Ісаак Ньютон просто не написав рівняння. Він дав нам зведення правил того, як Всесвіт насправді рухається. До 1687 року, коли він опублікував Principia, фізика була хаосом суперечливих ідей. Ньютон навів у ній порядок. Він сформулював три правила, які, як і раніше, керують кожним об’єктом, що має масу, — від кружки кави, що зісковзує зі столу, до планети, що обертається навколо зірки. Це закони руху, і вони становлять фундамент класичної механіки.
Вам не потрібно мати ступінь фізики, щоб зрозуміти перший закон. Він найнеочевидніший.
Чому об’єкти продовжують рухатися (або залишатися нерухомими)
Перший закон Ньютона часто називають законом інерції. Він стверджує, що тіло, яке перебуває в спокої, залишається в спокої, а тіло, що перебуває в русі, продовжує рухатися з постійною швидкістю і в тому ж напрямку, поки на нього не впливає незбалансована сила.
Подумайте про хокейну шайбу на льоду. Якщо ви вдарите по ній, вона ковзатиме довгий час. Вона зупиняється не тому, що хоче зупинитися. Вона зупиняється, тому що тертя, зовнішня сила протидіє її руху. В ідеальному вакуумі, при нульовому терті, ця шайба ковзала б вічно. Це і є інерція. Це властивість матерії чинити опір змінам її стану руху.
Це поняття руйнує наше повсякденне інтуїтивне сприйняття. Ми живемо у світі, повному тертя. Двері зачиняються. Машини зупиняються. М’ячі котяться до повної зупинки. Тому ми припускаємо, що зупинка – це природний стан. Ньютон перевернув цю виставу. Рух так само природний, як і нерухомість. Вам не потрібна сила, щоби щось продовжувало рухатися. Вам потрібна сила тільки для того, щоб змінити, як воно рухається.
Що це означає для повсякденного життя
Це не абстрактна теорія. Саме тому ви кидаєтеся вперед, коли автомобіль різко гальмує. Ваше тіло прагне продовжувати рух із колишньою швидкістю автомобіля. Ремінь безпеки забезпечує незбалансовану силу, яка вас зупиняє. Саме тому вам потрібно штовхати важкий ящик, щоб він почав рухатися, але, як тільки він ковзає, потрібно менше зусиль, щоб підтримувати його рух (хоча тертя завжди працює проти вас).
Розуміння інерції допомагає пояснити все: від того, чому астронавти ширяють на орбіті, до того, чому для переміщення масивної вантажівки потрібен потужний двигун. Маса об’єкта визначає, наскільки велика його інерція. Чим більша маса, тим більший опір змінам. Перо легко зрушити. Потяг – ні.
Перший закон задає рамку. Він визначає базову точку. Якщо об’єкт не діє результуюча сила, нічого змінюється. Звідси Ньютон будує решту своєї системи.
Чому ваша чашка з кавою залишається нерухомою, хоча Земля рухається зі швидкістю 1000 км/год
Нині це здається нам очевидним. Але упродовж століть так не було.
Якщо ви кинете м’яч, він впаде на землю. Якщо ви штовхаєте ящик, а потім припиніть штовхати, ящик зупиниться. Повсякденне життя кричить у тому, що з руху потрібен поштовх. Припиніть штовхати рух припиниться. Це арістотельова механіка. Вона відповідає з того що бачать наші очі. Вона інтуїтивна.
Вона також неправильна.
Закон інерції, який часто називають першим законом Ньютона, перевертає цю логіку. Тіло у спокої залишається у спокої. Тіло у русі продовжує рухатися з постійною швидкістю по прямій лінії. Якщо не діє сила. Для продовження руху не потрібний поштовх. Для збереження спокою поштовх теж не потрібний.
У класичній ньютонівській механіці немає важливої різниці між спокоєм і рівномірним прямолінійним рухом.
Саме в цьому люди найчастіше заплутуються. «Пий» – це просто «рух», побачений з іншого погляду. Якщо ви перебуваєте в поїзді, що рухається зі швидкістю 100 км/год, і кидаєте монету прямо вгору, вона падає назад у вашу руку. Ви бачите, як вона піднімається та опускається. Людина, що стоїть на платформі, бачить, як вона описує параболу. Обидва мають рацію. Стан монети не змінився. Змінився спостерігач.
Галілео Галілей це довів. Він не просто про це думав; він котив кулі похилими площинами. Він спостерігав, як вони піднімаються на інший бік. Він усвідомив, що якби не було тертя, куля ніколи б не перестала підніматися. Він би продовжував рухатися вічно. То був прорив. Це не було здогадом. Це було виводом із експерименту.
Чому це було так важливо?
Уявіть, що Земля обертається. Уявіть, що вона звертається довкола Сонця. Відповідно до здорового глузду, земля має відлітати від наших ніг. Ми маємо відчувати вітер. Ми маємо відставати.
Але ми цього не відчуваємо.
Чому ми не відчуваємо руху Землі?
Тому що ми рухаємось разом із нею. Повітря, земля та ваше тіло поділяють цю швидкість. Закон інерції пояснює, чому світ видається нерухомим. Ми зберігаємо свій рух. Земля здається нам нерухомою, тому що ми є частиною цієї системи.
Це не завжди ухвалювалося. Це було центральне питання наукових суперечок. Люди чинили опір ідеї про те, що для продовження руху не потрібна причина. Вони трималися за арістотелівський погляд, бо він відповідав повсякденному досвіду. Тертя та опір повітря всюди. Вони маскують справжню природу руху. Формулювання Ньютона прояснило це: тіла зупиняються не тому, що вони «хочуть» зупинитися, а тому, що на них діють незбалансовані сили, такі як тертя.
Коли Ньютон розібрався докладно, картина стала точною. Поверхня Землі не рухається прямою лінією з постійною швидкістю. Вона обертається. Це обертання створює невеликі відхилення. Ми відчуваємо їх як ефект Коріоліса або як зміни ваги, що здається. Але основний принцип залишається чинним. Інерція – це базова лінія.
Різниця між спокоєм та рівномірним прямолінійним рухом — це ілюзія перспективи. Це те саме стан руху, що спостерігається різними спостерігачами. Один рухається разом із часткою. Інший рухається із постійною швидкістю щодо неї. Ця еквівалентність є фундаментом класичної механіки. Без неї решта фізики не працює.
Як другий закон Ньютона пов’язує силу, масу та прискорення
Другий закон Ньютона визначає кількісний зв’язок між силою та зміною руху тіла. Він стверджує, що швидкість зміни імпульсу тіла в часі дорівнює прикладеній до нього силі як за величиною, так і за напрямом. Сам імпульс є векторною величиною, що обчислюється як добуток маси на швидкість. Оскільки він має напрямок, сила може змінити величину цього імпульсу, його напрямок або те й інше одночасно.
Для об’єктів із постійною масою закон спрощується до добре відомого рівняння F = ma. Тут сила та прискорення є векторними величинами. Якщо тіло діє результуюча сила, воно прискорюється. Якщо прискорення немає, то результуюча сила відсутня. Цей принцип одна із найважливіших у всій фізиці.
Що відбувається, коли сили стикаються в парі «дія-протидія»
Третій закон Ньютона описує взаємодію між двома тілами. Він встановлює, що на кожну дію існує рівна та протилежно спрямована протидія.
Третій закон Ньютона: дія та протидія на практиці
Третій закон Ньютона стверджує, що сили завжди з’являються парами. Коли тіло A діє тіло B, тіло B діє тіло A з рівною за величиною силою, але у протилежному напрямі. Це закон дії та протидії. Це не просто теоретична абстракція; мова йде про реальні фізичні взаємодії.
Розглянемо книгу, що лежить на столі. Вага книги тисне на поверхню. У відповідь стіл тисне на книгу з ідентичною силою, спрямованою нагору. Чому? Вага книги спричиняє незначну деформацію столу. Цей крихітний стиск перетворює стіл на тимчасову пружину, яка відштовхується від ваги. Ця рівна і протилежна протидія утримує книгу в спокої.
Цей принцип діє як для нерухомих, так і для об’єктів, що рухаються. Якщо існує результуюча сила, об’єкт прискорюється (згідно з другим законом). Якщо сили компенсують одна одну, об’єкт перебуває у рівновазі. Немає прискорення? Немає результуючої сили. Це прямий наслідок.
Від Коперника до наукової революції
Ньютон опублікував ці закони в 1687 році в роботі “Philosophiae Naturalis Principia Mathematica”, або “Принципи”. Але він не будував усе з нуля. Фундамент було закладено у 1543 році, коли Микола Коперник запропонував Сонце, а не Землю, як центр Всесвіту.
Між Коперником і Ньютоном такі постаті, як Галілео Галілей, Йоган Кеплер і Декарт, зруйнували стару арістотелівську картину світу. Вони заклали основу для розуміння геліоцентричного Всесвіту. “Принципи” Ньютона синтезували цю нову науку. Він сформулював свої три закони спеціально для пояснення того, чому орбіти планет є еліпсами, а чи не ідеальними колами. Йому це вдалося. Але наслідки вийшли далеко за межі небесної механіки. Весь цей зсув, від Коперника до Ньютона, ознаменував “Наукову революцію”.
Чому закони Ньютона, як і раніше, важливі
У XX столітті фізика пішла далі. Квантова механіка та теорія відносності стали новими фундаментальними рамками. Закони Ньютона не є остаточною істиною.
Але вони, як і раніше, працюють. Для повсякденних об’єктів та швидкостей Ньютон залишається точним. Винятками є екстремальні випадки: субатомні частинки, такі як електрони або об’єкти, що рухаються зі швидкістю, близькою до швидкості світла. У цих режимах необхідні квантова механіка чи теорія відносності. Для великих тіл і нижчих швидкостей ці нові теорії спрощуються і зводяться до законів Ньютона. Вони не зруйнували старих правил; вони розширили їх.
Так, чи застарів Ньютон? Не зовсім. Просто він обмежений. І для більшості речей, з якими ви стикаєтеся щодня, його закони, як і раніше, вірні.
