Глава 2. Динамика материальной точки

2.1. Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета

Основу динамики составляют три закона Исаака Ньютона, сформулированные им в 1687 г. Законы Ньютона играют первостепенную роль в механике и являются обобщением многочисленных опытных фактов. Их рассматривают как систему взаимосвязанных законов, которые подвергаются опытной проверке не по отдельности, а как система в целом.

В качестве первого закона движения Ньютон принял закон инерции, открытый Галилеем: всякое тело находится в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока воздействие со стороны других тел не заставит его изменить это состояние. Состояния покоя и равномерного прямолинейного движения объединяет то обстоятельство, что ускорение тела в этих случаях равно нулю. Поэтому первый закон Ньютона можно сформулировать следующим образом: скорость любого тела остается постоянной (в частности, равной нулю), пока воздействие на это тело со стороны других тел не вызовет ее изменения.

Стремление тела сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инертностью, поэтому первый закон Ньютона называется законом инерции.

Первый закон Ньютона выполняется не во всякой системе отсчета. Механическое движение относительно, и его характер зависит от выбора системы отсчета. Рассмотрим две системы отсчета, которые движутся с ускорением относительно друг друга. Очевидно, что тело, покоящееся относительно одной системы, будет двигаться с ускорением относительно второй. Следовательно, первый закон Ньютона не может выполняться одновременно в обеих системах.

Системы отсчета, по отношению к которым выполняется первый закон Ньютона называются инерциальными системами отсчета. Система отсчета, в которой первый закон Ньютона не выполняется, называется неинерциальной. Любая система отсчета, которая покоится либо движется равномерно и прямолинейно относительно другой инерциальной системы отсчета, также является инерциальной. Следовательно, существует бесконечное множество инерциальных систем отсчета. Первый закон Ньютона утверждает существование инерциальных систем отсчета.

Рассмотрим систему отсчета, центр которой совмещен с Солнцем, а оси направлены на соответствующим образом выбранные звезды. Эта система называется гелиоцентрической системой отсчета. Опытным путем установлено, что гелиоцентрическая система отсчета является инерциальной. Любая система отсчета, движущаяся равномерно и прямолинейно относительно гелиоцентрической, будет инерциальной.

Система отсчета, связанная с Землей, строго говоря неинерциальна. Это связано с тем, что Земля движется относительно Солнца и звезд по криволинейной траектории, имеющей форму эллипса. Криволинейное движение всегда происходит с ускорением. Кроме того, Земля вращается вокруг своей оси. Однако ускорение такой системы отсчета настолько мало, что в большинстве случаев ее можно считать практически инерциальной. Но иногда неинерциальность связанной с Землей системы отсчета оказывает существенное влияние на характер рассматриваемых относительно нее механических явлений (например, опыт Фуко).