Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии

Стартовая страница

О системе

Технические требования

Синтез

Обучающий модуль

Справка по системе

Контакты
Искать:
  Расширенный   Формализованый   По связи разделов
 А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я 
Общий каталог эффектов

1-й закон Ньютона
Инерция покоя и прямолинейного равномерного или вращательного движения.

Описание

Рассмотрим являние инерции. Проведем наблюдения за поведением различных тел относительно Земли, выбрав неподвижную систему отсчета, связанную с поверхностью Земли. Мы обнаружим, что скорость любого тела изменяется только под действием других тел. Например, пусть тело стоит на неподвижной тележке. Толкнем тележку - и тело опрокинется против движения. Если же, наоборот, резко остановить двигающуюся тележку с телом, оно опрокинется по направлению движения.
Очевидно, что если бы трение между тележкой и телом отсутствовало, то тело не опрокинулось бы. В первом случае произошло бы следующее: так как скорость стоящего тела равна нулю, а скорость тележки стала увеличиваться, тележка выскользнула бы из-под неподвижного тела вперед. Во втором случае при торможении тележки стоящее на ней тело сохранило бы свою скорость движения и соскользнуло вперед с остановившейся тележки.
Движение тележки
Рис.1
Другой пример. Металлический шарик скатывается по наклонному желобу на горизонтальную плоскость с одной и той же высоты h (рис. 16), следовательно, его скорость в точке, в которой он начинает горизонтальное движение, всегда одинакова. Пусть вначале горизонтальная поверхность посыпана песком. Шарик пройдет небольшое расстояние s1 и остановится. Заменим песчаную поверхность гладкой доской. Шарик пройдет до остановки уже значительно большее расстояние s2. Заменим доску льдом. Шарик будет катиться очень долго и пройдет до остановки расстояние s3 >> s2. Эта последовательность опытов показывает, что если уменьшать влияние окружающей среды на движущееся тело, его горизонтальное движение относительно Земли неограниченно приближается к равномерному и прямолинейному. (При движении тела по горизонтальной поверхности притяжение этого тела Землей компенсируется упругостью опоры - доски, льда и т. д.)
Металлический шар
Рис.2
О том, что телу свойственно сохранять не любое движение, а именно прямолинейное, свидетельствует, например, следующий опыт (рис. 17). Шарик, двигавшийся прямолинейно по плоской горизонтальной поверхности, сталкиваясь с преградой, имеющей криволинейную форму, под действием этой преграды вынужден двигаться по дуге. Однако когда шарик доходит до края преграды, он перестает двигаться криволинейно и вновь начинает двигаться по прямой. Обобщая результаты упомянутых (и аналогичных им) наблюдений, можно сделать вывод, что если на данное тело не действуют другие тела или их действия взаимно компенсируются, это тело покоится или же скорость его движения остается неизменной относительно системы отсчета, неподвижно связанной с поверхностью Земли.
Явление сохранения телом состояния покоя или прямолинейного равномерного движения при отсутствии или компенсации внешних воздействий на это тело называют инерцией.
К выводу о существовании явления инерции впервые пришел Галилей, а затем Ньютон. Этот вывод формулируется в виде первого закона Ньютона (закона инерции): существуют такие системы отсчета, относительно которых тело (материальная точка) при отсутствии на нею внешних воздействий (или при их взаимной компенсации) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.
Системы отсчета, в которых выполняется первый закон Ньютона, называют инерциальными. Следовательно, инерциальными являются такие системы отсчета, относительно которых материальная точка при отсутствии на нее внешних воздействий или их взаимной компенсации покоится или движется равномерно и прямолинейно.
Наблюдения показывают, что с очень высокой степенью точности можно считать инерциальной системой отсчета гелиоцентрическую систему, у которой начало координат связано с Солнцем, а оси направлены на определенные "неподвижные" звезды. Системы отсчета, жестко связанные с поверхностью Земли, строго говоря, не являются инерциальными, так как Земля движется по орбите вокруг Солнца и при этом вращается вокруг своей оси. Однако при описании движений, не имеющих глобального (т. е. всемирного) масштаба, системы отсчета, связанные с Землей, можно с достаточной точностью считать инерциальными. Инерциальными являются и системы отсчета, которые движутся равномерно и прямолинейно относительно какой-либо инерциальной системы отсчета (см. далее). Галилей установил, что никакими механическими опытами, поставленными внутри инерциальной системы отсчета, невозможно установить, покоится эта система или движется равномерно и прямолинейно. Это утверждение носит название принципа относительности Галилея или механического принципа относительности. Этот принцип был впоследствии развит А. Эйнштейном и является одним из постулатов специальной теории относительности.
Инерциальные системы отсчета играют в физике исключительно важную роль, так как, согласно принципу относительности Эйнштейна, математическое выражение любою закона физики имеет одинаковый вид в каждой инерциальной системе отсчета. В дальнейшем мы будем пользоваться только инерциальными системами (не упоминая об этом каждый раз).
Системы отсчета, в которых первый закон Ньютона не выполняется, называют неинерциальными. К таким системам относится любая система отсчета, движущаяся с ускорением относительно инерциальной системы отсчета.
 

 

 

Ключевые слова

 

Разделы наук

 

Используется в научно-технических эффектах

Зубчато-реечная передача (Шестерня-рейка)
Маятник Максвелла (Маятник Максвелла)
Прибор для определения ускорения свободного падения (Оборотный маятник)
Синхронизация механических колебаний (Синхронизация механических колебаний)
Маятниковый прибор для относительного измерения ускорения свободного падения (Маятниковый прибор)
Виброизолятор с преобразованием движения (Виброизолятор)
Прибор, предназначенный для измерения параметров вибрации. (Виброметр)

 

Используется в областях техники и экономики

1Военно-инженерная техника
1Бронетанковая техника
1Автомобильный транспорт
6Приборы для измерения механических величин
1Космическая техника и ракетостроение
1Автомобилестроение
1Роботехника
1Станкостроение
1Общие структурные элементы и узлы измерительных приборов и систем
2Приборы для измерения времени и частоты
1Медицинские технологии
1Электропривод
1Энергетическое машиностроение
1Технологии и техника разведки полезных ископаемых и геологических исследований
1Технологии и техника зашиты от шума, вибрации, электрических и магнитных полей и излучений
1Приборы для измерения акустических величин и характеристик

 

Используются в научно-технических эффектах совместно с данным эффектом естественнонаучные эффекты

1Сохранение момента количества движения изолированной системой взаимодействующих тел (Сохранение момента количества движения)
1Сохранение количества движения изолированной системой взаимодействующих тел (Сохранение количества движения изолированной системой взаимодействующих тел)
73-й закон Ньютона (3-й закон Ньютона)
7Создание момента силы (Создание момента силы )
7Давление при контакте (Давление при контакте)
7Инерция покоя и прямолинейного равномерного или вращательного движения. (1-й закон Ньютона)
7Эффект передачи момента силы посредством твёрдого тела (Механического рычага эффект)
2Возникновение поступательного движения твердого тела при его вращении вокруг оси при наличии направляющей специальной формы (Винтовое движение)
5Гука закон (Гука закон)
3Трение качения. (Трение качения.)
3Упругая деформация изгиба твердых тел (Деформация изгиба)
1Возникновение состояния устойчивого равновесия при достижении минимума потенциальной энергии (Устойчивость равновесия)
1Упругая деформация кручения твёрдых тел. (Упругая деформация кручения твёрдых тел.)
1Сохранение энергии движущейся жидкости (Уравнение Бернулли)
1Равномерная передача давления в жидкости или газе во всех направлениях (Паскаля закон)
1Упругие деформации. Дивергенция (Упругие деформации. Дивергенция)

 

Применение эффекта

 Первый закон Ньютона играет важную роль с точки зрения нашего естествоиспытательского отношения к природе материального мира. Он подсказывает нам, что любое изменение в характере движения тела свидетельствует о присутствии внешних сил, воздействующих на него. Условно говоря, если мы наблюдаем, как железные опилки, например, подпрыгивают и налипают на магнит, или, доставая из сушилки стиральной машины белье, выясняем, что вещи слиплись и присохли одна к другой, мы можем чувствовать себя спокойно и уверенно: эти эффекты стали следствием действия природных сил (в приведенных примерах это силы магнитного и электростатического притяжения соответственно).
Опытным путем установлено, что инерциальной можно считать гелиоцентрическую (звездную) систему отсчета (начало координат находится в центре Солнца, а оси проведены в направлении определенных звезд). Системы отсчета, связанная с Землей, строго говоря, не инерциальна, однако эффекты, обусловленные ее неинерциальностью (Земля вращается вокруг собственной оси и вокруг Солнца), при решении многих задач пренебрежимо малы, и в этих случаях ее можно считать инерциальной.

 

Реализации эффекта

В качестве примера выполнения 1 закона Ньютона можно рассмотреть движение парашютиста (рис. 1). Он равномерно приближается к земле, когда действие силы тяжести компенсируется силой натяжения строп парашюта, которая в свою очередь обусловлена сопротивлением воздуха.
Парашютист
Рис.1

 

Примером механического эксперимента, в котором проявляется неинерциальность системы, связанной с Землей, служит поведение маятника Фуко. Так называется массивный шар, подвешенный на достаточно длинной нити и совершающий малые колебания около положения равновесия. Если бы система, связанная с Землей, была инерциальной, плоскость качаний маятника Фуко оставалась бы неизменной относительно Земли. На самом деле плоскость качаний маятника вследствие вращения Земли поворачивается, и проекция траектории маятника на поверхность Земли имеет вид розетки (рис. 1).
Кривая колебаний маятника Фуко
Рис.1

 

Литература

1. И.В.Савельев. Курс общей физики: Учебное пособие. Т.1. Механика. Молекулярная физика. 6-е изд., стер. – СПб.: Издательство «Лань»,2006

2. Физическая энциклопедия / гл.ред. Прохоров А.М. - М.: Большая российская энциклопедия. 1994.

Формализованное описание Показать

Стартовая страница  О системе  Технические требования  Синтез  Обучающий модуль  Справка по системе  Контакты 
Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина