Закон инерции. Кто открыл закон инерции? Когда и кем открыт закон инерции

(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.

Ответ на вопрос: «Существуют ли инерциальные системы отсчета или нет?», как всегда, дает эксперимент. По результатам современных измерений гелиоцентрическая система отсчета, в которой неподвижен центр Солнца, и оси которой направлены на неподвижные звезды, является инерциальной. Это означает следующую простую вещь: существующие акселерометры (измерители ускорения) не обнаруживают отклонений от первого закона Ньютона в гелиоцентрической системе отсчета. Покой или равномерное прямолинейное движение - это состояние с равным нулю ускорением, следовательно, если тело, не подверженное воздействиям извне, приобретает ускорение, то это означает, что движение этого тела рассматривается в неинерциальной системе отсчета. Солнечная система совершает финитное движение в пределах нашей галактики (Млечный путь), любое финитное движение есть движение с ускорением, но солнечная система далека от центра галактики - мы периферийные жители - кривизна её траектории ничтожна, наши приборы не обнаруживают ускорений и мы утверждаем, что гелиоцентрическая система отсчета инерциальна. Инерциальная система отсчета - ещё одна идеализация: в точном смысле инерциальных систем отсчета не существует. Естественно предположить, что это обстоятельство было в ряду тех, что подвигли Эйнштейна на создание общей теории относительности, в которой утверждается физическое равноправие всех вообще, а не только инерциальных, систем отсчета, а поля сил инерции эквивалентны гравитационным полям (так называемый «принцип эквивалентности» подробнее речь об этом пойдет позже).

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.

До Галилея думали, что для движения нужна какая-то причина, движущая сила. Даже великий Леонардо да Винчи писал: «Всякое движение стремится к своему сохранению, или же каждое движущееся тело движется постоянно, пока в нем сохраняется действие его двигателя». Удивительно, но туповатый полковник фон Циллергут из книги Я. Гашека «Похождения бравого солдата Швейка», мыслил похоже: нет бензина, не работает двигатель, автомобиль останавливается. После Галилея стала возможной чеканная латинская формулировка Р. Декарта (1596–1650): «Quod in vacuo movetur, semper moveri» (что движется в пустоте, будет двигаться всегда).

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.

Дополнительная информация

http://www.plib.ru/library/book/14978.html – Д.В. Сивухин Общий курс физики, том 1, Механика Изд. Наука 1979 г. – стр. 91–97 (§16): обсуждается принцип относительности Галилея, приводится дословное рассуждение самого Галилея!

http://www.gaudeamus.omskcity.com/PDF_library_natural-science_2.html – Киттель Ч., Наит У., Рудерман М. Курс общей физики. Том 1. Механика. Изд. Наука, 1975 г. – стр. 79–88 – описание ультрацентрифуги и оценка ускорений реальных систем отсчета, применяемых в механике.

всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока оно не будет вынуждено изменить его под действием каких-то сил.

II закон . Этот закон по праву является ядром механики. Он связывает изменение импульса тела (количества движения) с действующей на него силой , т.е. изменение импульса тела в единицу времени равно действующей на него силе и происходит в направлении ее действия. Так как в механике Ньютона масса не зависит от скорости (в современной физике, как мы впоследствии увидим, это не так), то

, где а – ускорение противодействия равны по величине и противоположны по направлению. Масса в этом выражении предстает как мера инертности . Нетрудно увидеть, что при постоянной силе воздействия ускорение, которое можно придать телу тем меньше, чем больше его масса.

III закон отражает тот факт, что действие тел всегда носит характер взаимодействия, и что силы действия и противодействия равны по величине и противоположны по направлению.

IV закон, сформулированный Ньютоном – это закон всемирного тяготения.

Логическая цепочка этого открытия может быть выстроена следующим образом. Размышляя о движении Луны, Ньютон сделал вывод, что она на орбите удерживается той же силой, под действием которой камень падает на землю, т.е. силой тяготения: «Луна тяготеет к Земле и силою тяготения постоянно отклоняется от прямолинейного движения и удерживается на своей орбите». Используя формулу своего современника Гюйгенса для центростремительного ускорения и астрономические данные, он нашел, что центростремительное ускорение Луны в 3600 раз меньше ускорения падения камня на Землю. Поскольку расстояние от центра Земли до центра Луны в 60 раз больше радиуса Земли, то можно предположить, что сила тяготения убывает пропорционально квадрату расстояния. Затем, на основе законов Кеплера, описывающих движение планет, Ньютон распространяет этот вывод на все планеты. («Силы, которыми главные планеты отклоняются от прямолинейного движения и удерживаются на своих орбитах, направлены к Солнцу и обратно пропорциональны квадратам расстояний до центра его »).

Наконец, высказав положение о всеобщем характере сил тяготения и одинаковой их природе на всех планетах, показав, что «вес тела на всякой планете пропорционален массе этой планеты», установив экспериментально пропорциональность массы тела и его веса (силы тяжести), Ньютон делает вывод, что сила тяготения между телами пропорциональна массе этих тел. Так был установлен знаменитый закон всемирного тяготения, который записывается в виде:

Где g - гравитационная постоянная, впервые определенная экспериментально в 1798 г. Г. Кавендишем. По современным даннымg = 6,67*10 -11 Н×м 2 /кг 2 .

Важно отметить, что в законе всемирного тяготения масса выступает в качестве меры гравитации , т.е. определяет силу тяготения между материальными телами.

Важность закона всемирного тяготения состоит в том, что Ньютон, таким образом, динамически обосновал систему Коперника и законы Кеплера.

Примечание. О том, что сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния, догадывались некоторые ученые и до Ньютона. Но только Ньютон сумел логически обосновать и убедительно доказать этот закон с помощью законов динамики и эксперимента.

Следует обратить внимание на важный факт, свидетельствующий о глубокой интуиции Ньютона. Фактически Ньютон установил пропорциональность между массой и весом , что означало, что масса является не только мерой инертности, но мерой гравитации . Ньютон отлично понимал важность этого факта. В своих опытах он установил, что масса инертная и масса гравитационная совпадают с точностью до 10 -3 . Впоследствии А. Эйнштейн, считая равенство инерционной и гравитационной масс фундаментальным законом природы , положил его в основу общей теории относительности, или ОТО. (Интересно, что в период создания ОТО это равенство было доказано с точностью до 5×10 -9 , а в настоящее время оно доказано с точностью до 10 -12‑ .)

В третьей части книги Ньютон изложил Общую Систему Мира и небесную механику, в частности, теорию сжатия Земли у полюсов, теорию приливов и отливов, движения комет, возмущения в движении планет и т.д. на основе закона всемирного тяготения.

Утверждение Ньютона о том, что Земля сжата у полюсов, было экспериментально доказано в 1735-1744 гг. в результате измерения дуги земного меридиана в экваториальной зоне (Перу) и на севере (Лапландия) двумя экспедициями Парижской Академии наук.

Следующим большим успехом закона всемирного тяготения было предсказание ученым Клеро времени возвращения кометы Галлея. В 1682 г. Галлей открыл новую комету и предсказал ее возвращение в сферу земного наблюдения через 76 лет. Однако в 1758 г. комета не появилась, и Клеро сделал новый расчет времени ее появления на основе закона всемирного тяготения с учетом влияния Юпитера и Сатурна. Назвав время ее появления – 4 апреля 1759 г., Клеро ошибся всего на 19 дней.

(Успехи теории тяготения в решении проблем небесной механики продолжались и в 19 веке. Так в 1846 г. французский астроном Леверье писал своему немецкому коллеге Галле: «направьте ваш телескоп на точку эклиптики в созвездии Водолея на долготе 326 градусов, и вы найдете в пределах одного градуса от этого места новую планету с заметным диском, имеющую вид звезды приблизительно девятой величины.» Эта точка была вычислена Леверье и независимо от него Адамсом (Англия) на основе закона всемирного тяготения при анализе наблюдаемых «неправильностей» в движении Урана и предположения, что вызываются они влиянием неизвестной планеты. И действительно, 23 сентября 1846 г. Галле в указанной точке неба обнаружил новую планету. Так родились слова «Планета Нептун открыта на кончике пера».)

К началу документа

Закон инерции

А.И. Сомсиков

Выявлена ошибочность понимания 1-го закона физики, называемого также первым законом Ньютона или законом инерции Галилея.

Закон инерции Галилея, называемый также первым законом Ньютона, в применяемой формулировке означает примерно следующее: "В отсутствие силы движение тела является равномерным, прямолинейным, не ограниченным во времени и пространстве".

Поскольку обе эти неограниченности практически не проверяемы, предложенное Галилеем доказательство этому является чисто логическим.

Поставленный эксперимент является наблюдением движения тела по наклонной плоскости с положительным и отрицательным углами наклона, соответствующими скатыванию тела вниз или его вкатыванию наверх.

Наблюдение обнаруживает при этом наличие ускорений противоположных знаков.

Отсюда следует, что нулевому углу наклона должно соответствовать нулевое ускорение, т.е. равномерное движение, не ограниченное во времени и пространстве, другими словами - вечное и бесконечное.

Этот логический вывод выглядит безупречным даже с учетом того, что реальные движения ограничены.

Просто им приписывается небольшое отрицательное ускорение, вызванное постулируемым сопротивлением трения тела с опорной плоскостью вследствие их касания.

Поскольку научное исследование сродни криминальному расследованию, на языке детективов это называется ложным следом, призванным отвлечь внимание. Абсолютно второстепенное наблюдение, лишь имитирующее предельную его тщательность, уводя внимание наблюдателя от действительно крупной логической ошибки. И что поистине удивительно – легкость, с какой заглатывается эта наживка, по которой все дружно и устремляются.

В самом деле, ведь этим предполагается, что в отсутствие касания тел, создающего это трение, ускорение было бы действительно нулевым.

Но возможен ли подобный вывод?

Прежде всего, в эксперименте не выполнено исходное требование - отсутствия силы.

В нем эта сила имеется, хотя и компенсируется противодействующей силой со стороны плоской поверхности. Но это ведь означает, что устранение касания тел также устраняет и силу противодействия как требуемое условие компенсации силы. А значит – и требуемое условие предполагаемого равенства нулю ускорения.

Но даже и в идеальном случае – при сохранении касания тел (необходимого для создания уравновешивающей силы противодействия) и полном отсутствии сопротивления трения (т.е. в условиях умственного эксперимента) верен ли этот логический вывод - равенства нулю ускорения?

Рассматриваемое движение направлено перпендикулярно действующим силам.

Сила противодействия плоской поверхности всегда ей и движению перпендикулярна, а компенсируемая исходная сила?

При условии не ограниченности движения во времени и пространстве?

Речь ведь идет о силе земного тяготения.

Она же является центрированной в направлении действующего ускорения, т.е. в начало инерциальной системы отсчета ИСО, совмещаемое с центром масс, в данном случае - с центром Земли.

Требуется иметь перпендикулярность ускорения, вызванного притяжением, опорной плоскости.

В исходном положении это условие выполняется.

При неограниченном же пространственном перемещении ускорение приобретает угловой поворот в сторону начала отсчета ИСО, вследствие чего его проекция на направление движения в общем случае имеет ненулевое значение.

Эта проекция оказывает тормозящее воздействие на движение, причем уже без всякого трения.

Этим нарушается требование отсутствия силы в направлении движения или ее перпендикулярности этому направлению.

Следовательно, предполагаемая неограниченность во времени и пространстве равномерного прямолинейного движения оказывается невозможной.

Эксперимент Галилея выполняется лишь в ограниченном их масштабе, а его постулируемая неограниченность является абсолютно недопустимой экстраполяцией.

Из этого также следует, что условием равномерности движения является непрерывное сохранение его направленности, перпендикулярной ускорению.

Такое сохранение возможно в одном единственном случае движения тела по окружности с радиусом кривизны, сохраняющим постоянство значения относительно начала отсчета ИСО.

Следовательно, истинный логический вывод, непосредственно вытекающий из эксперимента Галилея, гласит: "при наличии центрированной силы, компенсируемой противоположно направленной силой, движение тела является равномерным вращением относительно начальной точки ИСО, не ограниченным во времени и пространстве".

При снятии касания с поверхностью, заменяемого центробежной силой, это ведь собственно и наблюдается в бесчисленных примерах таких вращений от Луны и прочих объектов космического масштаба до микромира, представленного масштабом атома.

А как же все-таки быть с действительным, истинным отсутствием силы?

Модернизируем эксперимент Галилея, пусть даже и просто мысленно.

Для этого нужно, чтобы движение, перпендикулярное силе притяжения, было на таком расстоянии от начала отсчета ИСО, при котором значением этой силы можно было просто пренебречь.

Этого всегда можно добиться соответствующим выбором достаточно большого масштаба.

Такое движение может действительно оставаться равномерным и прямолинейным на неограниченном масштабе пространства и времени, в рассматриваемой ИСО.

Ну а сама эта ИСО пространственно неподвижна?

Нет, она тоже движется, причем ускоренно, но только в другой ИСО, образуемой, например, солнечной системой.

Следовательно, и рассматриваемое движение, являющееся равномерным в исходной ИСО, оказывается ускоренным в другой ИСО.

Можно продолжить мысленный эксперимент, удаляя это движение еще дальше, на таком расстоянии от солнечной системы, при котором его движение в этой ИСО окажется уже равномерным. Но это, во-первых, будет происходить не в исходной "галилеевской" (земной) ИСО, где оно по-прежнему останется ускоренным.

А во-вторых, сама солнечная система в свою очередь ускоренно движется относительно центра нашей Галактики, образующего третью ИСО.

Можно продолжить увеличение космического масштаба галилеевского равномерного и прямолинейного движения выводя его уже за пределы Галактики.

Но даже и это вовсе не означает что, во-первых, движение останется равномерным в уже оставленных ранее земной и солнечной ИСО.

А во-вторых, сама Галактика в свою очередь может ускоренно двигаться в системе других галактик относительно иного центра, образуемого ближайшим или удаленным их окружением.

Таким образом, выясняется, что закон инерции Галилея или же первый закон механики Ньютона (и первый закон физики вообще) не выполняется не только на ограниченном масштабе, но и в неограниченном, а попросту говоря - нигде и никогда, ввиду центрированности сил тяготения, так что его логическое обоснование является целиком ошибочным.

Странно, что эта ошибка до сих пор оставалась незамеченной.

Это вообще особенность старых наук: рассуждения, которые были бы немедленно опровергнуты, случись предъявить их ныне, спокойно существуют, будучи не замеченными по истечении известного времени, когда исследователям даже и в голову не приходит подвергнуть их повторной логической экспертизе.

Нужна, возможно, особая независимость мышления, чтобы пускаться в путь, считающийся давно уже пройденным, без всяких мыслей о гарантированных его "результатах", из одной лишь любви к научной истине.

А между тем впервые ведь начали самостоятельно рассуждать притом, конечно, отнюдь не сразу безукоризненно и даже не слишком уверенно совсем недавно - каких-то лет триста назад!

Так что сама возможность неточностей и даже просто ошибок для имеющих опыт самостоятельных рассуждений представляется весьма вероятной и даже почти неизбежной.

Невероятно было бы их вовсе не обнаружить, конечно, при некоторой тщательности анализа.

Пока же ищут (безрезультатно) у Эйнштейна, в то время как стоило бы начать с Ньютона или Коперника.

Эйнштейн это конечно кризис, но очень поздний, заложенный много раньше его предшественниками первопроходцами.

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.sciteclibrary.ru

Если тело находится в состоянии покоя по отношению к Земле, то оно будет сохранять свое состояние бесконечно долго, до тех пор, пока другие тела, воздействуя на него, не выведут, рассматриваемое тело, из этого состояния.

Известно, что если тело совершает движение, по отношению к Земле, то изменение его скорости, не может происходить само собой. Изменение величины и направления скорости тела относительно Земли происходит при воздействии на тело со стороны других тел. Возникает вопрос: для того, чтобы тело имело постоянную скорость относительно Земли, является необходимым воздействие на рассматриваемое тело со стороны других тел?

Долгое время, начиная с четвертого века до нашей эры, господствовало мнение, которое сформулировал Аристотель. Он считал, что для того, чтобы тело двигалось (в том числе и с постоянной скоростью) необходимо действие на него со стороны других тел. Так, для того, чтобы автомобиль ехал, двигатель должен всегда работать. Перестал двигатель работать, автомобиль остановился. Следуя за Аристотелем надо было бы сказать, что причиной движения является действие на рассматриваемое тело со стороны других тел. Аристотель обладал очень большим авторитетом, его труды составляют работы по философии, естественным наукам, истории и психологии и др. Аристотель был учителем А. Македонского, который испытывал к своему учителю большой пиетет. Авторитет Аристотеля являлся столь высоким, что его объяснение причин движения господствовали в европейском естествознании более двух тысяч лет.

Закон инерции?

Стоит отметить, что китайские «физики» фрагментарно сформулировали закон инерции между 450 и 250 годами до нашей эры. В работе философа Мо-цзы было написано примерно следующее: Если противодействующей силы нет, то движения тела никогда не прекратится. Мысль о прямолинейности движения по инерции китайцы формулировали так: Если присутствует поддерживающий столб, то движение не прекратится. Оно будет уподоблено переходу по висячему мосту. В переводе на современный язык это означает: В том случае, если на движущееся тело воздействовать с силой направленной под углом к направлению перемещения, то тело будет двигаться по криволинейной траектории.

В Европе понятие инерции было сформулировано Г. Галилеем в середине семнадцатого века, после того, как он провел серию широко известных экспериментов с шарами. Г. Галилей одним из первых пришел к объяснению причин равномерного и ускоренного перемещения тел и исследовал движение по инерции. Однако представления Галилея были не верны до конца, так как он утверждал, что тело, на которое не действуют силы движется равномерно по окружности. Такие представления у ученого были сформированы после изучения движения небесных тел. Так как он считал, что небесные тела движутся сами по себе.

Было бы правильно, говорить, что первым сформулировал закон инерции французский философ, математик Р. Декарт. Он писал о том, что любое тело пребывает одном состоянии до того момента пока не встретится с другим телом. И в другом своем законе Декарт говорит, что любая частица стремится двигаться исключительно по прямой. Однако Декарт дал формулировки своих законов, не зная о силах гравитации и скорее по наитию, чем опираясь на факты, поэтому считают, что закон инерции, который мы знаем, сформулировал И. Ньютон:

Каждое тело находится в состоянии покоя или движется равномерно и прямолинейно, относительно любой инерциальной системы отсчета, до того момента пока действие на него других тел не заставит его изменить свое состояние.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

В чем состоит смысл опытов Галилея с наклонной плоскостью и почему они подтверждают закон инерции?

Решение

Сделаем рисунок. Галилей сделал несколько наклонных плоскостей с вырезанными в них прямыми желобами. Длина плоскости составляла примерно 5 метров. Желоб естествоиспытатель выстилал пергаментом для того, чтобы уменьшить силу трения. По желобу скатывался тяжелый шар. Галилей замечал положения шара через одинаковые промежутки времени. Так как секундомера в это время не было, то ученый использовал свой пульс или иные не слишком удобные методы измерения времени. Было получено, что путь пройденный телом, движущимся с постоянным ускорением пропорционален квадрату времени. Данный эксперимент, наряду с другими опытами по падению тел, дали основу для принципа инерции. Получалось, что шар, скатывавшийся по наклонной плоскости виз, увеличивал скорость, при движении вверх скорость тела уменьшалась. Если плоскость, по которой двигалось тело, была горизонтальна, то тело свою скорость почти не изменяло, так как у него не было причины ускоряться или замедляться. По предположению Галилея, если нет причины изменения движения, то тело движется равномерно или находится в состоянии покоя.

1-ый закон Ньютона либо закон инерции был установлен Галилео Галилеем в 1632 году, но строго сформулирован только Исааком Ньютоном в 1686 году. Он является первым из 3-х законов традиционной механики и в современной формулировке он звучит так:

Есть такие системы отсчета, относительно которых тело (вещественная точка) при отсутствии на нее наружных воздействий (либо при их обоюдной компенсации) сохраняет состояние покоя либо равномерного прямолинейного движения. (Источник)

К этой формулировке обычно добавляют: такие системы отсчета именуются инерциальными. Следовательно, 1-ый закон Ньютона является определением и утверждением о существовании инерциальных систем отсчета. Но этот смысл нередко упускается в простых учебниках физики, где нередко есть возможность повстречать такие формулировки:

Всякое тело, свободное от воздействия других тел, сохраняет свою скорость постоянной. (Источник)

Подобные формулировки порождают неверное воспоминание, как будто 1-ый закон Ньютона является только личным случаем второго, утверждающего, что ускорение тела пропорционально действующей на него силе. Следует, но, отметить, что такие формулировки формально следуют Ньютону, у которого нет очевидно сформулированного понятия системы отсчета и представления о существовании различных типов систем отсчета. Вот формулировка первого закона у Ньютона:

Всякое тело продолжает удерживаться в собственном состоянии покоя либо равномерного прямолинейного движения, пока и так как оно не понуждается приложенными силами изменять это состояние. (Исаак Ньютон, Математические начала натуральной философии, М., Наука, 1989, пер. с лат. акад. А.Н. Крылова)

Уникальная (латинская) формулировка первого закона:

Corpus omne preseverare in statu suo quiescendi vel movendi uniformiter in directum, nisi quatenus illud a viribus impressis cogitur statum suum mutare. (Там же)

Источники:

1-ый закон Ньютона. Инерциальная система отсчета — на веб-сайте Школьная физика

1-ый закон Ньютона — Физика.ру

Закон инерции — Википедия

Законы механики Ньютона — энциклопедия Дж. Трефила «200 законов мироздания» на веб-сайте «Элементы».

Кто открыл закон инерции?

1-ый закон Ньютона либо закон инерции был установлен Галилео Галилеем в 1632 году, но строго сформулирован только Исааком Ньютоном в 1686 году. Он является первым из 3-х законов традиционной механики и в современной формулировке он звучит так: Есть такие системы отсчета, относительно которых тело (вещественная точка) при отсутствии на нее наружных воздействий (либо при их...