If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Если вы используете веб-фильтр, пожалуйста, убедитесь, что домены *.kastatic.org и *.kasandbox.org разблокированы.

Основное содержание
Текущее время:0:00Общая продолжительность:9:32

Продолжаем наше знакомство с первым законом Ньютона

Транскрипция к видео

В этом видео я хотел бы немного поговорить о первом законе движения Ньютона. И следующий отрывок — перевод из "Principia", сочинения Ньютона на латинском языке. Итак, первый закон: «Всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного или прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние». Можно это перифразировать другим способом: всякое тело остаётся в покое или движется с постоянной скоростью, если к нему не применяется сила, меняющая его состояние. Если к нему не применяется сила, особенно неуравновешенная. Я объясню это чуть позже. Если у меня есть объект в состоянии абсолютного покоя, что-нибудь знакомое, что мы всегда могли бы видеть раньше. Допустим, у меня есть камень. Он где-нибудь лежит, скажем, на газоне. Я могу смотреть на него некоторое время, вот он наш камень, и вряд ли он начнёт движение, если предположить, что с ним ничего не происходит. Если нет силы, действующей на этот камень, этот камень просто останется на своём месте. Так что первая часть закона Ньютона вполне понятна. «Всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя». Не буду объяснять вторую часть. Итак, повторю первую. «Пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние». Совершенно понятно, что камень будет в состоянии покоя, если кто-нибудь не применит к нему силу, не толкнет его, и не покатит. Вторая часть первого закона Ньютона менее понятна. «Всякое тело продолжает удерживаться» и «в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние». Вот это первый закон Ньютона, и я думаю, что мог бы обратить внимание вот сюда, это портрет Ньютона. Но если это первый закон Ньютона, то что за большой портрет вот этого человека рядом? Портрет находится здесь потому, что первый закон Ньютона — практически переформулированный закон инерции, который был сформулирован этим человеком, другим титаном цивилизации, Галилео Галилеем. Именно он первым сформулировал закон инерции, а Ньютон просто немного его переформулировал и совместил с другими своими законами. Но Ньютон сделал очень много всего и помимо этого. Так что надо отдать Галилео должное за первый закон Ньютона. По этой причине я увеличил его портрет. Вернёмся к рассказу. Итак, мы понимаем, что если нечто находится в состоянии покоя, если к нему не применить силу. В некоторых определениях вы встретите формулировку «если не применить некую неуравновешенную силу». Так говорят потому, что на объект могут действовать сразу две силы, которые могут взаимно уравновеситься (т. е. нейтрализоваться). К примеру, я мог бы толкнуть камень с одной стороны и применить к нему некоторое количество силы. А если вы толкнёте камень с другой стороны и ровно с таким же количеством силы, что у меня, камень не сдвинется. Он начнёт движение, только если с этой стороны намного больше силы, чем с другой, так что таким образом возникает понятие неуравновешенной силы. Возможно, камень — плохая аналогия. Возьмём лёд, так как он проще перемещается, даже лёд на льду. Допустим, это лёд. Есть ещё один кубик льда на другом. Опять же, нам знакома мысль о том, что если не применять силу к кубику, то он не сдвинется с места. Но что произойдёт, если я толкну лёд с этой стороны, применив некую силу, а вы будете толкать его с другой стороны, но с тем же количеством силы? Кубик не сдвинется. Здесь возникла бы уравновешенная сила. Итак, единственный способ изменить его положение в покое — взять неуравновешенную силу. Если мы добавим немного силы, скажем, с этой стороны, чтобы она более чем компенсировала силу с другой, то мы увидим, что кубик льда начал движение, и стал ускоряться в этом направлении. Вот в этом. Думаю, эта часть закона очевидна. То есть то, что находится в покое, будет и дальше в нём находиться, если не применить неуравновешенную силу. Что менее очевидно, так это мысль, что нечто движется равномерно и прямолинейно, то есть, иначе говоря, имеет постоянную скорость перемещения. Ньютон имеет в виду, что нечто с постоянной скоростью перемещения будет сохранять эту скорость неопределённое количество времени, если не применить неуравновешенную силу. Это уже менее понятно. Потому что жизненный опыт говорит, что даже если я буду толкать этот кубик льда, он в итоге будет останавливаться. Он не будет двигаться вечно, даже если предположить, что этот кубик бесконечно длинный, кубик всё равно в итоге остановится. То же справедливо и для случая, когда я подбрасываю вверх теннисный мяч. Он тоже остановится сам собой. То же самое с мячом для боулинга, по крайней мере, с точки зрения здравого смысла: любой предмет в итоге останавливается. Нечто движущееся будет двигаться так же неопределённое количество времени, что довольно-таки странно. Весь человеческий опыт говорит: чтобы сохранить движение, надо постоянно применять силу, постоянно сообщать предмету больше энергии, чтобы он продолжал двигаться. Машина не будет ехать бесконечно, если не будет постоянно потреблять энергию от сжигания топлива. О чём же вторая часть закона? Во всех этих примерах (и я думаю, что их вывели гениальные люди) предметы могли бы двигаться вечно. Мяч двигался бы вечно. Кубик льда скользил бы вечно, если бы на них не действовали неуравновешенные силы, вынуждающие их остановиться. Даже если лёд на льду имеет маленькое трение, всё равно между ними есть трение. В этом случае возникает сила трения, и она будет действовать против движения льда. И трение получается из буквально уровня атомов: в кубике льда есть решётчатая структура молекул воды, и на ледяной плоскости тоже есть решёточная структура водных молекул; разные куски льда в ледяном море перемещаются, постоянно сталкиваясь и перемалываясь. Хотя оба гладкие и скользкие, в них есть неровности, цепляющиеся друг о друга. Будет выделяться немного тепла. И именно они будут противодействовать движению. Здесь важна сила трения. И именно поэтому движение останавливается. Кроме силы трения, есть сопротивление воздуха. Кубик льда будет сталкиваться с разными частицами в воздухе. Возможно, это заметно не сразу, всё это будет препятствовать вечному движению кубика. То же самое верно и для мяча, подброшенного в воздух. В некий момент, он коснётся земли в силу действия гравитации. Это по крайней мере одна сила, действующая на него. Но даже если он оказывается на земле, не перемещается по ней бесконечно, опять же из-за силы трения, особенно если это травяная поверхность. Эта поверхность и остановит движение теннисного мяча. И даже во время нахождения в воздухе он остановится. У него не будет постоянной скорости перемещения, потому что есть частицы воздуха, которые будут с ним сталкиваться и тем самым вырабатывать силу для его замедления. Так что прозрения этих людей блестящи потому, что они смогли представить себе реальность без гравитации, без сопротивления воздуха. И они смогли представить возможность постоянного, бесконечного движения в текущей реальности. Почему Галилео удалось подумать об этом? Возможно, он изучал орбиты планет и он мог бы хотя бы теоретически предположить, что там нет воздуха, и что поэтому планеты могут бесконечно вращаться на своих орбитах. Мне следовало бы говорить об их скорости, потому что их направление меняется, однако скорость всегда остаётся прежней, так как в космосе нет ничего, что могло бы замедлить движение планет. Ничего. Надеюсь, что это увлекательно вам так же, как и мне. Потому что на одном уровне рассуждения, всё это крайне очевидно. Однако на другом, это не понятно сразу, особенно равномерное и прямолинейное движение. И просто для пояснения... Если бы исчезли гравитация и воздух, а вы при этом подбросили мяч, он бы двигался в направлении от Земли бесконечное количество времени, если только на него не воздействовала бы другая неуравновешенная сила, чтобы его остановить. Другой способ представить себе — это то, что вы могли видеть в повседневной жизни. Скажем, я лечу на самолёте, который движется с постоянной скоростью перемещения, и также представим, что при движении самолета нет турбулентности. Я сижу в этом самолёте. У него постоянная скорость перемещения, турбулентность отсутствует. Турбулентность отсутствует. Не выглянув в окно, я не пойму, движется ли самолёт вообще. Предположим, что в самолёте нет иллюминаторов. Он летит с постоянной скоростью перемещения. Без турбулентности. Допустим, я ничего не слышу, даже двигатели. Я не смогу вообще понять, летит ли самолёт. С моей точки зрения, всё выглядит ровно так же, как если бы я находился в этом же самолёте, стоящем на поверхности земли. Так можно более понятно представить, что это схожие состояния, вполне интуитивно (мы говорим о перемещении с постоянной скоростью и состоянии покоя). Нельзя знать, в этом ли вы состоянии или в другом.