§6 Перший закон Ньютона. Інерціальні системи відліку [12]

1. Динамікою називають розділ механіки, в якому вивчають механічний рух тіл під дією прикладених до них сил (під дією інших тіл).

Закони динаміки були встановлені Ньютоном і носять його ім’я. Ці закони, як і інші принципи, що лежать в основі фізики, є узагальненням дослідних фактів.

Наприкінці XVI ст. дві дуже важливі задачі привели до проблеми вивчення руху тіл у зв’язку із їх взаємодією з іншими тілами. По-перше, з розвитком артилерії потрібно було знайти закони руху снарядів. По-друге, у зв’язку з виникненням геліоцентричної системи Коперника стало зрозуміло, що Земля не є центром Всесвіту, а є звичайною планетою, що обертається разом з іншими планетами навколо Сонця. Звідси випливав висновок, що планети (а значить й інші тіла) рухаються самі по собі, тому що зовсім було б неймовірним, щоб Землю й інші планети щось підштовхувало до руху протягом мільярдів років.

Для вірного розв’язання проблеми руху потрібно насамперед відволіктися від усяких зовнішніх впливів і сформулювати проблему так: що відбудеться з тілом, якщо воно перестане взаємодіяти з іншими тілами? Тут на допомогу повинен прийти уявний експеримент, ідея якого й була висунута Г. Галілеєм. Дійсно, у всякому реальному експерименті на Землі ми не можемо звільнити тіло від дії сили тяжіння й сили тертя. Однак можна поставити питання так: а що відбудеться, якщо ми ці сили, хоча б подумки, станемо поступово зменшувати?

Припустимо, що візок рухається по піску – тоді він швидко зупиниться. А от на горизонтальному льоду він буде рухатися значно довше, хоча й тут зрештою зупиниться. А якщо лід стане абсолютно гладким? Очевидно, візок не зупиниться, а буде сам по собі рухатися необмежено довго.

Ось така ідея уявного експерименту над тілом, що є вільним від усяких зовнішніх впливів, і дозволила Г. Галілею прийти до ідеї інерціального руху тіла. І хоча сам Г. Галілей і помилявся, вважаючи, що за інерцією тіло може не тільки рухатися рівномірно й прямолінійно, але й рівномірно рухатися по колу (останнє невірно!), його ідея дозволила І. Ньютону вірно сформулювати принцип інерції: якщо тіло не взаємодіє з навколишніми тілами, то швидкість його руху не змінюється ні за величиною, ні за напрямком, тобто воно рухається прямолінійно й рівномірно.

2. Вище запропоноване формулювання принципу інерції не може бути визнане абсолютно точним. Дійсно, там мова йде про рух тіла, але нічого не сказано про систему відліку, у якій відбувається рух. Однак відомо, що говорити про форму траєкторії, а також про швидкість можна лише відносно деякої системи відліку. Так, наприклад, траєкторія, яка є прямолінійною в одній системі відліку, може виявитися криволінійною в іншій системі.

Тому необхідно змінити формулювання принципу інерції, вказавши на систему відліку, відносно якої даний рух розглядається. Перший закон Ньютона (принцип інерції) точно формулюється так: існують системи відліку, відносно яких усі тіла, що не взаємодіють з іншими тілами, рухаються прямолінійно й рівномірно.

Системи відліку, в яких тіла, що не взаємодіють з іншими тілами, рухаються прямолінійно й рівномірно, називаються інерціальними системами.