Закон инерции галилея кратко

Обновлено: 02.07.2024

Суть закона инерции впервые была изложена в одной из книг Галилео Галилея. Закон инерции можно считать первым законом Ньютона. Формулировка закона звучит так: Всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние. Современная формулировка закона: Существуют такие системы отсчёта, относительно которых материальная точка при отсутствии внешних воздействий (или при их взаимной компенсации) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.

Первым сформулировал этот закон Галилей, но более тонкую (после Галилея!) дал Декарт, а после Ньютон включил его в законы механики как первый закон.

Г. Галилей (1564–1642) справедливо считается основателем физики как науки. Ему мы обязаны развитием современного метода исследований, кратко выражающегося в цепочке: эксперимент => модель (выделение в явлении главных особенностей, то есть применение абстракции) => математическое описание => следствия модели => новый эксперимент для их проверки.

Среди прочих научных достижений, в механике им были введены два основополагающих принципа: принцип инерции и принцип относительности. Принцип инерции Галилея был повторен И. Ньютоном (1643–1727) в качестве первого закона механики.

Первый закон Ньютона гласит:

Существуют такие системы отсчета, в которых всякая материальная точка находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока это состояние не будет изменено воздействием со стороны других тел. Такие системы отсчета принято называть инерциальными.

В дальнейшем будет видно, что любая система отсчета, движущаяся поступательно с постоянной по величине и направлению скоростью относительно некоторой инерциальной системы отсчета, также инерциальна. Другими словами, существование одной инерциальной системы отсчета означает существование бесконечно большого числа таких систем.

Свойство тела сохранять состояние покоя или прямолинейного равномерного движения называется инерцией. Сам этот принцип — принцип инерции Галилея (или первый закон Ньютона) — далеко не столь очевиден.

Дело в том, что в природе действительно никогда не наблюдаются тела, вечно сохраняющие состояние покоя или прямолинейного равномерного движения. Нужно было проявить ту самую способность строить модели, отбрасывать несущественное, абстрагироваться, чтобы открыть принцип инерции. Изучая основные законы механики, мы идеализируем систему: пренебрегаем силами трения, считаем, что поблизости нет других тел и т. д. И тогда принцип инерции проявляет себя во всей своей красе и силе:

Для равномерного прямолинейного движения не нужно двигателя, движущая сила нужна для изменения такого вида движения тела.

Видео 3.1. Стальной шарик в поле магнита. Эксперимент, показывающий, что для искривления траектории необходима соответствующая внешняя сила.

Вот беда: велосипедист наезжает на камень и падает с велосипеда. Или наездник слетает с лошади, если та резко остановилась. Почему так происходит, помогает понять такое явление, как инерция.

О чем эта статья:

Понятие инерция в формулировках Галилея и Ньютона

Галилео Галилей и Исаак Ньютон внесли свой вклад в развитие такого раздела физики, как механика. Неудивительно, что каждый из них предложил свою формулировку.

Галилео Галилей

Исаак Ньютон

Формулировка закона инерции

Когда тело движется по горизонтальной поверхности, не встречая никакого сопротивления движению, то его движение — равномерно, и продолжалось бы постоянно, если бы плоскость простиралась в пространстве без конца.

Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не принуждается приложенными силами изменить это состояние.

Инерция — это физическое явление, при котором тело сохраняет свою скорость постоянной или покоится, если на него не действуют другие тела.

Инерция – это физическое явление сохранения скорости тела постоянной, если на него не действуют другие тела или их действие скомпенсировано.

Варианты формулировки не противоречат друг другу и говорят по сути об одном и том же, просто разными словами — выбирайте ту, что вам нравится больше.

Сила: первый закон Ньютона

В повседневной жизни мы часто встречаем, как любое тело деформируется (меняет форму или размер), ускоряется или замедляется, падает. В общем, чего только с разными телами в реальной жизни не происходит. Причина любого действия или взаимодействия — сила.

Сила — это физическая векторная величина, которая описывает взаимодействие тел. Она измеряется в ньютонах (в честь Исаака Ньютона, разумеется).

Сила — величина векторная. Это значит, что, помимо модуля, у нее есть направление. От того, куда направлена сила, зависит результат.

Вот стоите вы на лонгборде: можете оттолкнуться вправо, а можете влево — в зависимости от того, в какую сторону оттолкнетесь, результат будет разный. В данном случае результат выражается в направлении движения.

Теперь зная, что такое сила, мы можем вернуться к ньютоновской формулировке закона инерции — он же, Его Величество, первый закон Ньютона:

Существуют такие системы отсчета, относительно которых тело сохраняет свою скорость постоянной, в том числе равной нулю, если действие на него других сил отсутствует или скомпенсировано.

Первый закон Ньютона

R — результирующая сила, сумма всех сил, действующих на тело [Н]

const — постоянная величина

Системы отсчета: инерциальные и неинерциальные

Чтобы описать движение нам нужны три штуки:

тело отсчета, относительно которого определяем местоположение других тел;
система координат: в школьном курсе мы используем прямоугольную декартову систему координат;
часы, чтобы измерять время.

В совокупности эти три опции образуют систему отсчета:

Инерциальная система отсчета — система отсчета, в которой все тела движутся прямолинейно и равномерно, либо покоятся.

Неинерциальная система отсчета — система отсчета, в которой тела движутся с ускорением.

Рассмотрим разницу между этими системами отсчета на примере задачи.

Аэростат — летательный аппарат на картиночке ниже — движется равномерно и прямолинейно параллельно горизонтальной дороге, по которой равноускоренно движется автомобиль.

Выберите правильное утверждение:

Система отсчёта, связанная с аэростатом, является инерциальной, а система отсчёта, связанная с автомобилем, инерциальной не является.
Система отсчёта, связанная с автомобилем, является инерциальной, а система отсчёта, связанная с аэростатом, инерциальной не является.
Система отсчёта, связанная с любым из этих тел, является инерциальной.
Система отсчёта, связанная с любым из этих тел, не является инерциальной.

Решение:

Система отсчёта, связанная с землёй, инерциальна. Да, планета движется и вращается, но для всех процессов вблизи планеты этим можно пренебречь. Во всех задачах систему отсчета, связанную с землей можно считать инерциальной.

Поскольку система отсчёта, связанная с землёй инерциальна, любая другая система, которая движется относительно земли равномерно и прямолинейно или покоится — по первому закону Ньютона тоже инерциальна.

Движение аэростата удовлетворяет этому условию, так как оно равномерное и прямолинейное, а равноускоренное движение автомобиля — нет. Аэростат — инерциальная система отсчёта, а автомобиль — неинерциальная.

Ответ: 1.

Инерция покоя

На столе лежит лист бумаги. На него поставили стакан и резко выдернули лист бумаги из-под него. Стакан почти не двинулся.

Так, например, если выбивать пыль из ковра, то в ковер-самолет ваш любимый предмет интерьера не превратится — вместе с пылью не улетит.

Инерция движения

В случае с движением мы берем ту часть первого закона Ньютона, в которой скорость постоянна, но не равна нулю. Здесь мы откроем способность тела к движению, которое было вызвано силой, прекратившей своё действие на тело.

Вернемся к самому началу:

Велосипедист наезжает на камень и падает с велосипеда. Благодаря инерции скорость велосипедиста сохраняется, несмотря на то, что сам велосипед не едет дальше.

Наездник слетает с лошади, если та остановилась. Это тоже происходит из-за инерции — скорость наездника остается постоянной, при этом сама лошадь останавливается.

Попробуйте курсы подготовки к ЕГЭ по физике с опытным преподавателем в онлайн-школе Skysmart!

Мир не идеален

К сожалению, а может быть и к счастью, мы не живем в мире, в котором все тела движутся прямолинейно и равномерно. Из-за этого инерция в реальной жизни невозможна, потому что всегда есть трение, сопротивление воздуха и прочие, препятствующие движению, факторы.

Пуля, вылетевшая из ружья, продолжала бы двигаться, сохраняя свою скорость, если бы на неё не действовало другое тело — воздух. Поэтому скорость пули уменьшается.

Велосипедист, перестав работать педалями, смог бы сохранить скорость своего движения, если бы на велосипед не действовало трение. Поэтому, если педали не крутить — скорость велосипедиста уменьшается, и он останавливается.

Динамикой называется раздел механики, в котором изучаются законы движения материальных тел под действием сил.

Движение тел с чисто геометрической точки зрения было изучено в кинематике. В динамике, в отличие от кинематики, при изучении движения тел принимают во внимание и действующие силы, и инертность самих материальных тел.

Понятие о силе, как о величине, характеризующей меру механического взаимодействия материальных тел, было введено в статике. Но при этом в статике мы, по существу, считали все силы постоянными и не касались вопроса о возможных изменениях этих сил с течением времени. Между тем, на движущееся тело наряду с постоянными силами (постоянной, например, можно считать силу тяжести) действуют обычно силы переменные, модули и направления которых при движении тела изменяются. При этом переменными могут быть и заданные (активные) силы, и реакции связей.

Как показывает опыт, переменные силы могут определённым образом зависеть от времени, от положения тела и от его скорости. В частности, от времени зависит сила тяги электровоза при постепенном выключении или включении реостата или сила, вызывающая колебания фундамента при работе мотора с плохо центрированным валом; от положения тела зависит ньютонова сила тяготения или сила упругости пружины; от скорости движения зависят силы сопротивления среды (воды, воздуха). Такие именно силы, наряду с постоянными, и будут рассматриваться в динамике. Законы сложения или приведения переменных сил остаются теми же, что и для сил постоянных.

К понятию об инертности тел мы приходим, сравнивая результаты действия одной и той же силы на разные материальные тела. Опыт показывает, что если одну и ту же силу приложить к двум разным, свободным от других воздействий покоящимся телам, то в общем случае по истечении одного и того же промежутка времени эти тела пройдут разные расстояния и будут иметь разные скорости.

Инертность и представляет собой свойство материальных тел быстрее или медленнее изменять скорость своего движения под действием приложенных сил. Если, например, при действии одинаковых сил изменение скорости первого тела происходит медленнее, чем второго, то говорят, что первое тело является более инертным, и наоборот. Большая или меньшая степень инертности данного тела зависит от количества заключённого в нём вещества (материи).

Величина, зависящая от количества вещества данного тела и определяющая меру его инертности, называется массой тела. В механике масса т рассматривается как величина скалярная, положительная и постоянная для каждого данного тела.

В общем случае характер движения тела зависит не только от его суммарной массы и приложенных сил, но и от геометрических размеров тела и взаимного расположения образующих его частиц (т.е. от распределения масс).

Для того чтобы при первоначальном изучении динамики иметь возможность отвлечься от учёта влияния размеров тел и распределения масс, вводится понятие о материальной точке.

Материальной точкой называется материальное тело (тело, имеющее массу), размерами которого при изучении его движения можно пренебречь.

Естественно, чтоизучение движения одной материальной точки должно предшествовать изучению движения системы точек и, в частности, твёрдого тела. Поэтому курс динамики принято обычно разделять на динамику точки и динамику системы материальных точек.

В основе динамики лежат законы, установленные путём обобщения результатов целого ряда опытов и наблюдений над движением тел и проверенные обширной общественно-исторической практикой человечества.

Это законы, сформулированные Ньютоном и названные им аксиомами или законами движения (Axiomata sive leges motus).

1. Закон инерции.

2. Закон пропорциональности силы и ускорения.

3. Закон равенства действия и противодействия.

4.Закон независимости действия сил.

Первый закон (закон инерции), открытый Галилеем (1638 г.), гласит: изолированная от внешних воздействий материальная точка сохраняет своё состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока приложенные силы не заставят ее изменить это состояние. Движение, совершаемое точкой при отсутствии сил, называется движением по инерции.

Закон инерции отражает одно из основных свойств материи – пребывать неизменно в движении – и устанавливает для материальных тел эквивалентность состояний покоя и движения по инерции. Из него следует, что если F = 0, то точка покоится или движется с постоянной по модулю и направлению скоростью (V = const); ускорение точки при этом равно нулю (a = 0); если движение точки не является равномерным и прямолинейным, то на точку действует сила.

Система отсчёта, по отношению к которой выполняется закон инерции, называется инерциальной системой отсчёта (иногда её условно называют неподвижной). По данным опыта, для нашей Солнечной системы инерциальной является система отсчета, начало которой находится в центре Солнца, а оси направлены на так называемые неподвижные звезды. При решении большинства технических задач инерциальной (с достаточной для практики точностью) можно считать систему отсчёта, жёстко связанную с Землей.

Второй закон (основной закон динамики) устанавливает, как изменяется скорость точки при действии на неё какой-нибудь силы. Он гласит: произведение массы точки на ускорение, которое она получает под действием данной силы, равно по модулю этой силе, а направление ускорения совпадает с направлением силы.

Математически этот закон выражается векторным равенством

. (1.1)

При этом между модулями ускорения и силы существует зависимость:

. (1.2)

Второй закон динамики, как и первый, применяется только по отношению к инерциальной системе отсчёта. Из этого закона непосредственно видно, что мерой инертности материальной точки является её масса, так как две разные точки при действии одной и той же силы получают одинаковые ускорения только тогда, когда равны их массы; если же массы будут разные, то точка, масса которой больше (т. е. более инертная), получит меньшее ускорение, и наоборот.

Если на точку действует одновременно несколько сил, то они, как известно, будут эквивалентны одной силе, т. е. равнодействующей R, равной геометрической сумме этих сил. Уравнение, выражающее основной закон динамики, принимает в этом случае вид:

. (1.3)

Этот же результат можно получить, используя вместо аксиомы параллелограмма закон независимости действия сил, согласно которому при одновременном действии на точку нескольких сил каждая из них сообщает точке такое же ускорение, какое она сообщила бы, действуя одна.

Вес тела и его масса. На все тела, находящиеся вблизи земной поверхности, действует сила тяжести P,численно равная весу тела. Опытом установлено, что под действием силы P любое тело при свободном падении на Землю (с небольшой высоты и в безвоздушном пространстве) имеет одно и то же ускорение g. Это ускорение, сообщаемое телу силой тяжести, называют для краткости ускорением силы тяжести или ускорением свободного падения. Для этого движения на основании уравнения (1.2) имеем:

. (1.4)

Равенство (1.4) позволяет, если известна масса тела, определить его вес, и наоборот; оно устанавливает, что вес тела равен его массе, умноженной на ускорение силы тяжести, или масса тела равна его весу, делённому на ускорение силы тяжести. Вес тела, как и величина g,изменяется с изменением широты и высоты над уровнем моря; масса же является величиной, для данного тела (или материальной точки) неизменной.

Третий закон (закон равенства действия и противодействия) устанавливает характер механического взаимодействия между материальными телами. Для двух материальных точек он формулируется следующим образом: две материальные точки действуют друг на друга с силами, равными по модулю и направленными вдоль прямой, соединяющей эти точки, в противоположные стороны.

Для свободной материальной точки задачами динамики являются следующие: 1) зная закон движения точки, определить действующую на нее силу (первая задача динамики);2) зная действующие на точку силы, определить закон движения точки (вторая или основная задача динамики). Решаются эти задачи с помощью уравнений (1.1) или (1.3), выражающих основной закон динамики, так как эти уравнения связывают ускорение a,т. е. величину, характеризующую движение точки, и действующие на неё силы.

В технических дисциплинах изучается несвободное движение точки, т.е. случаи, когда точка, благодаря наложенным на нее связям, вынуждена двигаться по заданной неподвижной поверхности или кривой. В этих случаях, как и в статике, при решении задач следует исходить из аксиомы связей, согласно которой всякую несвободную материальную точку можно рассматривать как свободную, отбросив связь и заменив ее действие реакцией этой связи . Тогда основной закон динамики для несвободного движения точки примет вид:

, (1.5)

где – действующие на точку активные силы.

Первая задача динамики для несвободного движения сводится к тому, чтобы, зная движение точки и действующие на нее активные силы, определить реакцию связи. Вторая (основная) задача динамики при несвободном движении распадается на две и состоит в том, чтобы, зная действующие на точку активные силы, определить: а) закон движения точки, б) реакцию наложенной связи.

Четвертый закон – закон независимости действия сил – не был сформулирован Ньютоном как отдельный закон механики, но он содержится в сделанном им обобщении правила параллелограмма сил. Положим, что на материальную точку M действуют силы , , …, (рис. 1).

Каждая из этих сил, действуя на материальную точку отдельно, сообщает ей ускорения , , …, , определяемые по второму закону:

, , …, .

Согласно четвертому закону, ускорение материальной точки, находящейся под действием сил , , …, , определяется уравнением:

Подставив в это уравнение значения сил, определяемые по второму закону, получим

Разделив обе части равенства на т, получим

. (1.6)

Таким образом, закон независимости действия сил равносилен утверждению, что ускорение , получаемое материальной точкой от одновременно действующей на неё системы сил, равно геометрической сумме ускорений , , …, , сообщаемых этой точке каждой из сил в отдельности.

Четвертый закон, как и остальные законы классической механики, подтверждается опытами и наблюдениями.

До Галилея (начало 17 века ) считалось, чтобы тело двигалось равномерно к нему надо приложить одну силу. Например, чтобы санки двигались равномерно, к ним надо приложить силу (тянуть за верёвку), здесь не учитывалась сила трения санок о снег. Сейчас мы знаем, что санки будут двигаться равномерно, когда равнодействующая этих сил равна нулю.

До Галилея силу связывали со скоростью движения тела. Галилей же рассудил так. Если при движении по наклонной плоскости есть причина (сила), заставляющая тело двигаться с ускорением, то при движении по горизонтальной поверхности такой силы нет, значит тело должно двигаться равномерно прямолинейно или находиться в покое.

Галилей связал силу не со скоростью тела, а с изменением скорости, уравнял состояние покоя и равномерного прямолинейного движения в смысле, что для этих состояний сила не нужна. Действительно, опыт показывает что, например, если отполированному стальному шарику сообщить движение по стеклянной поверхности (свести до минимума силу трения), то шарик долго двигается равномерно прямолинейно.

Способность тела сохранять своё состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инерцией .

Приведём один из примеров проявления инерции. Представим равномерно прямолинейно движущийся поезд, в вагоне которого человек подпрыгнул. Казалось бы он должен "отстать" от поезда, но он опускается на то же место на полу, с которого подпрыгнул. Значит, он по инерции прошёл такой же путь, что и вагон. В этом заключается смысл явления инерции, то есть телу присуще движение по инерции.

Законы Ньютона были сформулированы и выполняются в системе отсчёта, связанной с поверхностью Земли. Эту систему отсчёта назвали инерциальной , а первый закон Ньютона назвали законом инерции . Инерциальными также являются все системы отсчёта, связанные с телами, движущимися по поверхности Земли равномерно и прямолинейно. Системы отсчёта, связанные с телами, движущимися с ускорением называются неинерциальными системами отсчёта. В них законы Ньютона не выполняются.

Свойство тела двигаться по инерции проявляется в неинерциальных системах отсчёта в появлении сил инерции (см. занятие 18 ).

Сила инерции появляется, например, при движении автобуса с ускорением. На тело, находящееся в автобусе, действует сила инерции, равная произведению массы тела на ускорение автобуса

Читайте также: