25.11.2022
Урок 21
Тема. Сили в механіці. Інерціальні системи відліку. Перший закон Ньютона
Завдання:
- Опрацювати теоретичний матеріал, нище за посиланням
- Записати конспект в зошит
- Прочитати параграф 9, ст 56 (підручник Фізика 10, автор В. Г. Бар'яхтар)
- Виконати: Вправа 9 (1, 2), ст 59 в зошиті
https://www.youtube.com/watch?v=CfPzOxtiFFk
https://www.youtube.com/watch?v=0Ad696eCe8k
https://www.youtube.com/watch?v=shZ-DIROzSg
Перша проблема — чому взагалі виникає та продовжується рух тіл? Давньогрецький філософ Арістотель близько 2500 років тому стверджував: щоб тіло рухалося, на нього потрібно діяти якимось чином, «штовхати». Якщо припинити таку дію, тіло зупиниться. Інакше кажучи, «природним» станом тіла є спокій: якщо тіло «не займати», воно переходить у стан спокою.
На перший погляд може здатися, що наш повсякденний досвід підтверджує таку точку зору: шайба, що ковзає горизонтальною поверхнею льодового майданчика, кінець кінцем зупиняється. Так само зупиняється й автомобіль на горизонтальній дорозі, якщо вимкнути двигун. Проте не можна вважати, що шайбу та автомобіль просто «перестали штовхати». Рух цих тіл припинився через тертя об поверхню, тобто під дією іншого тіла.
Саме такого висновку дійшов на межі XVI та XVII століть італійський учений Ґ. Ґалілей (рис. 6.1). Він першим здійснив «уявний експеримент» — подумки «зменшив» тертя до нуля. У такому випадку немає причини для сповільнення руху тіла та його зупинки.
Рис. 6.1. Ґалілео Ґалілей (1564-1642) — італійський мислитель епохи Відродження. Засновник класичної механіки, математик, астроном. Удосконалив конструкцію телескопа, спостерігав гори та кратери на Місяці, плями на Сонці, відкрив супутники Юпітера. Свідомо та послідовно впроваджував у науку активний експеримент замість пасивного спостереження
Отже, за висновком Ґалілея, надана рухомому тілу швидкість буде зберігатися, якщо усунено зовнішні причини прискорення або сповільнення руху. Інакше кажучи, «природним» станом тіла може бути не тільки спокій, а й прямолінійний рівномірний рух.
Фактично Ґалілей відкрив явище інерції. З курсу фізики 7 і 9 класів ви знаєте про це явище, що полягає у властивості тіл зберігати стан спокою або прямолінійного рівномірного руху за відсутності або скомпенсованості дії на нього інших тіл.
• Можна сказати, що рух за інерцією — це рух тіла зі швидкістю, незмінною за модулем і напрямом, за відсутності або скомпенсованості дії на дане тіло інших тіл. Твердження про існування такого руху називають законом інерції Ґалілея.
Найкращою ілюстрацією закону інерції міг би бути рух тіла, на яке зовсім не діють інші тіла (це так зване вільне тіло). Таке тіло мало б рухатися саме за інерцією. Проте насправді немає у Всесвіті тіла, «ізольованого» від дії всіх інших тіл. Можна лише зменшувати таку дію, тим самим наближаючись до ідеалізованої ситуації — руху за інерцією.
Наприклад, коли шайба ковзає горизонтальним льодовим майданчиком, швидкість її руху зменшується через тертя об лід, і шайба зупиняється, подолавши певну відстань (не дуже велику, якщо поверхню льоду подряпано). Якщо ретельно відполірувати лід за допомогою спеціальної машини, тертя зменшиться і шайба проходитиме набагато більшу відстань. У деяких іграх під «шайбою» створюють повітряну подушку, що робить тертя практично непомітним. У цьому випадку можна вже наближено вважати, що шайба рухається за інерцією.
Якщо поряд із льодовим майданчиком розганяється або гальмує автомобіль, то в його системі відліку шайба рухатиметься якось інакше. Отже, явище інерції спостерігається не в усіх системах відліку. Закон інерції Ґалілея став основою системи законів механіки, створеної великим англійським ученим І. Ньютоном (рис. 6.2). Сам Ньютон назвав цей закон першим законом руху. Нині його найчастіше називають першим законом динаміки. Наведемо одне з його поширених формулювань.
Рис. 6.2. Ісаак Ньютон (1643-1727) — англійський учений, засновник сучасного природознавства, творець класичної фізики, видатний математик. Відкрив закони руху та закон всесвітнього тяжіння, пояснив закони Кеплера, що описують рух планет і супутників. Побудував перший телескоп-рефлектор, розвинув теорію кольору та числення нескінченно малих. Узагальнив біном Ньютона, запропонував метод розв’язування нелінійних рівнянь
• Існують такі системи відліку, відносно яких тіло зберігає стан спокою або прямолінійного рівномірного руху, якщо на нього не діють інші тіла або якщо їх дії скомпенсовані.
Системи відліку, про які йдеться в законі (тобто такі, в яких спостерігається явище інерції), називають інерціальними системами відліку.
Системи відліку, пов’язані з реальними тілами, можна вважати інерціальними лише приблизно. Проте дуже важливо, що таких систем безліч: якщо вже існує одна інерціальна система відліку та тіла, що рухаються відносно неї прямолінійно рівномірно, то з кожним таким тілом теж можна пов’язати інерціальну систему відліку. Зокрема, пов’язана з вільним тілом система відліку була б інерціальною. Якщо ж тіло рухається відносно інерціальної системи відліку з прискоренням, то пов’язана з цим тілом система відліку є неінерціальною (у ній не виконується закон інерції).
У більшості випадків можна, проте коли йдеться про дуже точні дослідження руху — то ні (адже поверхня Землі сама рухається з прискоренням відносно центра Землі або Сонця, зокрема через добове та річне обертання Землі). Якщо ми вважаємо СВ-1 інерціальною, то такою буде й система відліку, пов’язана з вагоном поїзда під час прямолінійного рівномірного руху (рис. 6.3). Якщо ж поїзд рухається з прискоренням (наприклад, під час гальмування), пов’язана з ним система відліку є неінерціальною. Усі предмети без видимої причини набувають руху відносно поїзда, тобто не зберігають стану спокою. Наприклад, різке гальмування поїзда може спричинити падіння валізи з полки.
Якщо тіло, що рухається за інерцією, не є матеріальною точкою, то воно під час руху може ще й рівномірно обертатися навколо певної власної осі (якщо б навіть взаємодія Землі із Сонцем раптово зникла, то добове обертання Землі залишилося б).
Закони динаміки Ньютона сформульовані саме для руху відносно інерціальної системи відліку. Природно, виникає запитання: відносно якої саме з безлічі таких систем відліку? Відповідь дає принцип відносності Ґалілея.
• Механічні процеси протікають однаково в усіх інерціальних системах відліку.
Треба правильно розуміти цей принцип. Він аж ніяк не означає, що траєкторія або швидкість руху тіла однакові в різних інерціальних системах відліку. Якщо, наприклад, у СВ-2 (рис. 6.3) крапля води падає без початкової швидкості, то траєкторія її руху — відрізок вертикальної прямої. Рух тієї самої краплі відносно Землі (СВ-1) відбувається по параболічній траєкторії. Що ж є однаковим з точки зору різних інерціальних систем відліку?
Рис. 6.3. Якщо систему відліку СВ-1, пов’язану із Землею, можна вважати інерціальною, то такою ж можна вважати СВ-2 (поїзд рухається прямолінійно рівномірно). Система ж відліку СВ-3 є неінерціальною (поїзд гальмує перед зупинкою)
Перш за все, закони, які описують рух. В обох системах відліку крапля рухається під дією однієї і тієї самої сили тяжіння, яка визначає прискорення руху. Якщо в різних інерціальних системах відліку забезпечити однакові початкові умови руху тіла, то й рух буде однаковим.
Зверніть увагу!
Фізичні величини можна розділити на відносні та інваріантні щодо переходу до іншої інерціальної системи відліку. Відносні величини змінюються внаслідок такого переходу, а інваріантні — ні. До відносних величин належать швидкість руху, переміщення, шлях тощо, до інваріантних — наприклад, прискорення руху тіла (див. вправу 6.7).
Сам Ґалілей пропонував читачеві своєї книжки провести численні досліди «у просторому приміщенні під палубою корабля» та переконатися: за результатами жодного досліду неможливо визначити, рухається корабель чи ні (якщо йдеться про прямолінійний рівномірний рух без хитавиці). Результати всіх дослідів, здійснених за однакових умов, будуть однаковими! Отже, серед інерціальних систем відліку немає якоїсь однієї «головної», пов’язаної чи то з Землею, чи то з Сонцем, чи ще з якимось тілом.
• Усі інерціальні системи відліку є рівноправними.
Вибір певної інерціальної системи відліку не може бути «неправильним», він може бути більш чи менш зручним.
Немає коментарів:
Дописати коментар