Первый закон Ньютона. Масса. Сила

Мы знаем, что тело может двигаться равномерно и прямолинейно. В таком случае его скорость постоянна и не меняется по величине и направлению. Если же скорость тела меняет величину или величину и направление, то тело движется с определенным ускорением $\overrightarrow{a}$.

С точки зрения кинематики нас не интересует, почему тело движется тем или иным образом. Динамика в физике, наоборот, рассматривает взаимодействие тел как причину, которая определяет характер движения. 

1 закон Ньютона

Законы динамики были сформулированы Исааком Ньютоном и опубликованы в 1687 году. Три закона Ньютона составляют основу классической механики, которая на протяжении нескольких столетий (вплоть до 20 века) главенствовала, как основная научная парадигма.

Классическая механика справедлива для тел, движущихся с малыми скоростями (скоростями, которые значительно меньше скорости света). Вообще законы Ньютона были выведены путем эмпирических наблюдений и обобщения опытных фактов.

Представим изолированное тело, на которое не действуют никакие другие тела. Это самая простая механическая система. Для описания движения тела необходима система отсчета.

Напомним, что система отсчета - это тело отсчета и связанные с ним системы координат и часов (отсчета времени). Причем в разных системах отсчета движение тела будет разным.

Сформулируем первый закон Ньютона. Он говорит о существовании так называемых инерциальных систем отсчета (ИСО) и называете также законом инерции. Существуют разные определения первого закона Ньютона.

Инерция - это свойство тел сохранять свою скорость при отсутствии на него воздействий со стороны других тел. Именно поэтому второе название первого закона Ньютона - закон инерции. 

Первая формулировка закона инерции была выведена еще Галилео Галилеем в 1632 году. Ньютон лишь обобщил его выводы. 

Приведем пример, иллюстрирующий неинерциальность системы отсчета, связанной с Землей. Рассмотрим колебания маятника Фуко. Это массивный шар, подвешенный на длинной нити и совершающий малые колебания относительно положения равновесия. 

Плоскость колебаний маятника Фуко относительно Земли не остается неизменной вследствие вращения Земли. Проекция траектории маятника на поверхность Земли имеет вид розетки. Будь система инерциальной, плоскость качения маятника относительно Земли оставалась бы неизменной.

Еще одна система, которую можно приближенно принять за инерциальную - гелиоцентрическая система отсчета. Начало координат в ней помещено в центр Солнца, а оси направлены на отдаленные звезды. Эта система отсчета еще называется системой Коперника. Именно ее использовал Ньютон при выводе закона Всемирного тяготения (1682 г.). 

Система отсчета, связанная с поездом, который с постоянной скоростью движется по прямым рельсам, также может считаться инерциальной. Все инерциальные системы отсчета образуют класс систем, которые движутся друг относительно друга равномерно и прямолинейно.

Что является причиной изменения скорости тела в инерциальной системе отсчета? Согласно первому закону Ньютона, это взаимодействие с другими телами. Чтобы количественно описать движение тела и взаимодействие его с другими телами, необходимо ввести понятия массы и  силы.

Масса

Вы наверняка замечали, что разные тела по-разному меняют свою скорость. Тяжелый грузовик остановить гораздо сложнее, чем игрушечную машинку, так как он обладает большей массой и, соответственно, инертностью.

В результате взаимодействия двух тел меняются их скорости. Это значит, что в процессе взаимодействия тела приобретают ускорения. При любых воздействиях отношение ускорений двух тел остается постоянным. При этом, массы тел обратно пропорциональны ускорениям, которые они приобретают.

$\frac{m_1}{m_2}=-\frac{a_2}{a_1}$

Здесь $a_{1 }$и $a_{2 }$ - проекции векторов ускорений $\overrightarrow{a_{1 }}$и $\overrightarrow{a_{2 }}$на ось OX. Знак минус означает, что ускорения тел направлены в противоположные стороны.

Какие есть способы измерения массы тела? Самый простой и очевидный - сравнить массу тела с массой эталона. В системе СИ, как уже говорилось, $m_{эт}=1 кг$.

Сила

Именно сила - причина изменения движения тела. На тело может действовать несколько сил, которые имеют различную физическую природу. Например, сила тяжести, сила трения скольжения и сила трения качения, сила упругости и т.д.

Равнодействующая сила - векторная сумма всех сил, действующих на тело. 

Как измерить силу? Необходимо установить эталон силы и найти способ сравнить другие силы с этим эталоном. 

В качестве эталона можно использовать, например, силу, с которой растянутая до определенной величины пружина действует на прикрепленное к ней тело. Способ сравнения сил очень прост: если под действием двух сил (измеряемой $\overrightarrow{F}$ и эталонной  ${\overrightarrow{F}}_0$) тело движется равномерно или покоится, то эти силы равны по модулю. 

$F=F_0$.

Если измеряемая сила больше эталонной, то можно добавить еще одну эталонную пружину. При соблюдении условий, указанных выше, можно сказать, что в таком случае

$F=2F_0$.

Для сравнения сил, меньших чем $2F_0$, можно использовать схему, приведенную ниже.

Прибор для измерения силы - динамометр. По сути, это пружина, откалиброванная специальным образом. При растяжении пружины приложенная сила указывается на шкале динамометра.