Ի՞նչ է Նյուտոնի առաջին օրենքը

Գալիլեյից և Նյուտոնից առաջ շատ մարդիկ կարծում էին, որ առարկաները դանդաղում են իրենց բնական կառուցվածքի պատճառով: Սակայն նրանք հաշվի չէին առնում բազմաթիվ ուժերի առկայությունը մեր Երկիր մոլորակի վրա, որոնք պատճառ են դառնում մարմինների արագությունների փոփոխության: Այդպիսի ուժերից են շփման, ծանրություն և օդի դիմադրության ուժերը։ Եթե մենք կարողանանք դիտարկել առարկաների շարժումը խոր միջաստղային տարածությունում, ապա կկարողանայինք ուսումնասիրել մարմինների բնական շարժումները՝ զերծ լինելով վերոնշյալ արտաքին ազդեցություններից։ Եթե կարողանայինք տեղադրել մարմինը խոր միջաստղային տարածությունում և փոխանցել նրան արագություն, ապա այն կշարժվեր այնքան ժամանակ, մինչև որ չհանդիպեր ինչ–որ ուժերի, որոնք կփոխեին շարժումը։ Նմանապես, միջաստղային տարածությունում եթե տեղադրենք մարմինն ու ապահովենք վերջինիս դադարի վիճակը, ապա այն կմնա այդպես այնքան ժամանակ, մինչև ինչ–որ ուժ չազդի իր վրա:

Ներքևում բերված հոլովակում կարող ենք տեսնել, որ միջազգային տիեզերական կայանում մարմինները կա՛մ մնում են դադարի վիճակում, կա՛մ շարունակում են շարժվել ուղղագիծ հավասարաչափ տիեզերական կայանի նկատմամբ, մինչև որ այլ ուժեր նրանց վրա չեն ազդում:

Նյուտոնի առաջին օրենքի հիմքում ընկած է այն գաղափարը, որ մարմինները փոխում են իրենց արագությունը միայն իրենց վրա ազդող ուժի պատճառով:

Նյուտոնի առաջին օրենքը: Մարմինը պահպանում է դադարի կամ ուղղագիծ հավասարաչափ շարժման վիճակը, եթե նրա վրա չի ազդում արտաքին համազոր ուժ։

Նկատի ունեցեք, որ բայի վերաօգտագործումը մնում է: Մենք կարող ենք մտածել այս օրենքի մասին՝ որպես շարժման ստատուս-քվոյի պահպանում: Նյուտոնի առաջին օրենքն ասում է, որ պետք է լինի պատճառ, արտաքին համազոր ուժ, որպեսզի արագության որևէ փոփոխություն՝ կա՛մ մեծության, կա՛մ ուղղության, տեղի ունենա: Սեղանի կամ հատակի վրա սահող առարկան դանդաղում է մարմնի վրա ազդող շփման համազոր ուժի պատճառով: Սակայն օդային հոկեյի սեղանի վրա, որտեղ օդը թույլ չի տալիս, որ գնդակը դիպչի սեղանին, օդային հոկեյի գնդակը շարունակում է շարժվել մոտավորապես հաստատուն արագությամբ, մինչև ինչ որ ուժ կազդի վրան, օրինակ՝ երբ այն բախվում է սեղանի եզրին:

Ուժը– մարմնի վրա այլ մարմինների ազդեցության քանակական չափն է։ Սովորաբար նշանակում ենք $F$‍ տառով, իսկ չափման միավորը նյուտոնն է կամ կրճատ $\text{Ն}$‍:

Արտաքին ուժը համակարգի մարմինների վրա ազդող ուժն է, ոչ թե համակարգին չպատկանող մարմինների ներքին ուժերը: Օրինակ՝ Երկրի ձգողության ուժը, որով Երկիրն ազդում է Լուսնի վրա, արտաքին ուժ է Լուսնի համար: Սակայն այն գրավիտացիոն ուժը, որով Լուսնի ներքին միջուկն ազդում է իր արտաքին կեղևի վրա, հանդես է գալիս որպես ներքին ուժ: Ներքին ուժերը չեն կարող փոփոխություններ առաջացնել մարմնի ընդհանուր շարժման վրա:

Ուժերի համազոր– մաիմնի վրա ազդող բոլոր ուժերի վեկտորական գումարը, որը մարմնի վրա թողնում է նույն ազդեցությունը ինչ որ մարմնի վրա ազդող բոլոր ուժերը միասին։ Նշանակվում է $\mathrm{\Sigma }F$‍ տառով։ Կարևոր է նաև որպեսզի հիշենք, որ ուժը $F$‍ վեկտորական մեծություն է և, հետևաբար, $\mathrm{\Sigma }F$‍–ը նույնպես վեկտորական մեծություն է։

Դիտարկենք մի այսպիսի օրինակ. եթե փայտե չորսուի վրա աջ կողմից ազդում է 45 Ն ուժ, իսկ ձախ կողմից՝ 30 Ն, ապա համազոր ուժը հավասար է.

Նյուտոնի առաջին օրենքն ասում է, որ եթե մարմնի վրա ազդող համազոր ուժը հավասար է 0 ($\mathrm{\Sigma }F=0$‍), ապա նրա արագացումը հավասար է 0։ Սա չի նշանակում, որ մարմինը հավասարակշռվածության վիճակում է, այլ նշանակում է, որ մարմինը պահպանում է կա՛մ իր դադարի վիճակը, կա՛մ շարժվում է ուղղագիծ հավասարաչափ։

Եկեք կրկին դիտարկենք փայտե չորսուի օրինակը։ Եթե վերջինիս վրա ազդում են և՛ աջ, և՛ ձախ կողմերից հավասար ուժեր, ասենք՝ 45 Ն, ապա համազորը հավասար կլինի զրոյի։ Իսկ ըստ Նյուտոնի առաջին օրենքի՝ չորսուն կա՛մ կպահպանի իր դադարի վիճակը (եթե նախապես այն չէր շարժվում), կա՛մ կշարունակի շարժվել ուղղագիծ հավասարաչափ (եթե այն ի սկզբանե շարժվում էր)։

Իներտությունը մարմնի այն հատկությունն է, երբ վերջինս փորձում է պահպանել իր դադարի վիճակը կամ ուղղագիծ հավասարաչափ շարժումը։ Նյուտոնի առաջին օրենքը հաճախ անվանում են նաև իներցիայի օրենք։ Բազմաթիվ փորձերից մենք պարզել ենք, որ որոշ մարմիններ ավելի իներտ են, քան մյուսները: Ակնհայտ է, որ ավելի դժվար է կանգնեցնել մեքենան, քան գնդակը:

Մարմնի իներտության քանակական չափը ցույց տվող ֆիզիկական մեծությունը զանգվածն է: Զանգվածը կարելի է որոշել չափելով, թե որքան դժվար է մարմինն արագանում: Որքան մեծ է մարմնի զանգվածը, այնքան ավելի դժվար է հաղորդել արագացում:

Կոպիտ ասած, որքան շատ նյութ է պարունակում այս կամ այն մարմինը, այնքան մեծ է նրա զանգվածը և համապատասխանաբար այդքան ավելի դժվար է նրան արագացում հաղորդելը:

Տիեզերական արբանյակը ընթանում է դեպի աջ, խոր միջաստղային տարածությունում հաստատուն ​​արագությամբ՝ հեռու մոլորակների և աստղերի ազդեցությունից՝ անջատված հրթիռներով: Եթե ​​երկու հրթիռային շարժիչները միացնենք միաժամանակ և կիրառենք հավասարաչափ ուժեր դեպի ձախ և աջ, ինչպես պատկերված է, ապա ի՞նչ է լինելու հրթիռի շարժման հետ:

ա. Տիեզերական արբանյակը կշարունակի շարժվել հաստատուն ​​արագությամբ։
բ. Տիեզերական արբանյակը կարագանա։
գ. Տիեզերական արբանյակը կսկսի դանդաղել և ի վերջո կկանգնի։
դ. Տիեզերական արբանյակն անմիջապես կկանգնի։

Ճիշտ պատասխանն է՝ ա. Նյուտոնի առաջին օրենքի համաձայն՝ մարմնի արագությունը փոխելու համար պահանջվում է, որ համազոր ուժը հավասար չլինի զրոյի։ Տիեզերական արբանյակի վրա համազոր ուժը զրո է, քանի որ կիրառված ուժերը հավասարակշռում են միմյանց, ուստի արբանյակի արագությունը չի փոխվում:

Լարը բարձրացնում է վերելակը հաստատուն ​​արագությամբ, ինչպես ցույց է տրված ստորև պատկերված նկարում: Մինչ վերելակը շարժվում է դեպի վեր հաստատուն արագությամբ, վերելակի վրա ինչպիսի՞ն է դեպի վեր ուղղված ուժի մեծությունը ՝ $F_{լ}$‍, ծանրության ուժի $F_{ծ}$‍ մեծության հետ համեմատած։

ա. $F_{լ}$‍-ն ավելի մեծ է, քան $F_{ծ}$‍-ն։
բ. $F_{լ}$‍-ը հավասար է $F_{ծ}$‍-ին։
գ. $F_{լ}$‍-ը ավելի փոքր է, քան $F_{ծ}$‍-ն։
դ. $F_{լ}$‍-ը կարող է լինել ավելի մեծ կամ փոքր, քան $F_{ծ}$‍-ն՝ կախված վերելակի զանգվածից։

Ճիշտ պատասխանը բ–ն է։ Եթե ​​վերելակը շարժվում է հաստատուն ​​արագությամբ, ապա համազոր ուժը պետք է լինի զրո: Որպեսզի վերելակի համազոր ուժը զրո լինի, վերելակի վրա դեպի վեր ու վար ազդող ուժերը պետք է միմյանց համակշռեն:

Տիեզերական հրթիռն ընթանում է դեպի աջ հաստատուն ​​արագությամբ՝ խոր միջաստղային տարածությունում հեռու մոլորակների և աստղերի ազդեցությունից: Նրա շարժիչը միացվում է, ապա անջատվում, որը նշված ուղղությամբ կարճատև ուժի ազդեցություն է թողնում հրթիռի վրա, ի՞նչն ամենալավը կնկարագրի հրթիռի հետագիծը շարժիչն անջատելուց հետո:

ա. Հետագիծ a
բ. Հետագիծ b
գ. Հետագիծ c
դ. Հետագիծ d

Պատասխան՝ գ. Հրթիռի շարժիչը անջատելուց հետո արբանյակի վրա համազոր ուժ չի ազդում: Երբ համազոր ուժը զրո է, արագության մեծությունը և ուղղությունը պետք է մնան նույնը: Ըստ Նյուտոնի առաջին օրենքի՝ արբանյակը շարժվում է ուղղագիծ հավասարաչափ: Արբանյակի վրա կիրառված ուղղաձիգ ուժը չի ազդում վերջինիս հորիզոնական արագության վրա, հետևապես նա փոխում է միայն ուղղաձիգով ուղղված արագությունը: Եթե արագության հորիզոնական և ուղղաձիգ բաղադրիչները շարժման ընթացքում հաստատուն են, ապա մարմնի շարժման հետագիծը կանցնի դրանց համազորի երկայնքով, և կլինի ուղիղ գիծ: