Механічна взаємодія. Закони Ньютона. Інертність. Інерція

Механічна взаємодія

Дію тіл або частинок одне на одне називають взаємодією. Механічна взаємодія – це взаємодія тіл чи їхніх частин між собою. Взаємодія — одне з основних (фундаментальних) понять не тільки у фізиці, але й у науці загалом. Саме взаємодії є причиною будь-яких змін, що відбуваються з тілами. Вибух наднової зорі, живлення клітини, політ орла, радіоактивний розпад речовини, порив вітру, хімічні реакції — усі процеси та явища в природі відбуваються в результаті взаємодій. Завдяки взаємодіям існує і сама природа: існування атомів і їхніх складників, існування планет, зір, галактик, людини та навколишніх тіл — усе це можливе саме завдяки взаємодіям.

Розрізняють чотири фундаментальні види взаємодій: гравітаційна, електромагнітна, сильна, слабка.

Гравітаційна взаємодія універсальна — в ній беруть участь усі тіла й частинки. Ця взаємодія є визначальною для існування та руху небесних тіл. Докладніше ви познайомитеся з нею, коли будете вивчати закон всесвітнього тяжіння.

Електромагнітна взаємодія виявляється тільки між частинками, що мають електричний заряд. Ця взаємодія визначає структуру речовини: вона пов’язує електрони та ядра в атомах, атоми в молекулах, визначає хімічні й біологічні процеси та ін.

Гравітаційна та електромагнітна взаємодії є далекодійними — вони виявляються на досить великих відстанях між об’єктами і не мають кінцевого радіуса дії.

Процеси, зумовлені сильною взаємодією і слабкою взаємодією, підпорядковуються законам квантової механіки. Ці взаємодії виявляються в мікросвіті.

Причини руху і І закон Ньютона. Інерція

Близько 2500 років тому давньогрецький філософ Арістотель, міркуючи про причини руху тіл, зробив розумний з погляду здорового глузду висновок: «Усе, що рухається, має рух завдяки чомусь. Тіло, яке рухається, зупиняється, якщо тіло, що його штовхає, припиняє свою дію». Справді, щоб віз рухався по дорозі, яка не має нахилу, необхідно, щоб його тягнув кінь. Якщо прибрати дію коня, віз зупиниться. Однак чи дійсно це так?

Уявімо ідеалізовану ситуацію: осі коліс воза змащені так добре, що між ними та колесами немає тертя, дорога є ідеально рівною та гладенькою, а голоблі закріплені та не заважають рухові. Іншими словами — мислено виключимо всі можливі сили тертя. Можна припустити, що в цьому випадку віз, почавши рух, буде рухатися рівномірно прямолінійно як завгодно довго.

Саме такого висновку наприкінці XVI ст. дійшов італійський учений Ґалілео Ґалілей. Вивчаючи рух тіл по похилій площині (мал. 1) і використовуючи мислений експеримент, він сформулював закон, який пізніше дістав назву закон інерції Ґалілея:

Якщо на тіло не діють інші тіла, воно зберігає стан спокою або рівномірного прямолінійного руху.

Слід зазначити, що Арістотель дійшов практично такого самого висновку: «Якщо тіло, якому один раз надали руху, перебуває в порожнечі, то воно має рухатися не спиняючись нескінченно». Однак потім учений вирішив, що такий рух неможливий, тому що ніякої порожнечі в природі бути не може.

Зараз ми знаємо, що такий рух є можливим. Так, якщо космічний корабель перебуватиме вдалині від зір, то після вимкнення двигунів він продовжить рухатися рівномірно прямолінійно зі швидкістю, яку мав на момент вимкнення.

Тіло, на яке не діють інші тіла та поля, називають вільним (ізольованим), а рух вільного тіла називають рухом за інерцією, тому закон, установлений Ґалілеем, називають законом інерції. У реальності практично неможливо створити умови, коли на тіло ніщо не діє, тому рухом за інерцією зазвичай вважають випадки, коли дії на тіло інших тіл і полів уздовж лінії руху тіла доволі слабкі й до помітної зміни швидкості це тіло проходить значний шлях.

Так, рухами за інерцією можна вважати практично рівномірні рухи: шайби по льоду після удару ключкою, кулі на доріжці під час гри в боулінг і т. д.

Закон інерції Ґ. Ґалілея став першим кроком у встановленні основних законів механіки. Формулюючи основні закони руху тіл, І. Ньютон назвав цей закон першим законом руху та подав його так: Будь-яке тіло, поки воно залишається ізольованим, зберігає стан спокою або рівномірного прямолінійного руху.

Звернемо увагу на таке.

По-перше, тіло рухається рівномірно прямолінійно або перебуває у стані спокою, якщо воно ізольоване (тобто на нього не діють інші тіла) або якщо дії на нього інших тіл скомпенсовані. Тому можна стверджувати, що відсутність дії на тіло інших тіл рівнозначна тому, що на тіло діють інші тіла, однак їхні дії скомпенсовані.

По-друге, будь-який рух розглядається відносно якої-небудь СВ. Тому перший закон Ньютона не тільки формулює умову руху тіла за інерцією, але й постулює існування СВ, відносно яких спостерігається такий рух.

Виходячи з цього можна сформулювати закон інерції Ґалілея (або перший закон руху Ньютона) з урахуванням сучасних уявлень. Отже, перший закон механіки Ньютона: Існують такі системи відліку, відносно яких тіло зберігає стан спокою або рівномірного прямолінійного руху, якщо на нього не діють інші тіла та поля або якщо їхні дії скомпенсовані.

Інерціальна система відліку

Як відомо, явище збереження тілом стану спокою або рівномірного прямолінійного руху за умови, що на нього не діють інші тіла та поля або їхні дії скомпенсовані, називають явищем інерції.

Але чи в кожній СВ спостерігається явище інерції? Уявіть, що ви сидите в купе потяга, який стоїть на пероні. На столику купе лежить м’ячик (мал. 2). На м’ячик діють два тіла: Земля і столик. Дії Землі та столика скомпенсовані, і м’ячик перебуває в спокої відносно перону. Таким чином, відносно СВ, пов’язаної з пероном, явище інерції спостерігається. Однак щойно потяг починає набирати швидкість, як м’ячик починає котитися по столу, тобто відносно потяга починає рухатися з прискоренням, хоча дії Землі та столика, як і раніше, скомпенсовані. Отже, відносно СВ, пов’язаної з потягом, який набирає швидкість, явище інерції не спостерігається (дія інших тіл на м’ячик скомпенсована, але він не зберігає свою швидкість).

СВ, відносно якої спостерігається явище інерції, називають інерціальною системою відліку; СВ, відносно якої явище інерції не спостерігається,— неінерціальною системою відліку.

Далі, якщо спеціально не застережено, будемо користуватися тільки інерціальними СВ.

Інерціальні системи відліку — це такі системи відліку, відносно яких тіло зберігає швидкість свого руху постійною, якщо на нього не діють інші тіла та поля або якщо їхні дії скомпенсовані.

Зазвичай як інерціальну використовують СВ, жорстко пов’язану з точкою на поверхні Землі. Однак це не єдина інерціальна СВ — їх нескінченно багато. Будь-яка СВ, що рухається відносно Землі рівномірно прямолінійно, є інерціальною. Справді, якщо тіло зберігало стан спокою або рівномірного прямолінійного руху відносно Землі, то й відносно СВ, яка рухається відносно Землі з постійною швидкістю, швидкість тіла теж буде постійною, хоча й інакшою (мал. 3).

Слід зазначити, що СВ, жорстко пов’язану із Землею, можна вважати інерціальною тільки умовно, оскільки Земля обертається навколо своєї осі. Для точніших вимірювань слід використовувати інерціальну СВ, пов’язану із Сонцем, а ще краще — СВ, пов’язану з далекими зорями.

Принцип відносності. Взаємодія тіл і прискорення

Ґалілео Ґалілей вивчаючи рух тіл сформулював так званий принцип відносності, який звучить так: для будь-яких механічних явищ усі інерціальні СВ є рівноправними. Це зумовлено тим, що маса, довжина і час в усіх інерціальних СВ мають однакове значення.

Як уже було згадано вище, взаємодія – це дія тіл або частинок одне на одне. В результаті взаємодії тіла набувають і змінюють не лише швидкість, а й можуть набувати прискорень. Пригадаємо, що прискорення – це векторна фізична величина, яка характеризує швидкість зміни швидкості руху тіла й дорівнює відношенню швидкості руху тіла до проміжку часу, протягом якого ця зміна відбулася: .Отже, прискорення є результатом взаємодії тіл або їхніх частин між собою.

Інертність

Щоб змінити швидкість руху будь-якого тіла, обов’язково потрібен час — швидкість не може змінюватися миттєво. Так, перш ніж зрушити валізу з місця, ми якийсь час діємо на неї рукою; куля під дією порохових газів набуває певної швидкості за час руху всередині дула; автомобіль зупиняється не миттєво, а через якийсь час.

Властивість тіла, яка полягає в тому, що для зміни швидкості руху тіла потрібен деякий час, називають інертністю.

Якщо на два різних тіла діяти з однаковою силою, то для певної зміни швидкості руху більш інертного тіла потрібно більше часу, ніж для такої самої зміни швидкості руху тіла, яке має меншу інертність. Це означає, що в результаті дії даної сили більш інертне тіло набуває меншого прискорення, ніж менш інертне.