейно, система отсчёта, связанная с вагоном, инерциальная. Яблоко покоится относительно столика, и это состояние сохраняется (первый закон Ньютона выполняется).

Часть 2. Когда поезд резко тормозит, система отсчёта становится неинерциальной (появляется ускорение). Яблоко по инерции продолжает двигаться вперёд с прежней скоростью, поэтому оно покатится (или полетит) вперёд по столику.

Краткий итог

Вопросы и ответы