1) Формулировка первого закона Ньютона 2) Формула первого закона Ньютона 3) Границы применимости первого закона Ньютона

1) Формулировка первого закона Ньютона

Первый закон Ньютона называют также законом инерции. Он описывает, как ведет себя тело, если на него не действуют другие тела или если действие всех сил взаимно компенсируется.

Формулировка:

Существуют такие системы отсчета, относительно которых тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если на него не действуют другие тела или действие других тел скомпенсировано.

Проще говоря: если на тело не действует сила или равнодействующая всех сил равна нулю, то тело не изменяет свою скорость. Оно либо остается в покое, либо движется по прямой с постоянной скоростью.

Например, если шайба скользит по льду и трение очень мало, она долго движется почти равномерно и прямолинейно. Это происходит не потому, что для движения нужна постоянная сила, а потому что при малом сопротивлении почти нет причины менять скорость шайбы. Сила нужна не для поддержания движения, а для изменения скорости тела.

Первый закон Ньютона также вводит важное понятие инерциальной системы отсчета. Именно в таких системах отсчета выполняется закон инерции. Инерциальной можно считать систему отсчета, которая покоится или движется равномерно и прямолинейно относительно другой инерциальной системы.

2) Формула первого закона Ньютона

Первый закон Ньютона обычно записывают так:

Это означает:

если равнодействующая всех сил, действующих на тело, равна нулю, то скорость тела остается постоянной.

Также можно записать через ускорение:

То есть если сумма сил равна нулю, то ускорение тела равно нулю.

Здесь:

— векторная сумма всех сил, действующих на тело;

— скорость тела;

— ускорение тела.

Важно понимать, что $\vec{v} = const$ включает два случая:

1. тело покоится:

2. тело движется равномерно и прямолинейно:

То есть состояние покоя — это частный случай равномерного прямолинейного движения, когда скорость равна нулю.

3) Границы применимости первого закона Ньютона

Первый закон Ньютона имеет определенные границы применимости. Он выполняется не всегда и не в любой системе отсчета.

Во-первых, закон справедлив только в инерциальных системах отсчета. Если система отсчета движется с ускорением, вращается или меняет направление движения, то она является неинерциальной, и первый закон Ньютона в обычной форме в ней не выполняется.

Например, если человек находится в резко тормозящем автобусе, ему кажется, что его «бросает» вперед. С точки зрения автобуса тело человека начинает двигаться без видимой причины, хотя сумма реальных сил может не объяснять это движение напрямую. Это происходит потому, что автобус является неинерциальной системой отсчета. Чтобы описывать движение в такой системе, приходится вводить силы инерции.

Во-вторых, первый закон Ньютона применим в рамках классической механики, то есть для тел, скорости которых значительно меньше скорости света. Если тело движется со скоростью, близкой к скорости света, нужно использовать специальную теорию относительности, а не обычную ньютоновскую механику.

В-третьих, закон применим главным образом к макроскопическим телам. Для микрочастиц, например электронов, атомов и фотонов, движение описывается законами квантовой механики. В таких случаях классические представления о траектории, скорости и силе могут быть неприменимы или применимы только приближенно.

В-четвертых, закон предполагает, что тело можно рассматривать как материальную точку или как тело, размерами и внутренним строением которого можно пренебречь в данной задаче. Если тело вращается, деформируется или состоит из многих частей, описание может быть сложнее. Тогда нужно учитывать не только поступательное движение, но и вращение, моменты сил, распределение массы и другие факторы.

Также в реальных условиях полностью изолированных тел почти не бывает. На любое тело обычно действует сила тяжести, сопротивление воздуха, трение, электромагнитные силы и другие воздействия. Поэтому первый закон часто выполняется не абсолютно, а приближенно. Например, мяч на земле сам останавливается не потому, что движение «исчезает само», а потому что на него действуют сила трения и сопротивление воздуха.

Итак, границы применимости первого закона Ньютона можно кратко выразить так:

только в инерциальных системах отсчета, для макроскопических тел, при скоростях намного меньше скорости света и в условиях, когда применима классическая механика.