Прочитавши попередній параграф, уважний читач, імовірно, дорікне авторові. Чому при розгляді закону інерції ніде не було сказано про систему відліку — адже без цього розмова про швидкість руху втрачає сенс! Безглуздим стає й поняття прямолінійного руху: тіло може рухатися відносно одного тіла відліку (наприклад, Землі) рівномірно і прямолінійно, відносно ж іншого тіла відліку (наприклад, Сонця) — криволінійно.
Читач має рацію. Доти, доки ми не фіксували систему відліку, все сказане в попередньому параграфі залишається беззмістовним. Що думав із цього приводу сам Ньютон, формулюючи закон інерції?
Якщо Галілей вважав, що всі закони руху тіл справедливі в системі відліку, пов'язаній із Сонцем (тобто в системі Коперника), то Ньютон обрав інший шлях. Він припускав, що, незалежно від існування й руху матеріальних тіл у просторі, останній завжди залишається подібним до себе й нерухомим. Рух тіла відносно цього нерухомого, так званого абсолютного простору Ньютон називав абсолютним рухом. Запровадження поняття простору стало значним узагальненням з боку Ньютона. В античні часи й у середньовіччі не знали жодного слова, яке позначало б фізичний простір у тому сенсі, як ми розуміємо це тепер. Слово «Spatium» означало в давньому Римі тільки «кімната» і «проміжок». Ньютон уперше у своїй праці «Математичні начала натуральної філософії» (виданій латинською мовою) надав слову «spatium» значення фізичного абсолютного простору. Формулюючи своє вчення, Ньютон завжди мав на увазі рух в абсолютному просторі. Таким чином, закон інерції, строго кажучи, має звучати так. Кожне тіло перебуває в стані спокою або рівномірного прямолінійного руху в абсолютному просторі доти, доки сили, що діють на нього, не змусять його змінити цей стан.
Другий закон Ньютона також потрібно сформулювати так, щоб було підкреслено абсолютний простір як систему відліку. Прискорення тіла в абсолютному просторі пропорційне силі, що діє на нього.
Якщо, наприклад, сила, що діє на тіло, подвоїться, то подвоїться й прискорення тіла в абсолютному просторі. Якщо сила, що діє на тіло, обернеться на нуль, то стане рівним нулю й прискорення в абсолютному просторі — тіло почне рухатися з постійною швидкістю.
Ньютон вважав абсолютним і час. Він писав: «Абсолютний, істинний математичний час сам по собі й за самою своєю суттю, без будь-якого відношення до чого-небудь зовнішнього, плине рівномірно й інакше називається тривалістю».
Ньютон вивчав рух тіл у системі відліку, яку утворюють абсолютний простір і абсолютний час. Назвімо цю систему абсолютною системою відліку. Ньютон гадав, що, хоча рух тіла можна описати в будь-якій системі відліку, все ж кожному тілу притаманний свій особливий істинний рух — це рух в абсолютній системі відліку. Тим самим він стверджував, що з усіх можливих систем відліку слід віддати перевагу одній, а саме: абсолютному простору й абсолютному часу.
Припустімо на хвилину, що абсолютний простір і абсолютний час справді існують. Це означає, що існує простір, де всі вільні тіла рухаються рівномірно і прямолінійно (закон інерції).
Уявімо тепер, що ми перебуваємо в літаку, який летить в абсолютному просторі рівномірно і прямолінійно зі швидкістю, скажімо, 700 км/год. Нехай поблизу нього летить куля так само рівномірно і прямолінійно зі швидкістю 750 км/год. Для простоти міркування припустімо, що напрямки руху літака й кулі збігаються. Спостерігаючи за рухом кулі з літака, ми можемо встановити, що її швидкість відносно літака становить 50 км/год і, що вельми істотно, куля рухається відносно літака рівномірно і прямолінійно. У пов'язаній із літаком системі відліку рух кулі також буде рівномірним і прямолінійним, як і в абсолютному просторі.
Інерціальний характер руху кулі не залежить від того, чи рухається літак у тому самому напрямку, що й куля, чи ні; не мають також значення й величини швидкостей. Істотно лише те, що в абсолютному просторі і літак, і куля рухаються рівномірно і прямолінійно; тоді куля рухатиметься відносно літака теж рівномірно і прямолінійно.
Уявімо тепер нескінченну кількість літаків в абсолютному просторі, що летять рівномірно й прямолінійно (величини швидкостей і напрямки руху можуть бути будь-якими), і пов'яжімо з кожним літаком систему відліку. Отримаємо нескінченну кількість систем відліку, кожну з яких можна використати для опису руху кулі. У різних системах швидкість кулі різна, але в усіх них вона рухається прямолінійно і рівномірно, як і в абсолютному просторі. Саме це й важливо для нас. У першому законі Ньютона нічого не говориться про величину швидкості, говориться лише про рівномірний і прямолінійний характер руху. Звідси випливає, що, якщо перший закон Ньютона має місце в абсолютній системі відліку, він буде дійсним і в будь-якій іншій системі відліку, яка рухається відносно абсолютного простору рівномірно і прямолінійно.
Аналогічно стоїть справа і з другим законом Ньютона, в якому говориться лише про прискорення, але не про швидкість. Оскільки всі уявні літаки в абсолютному просторі рухаються рівномірно і прямолінійно (тобто з прискореннями, що дорівнюють нулю), то прискорення тіла відносно будь-якого літака буде точно таким самим, як прискорення відносно абсолютного простору. Отже, якщо другий закон Ньютона дійсний в абсолютній системі відліку, то він буде правильним і в будь-якій іншій системі відліку, що рухається відносно абсолютного простору рівномірно і прямолінійно.
Формулюючи закони руху, Ньютон мав на увазі рух лише стосовно абсолютного простору. Насправді ж ці закони придатні в усіх системах відліку, які рухаються відносно абсолютного простору рівномірно і прямолінійно.
Усі системи відліку, в яких справедливі закони Ньютона, ми надалі називатимемо інерціальними системами. Іншими словами, інерціальні системи— це системи відліку, де всі вільні тіла рухаються без прискорення. Оскільки закони Ньютона справедливі для абсолютного простору, то й абсолютний простір сам слід вважати однією з інерціальних систем.
У системах відліку, які рухаються відносно абсолютного простору з прискоренням, закони Ньютона не виконуються. У повсякденному житті ми давно до цього звикли. Ми добре знаємо, що під час раптової зупинки потяга відчувається поштовх. Коли потяг зупиняється, його рух відносно абсолютного простору не є рівномірним, потяг перестає бути інерціальною системою, і ми це відчуваємо. Раптовий поштовх є не що інше, як прискорений рух, який відбувся без дії реальної сили. Сила тертя об підлогу вагона в цьому разі не має визначального значення, вона лише допомагає нам встановити рівновагу. Як бачимо, в неінерціальній системі прискорені рухи відбуваються також за відсутності сили. У таких системах другий закон Ньютона не застосовний. У неінерціальних системах не дотримується і перший закон Ньютона, бо в них вільні тіла рухаються з прискореннями.
Вважаючи закони Ньютона істинними законами природи, ми тим самим ставимо інерціальні системи в переважне становище порівняно з рештою систем. Це означає, що правильною є лише картина руху в інерціальних системах відліку.
Читач має рацію. Доти, доки ми не фіксували систему відліку, все сказане в попередньому параграфі залишається беззмістовним. Що думав із цього приводу сам Ньютон, формулюючи закон інерції?
Якщо Галілей вважав, що всі закони руху тіл справедливі в системі відліку, пов'язаній із Сонцем (тобто в системі Коперника), то Ньютон обрав інший шлях. Він припускав, що, незалежно від існування й руху матеріальних тіл у просторі, останній завжди залишається подібним до себе й нерухомим. Рух тіла відносно цього нерухомого, так званого абсолютного простору Ньютон називав абсолютним рухом. Запровадження поняття простору стало значним узагальненням з боку Ньютона. В античні часи й у середньовіччі не знали жодного слова, яке позначало б фізичний простір у тому сенсі, як ми розуміємо це тепер. Слово «Spatium» означало в давньому Римі тільки «кімната» і «проміжок». Ньютон уперше у своїй праці «Математичні начала натуральної філософії» (виданій латинською мовою) надав слову «spatium» значення фізичного абсолютного простору. Формулюючи своє вчення, Ньютон завжди мав на увазі рух в абсолютному просторі. Таким чином, закон інерції, строго кажучи, має звучати так. Кожне тіло перебуває в стані спокою або рівномірного прямолінійного руху в абсолютному просторі доти, доки сили, що діють на нього, не змусять його змінити цей стан.
Другий закон Ньютона також потрібно сформулювати так, щоб було підкреслено абсолютний простір як систему відліку. Прискорення тіла в абсолютному просторі пропорційне силі, що діє на нього.
Якщо, наприклад, сила, що діє на тіло, подвоїться, то подвоїться й прискорення тіла в абсолютному просторі. Якщо сила, що діє на тіло, обернеться на нуль, то стане рівним нулю й прискорення в абсолютному просторі — тіло почне рухатися з постійною швидкістю.
Ньютон вважав абсолютним і час. Він писав: «Абсолютний, істинний математичний час сам по собі й за самою своєю суттю, без будь-якого відношення до чого-небудь зовнішнього, плине рівномірно й інакше називається тривалістю».
Ньютон вивчав рух тіл у системі відліку, яку утворюють абсолютний простір і абсолютний час. Назвімо цю систему абсолютною системою відліку. Ньютон гадав, що, хоча рух тіла можна описати в будь-якій системі відліку, все ж кожному тілу притаманний свій особливий істинний рух — це рух в абсолютній системі відліку. Тим самим він стверджував, що з усіх можливих систем відліку слід віддати перевагу одній, а саме: абсолютному простору й абсолютному часу.
Припустімо на хвилину, що абсолютний простір і абсолютний час справді існують. Це означає, що існує простір, де всі вільні тіла рухаються рівномірно і прямолінійно (закон інерції).
Уявімо тепер, що ми перебуваємо в літаку, який летить в абсолютному просторі рівномірно і прямолінійно зі швидкістю, скажімо, 700 км/год. Нехай поблизу нього летить куля так само рівномірно і прямолінійно зі швидкістю 750 км/год. Для простоти міркування припустімо, що напрямки руху літака й кулі збігаються. Спостерігаючи за рухом кулі з літака, ми можемо встановити, що її швидкість відносно літака становить 50 км/год і, що вельми істотно, куля рухається відносно літака рівномірно і прямолінійно. У пов'язаній із літаком системі відліку рух кулі також буде рівномірним і прямолінійним, як і в абсолютному просторі.
Інерціальний характер руху кулі не залежить від того, чи рухається літак у тому самому напрямку, що й куля, чи ні; не мають також значення й величини швидкостей. Істотно лише те, що в абсолютному просторі і літак, і куля рухаються рівномірно і прямолінійно; тоді куля рухатиметься відносно літака теж рівномірно і прямолінійно.
Уявімо тепер нескінченну кількість літаків в абсолютному просторі, що летять рівномірно й прямолінійно (величини швидкостей і напрямки руху можуть бути будь-якими), і пов'яжімо з кожним літаком систему відліку. Отримаємо нескінченну кількість систем відліку, кожну з яких можна використати для опису руху кулі. У різних системах швидкість кулі різна, але в усіх них вона рухається прямолінійно і рівномірно, як і в абсолютному просторі. Саме це й важливо для нас. У першому законі Ньютона нічого не говориться про величину швидкості, говориться лише про рівномірний і прямолінійний характер руху. Звідси випливає, що, якщо перший закон Ньютона має місце в абсолютній системі відліку, він буде дійсним і в будь-якій іншій системі відліку, яка рухається відносно абсолютного простору рівномірно і прямолінійно.
Аналогічно стоїть справа і з другим законом Ньютона, в якому говориться лише про прискорення, але не про швидкість. Оскільки всі уявні літаки в абсолютному просторі рухаються рівномірно і прямолінійно (тобто з прискореннями, що дорівнюють нулю), то прискорення тіла відносно будь-якого літака буде точно таким самим, як прискорення відносно абсолютного простору. Отже, якщо другий закон Ньютона дійсний в абсолютній системі відліку, то він буде правильним і в будь-якій іншій системі відліку, що рухається відносно абсолютного простору рівномірно і прямолінійно.
Формулюючи закони руху, Ньютон мав на увазі рух лише стосовно абсолютного простору. Насправді ж ці закони придатні в усіх системах відліку, які рухаються відносно абсолютного простору рівномірно і прямолінійно.
Усі системи відліку, в яких справедливі закони Ньютона, ми надалі називатимемо інерціальними системами. Іншими словами, інерціальні системи— це системи відліку, де всі вільні тіла рухаються без прискорення. Оскільки закони Ньютона справедливі для абсолютного простору, то й абсолютний простір сам слід вважати однією з інерціальних систем.
У системах відліку, які рухаються відносно абсолютного простору з прискоренням, закони Ньютона не виконуються. У повсякденному житті ми давно до цього звикли. Ми добре знаємо, що під час раптової зупинки потяга відчувається поштовх. Коли потяг зупиняється, його рух відносно абсолютного простору не є рівномірним, потяг перестає бути інерціальною системою, і ми це відчуваємо. Раптовий поштовх є не що інше, як прискорений рух, який відбувся без дії реальної сили. Сила тертя об підлогу вагона в цьому разі не має визначального значення, вона лише допомагає нам встановити рівновагу. Як бачимо, в неінерціальній системі прискорені рухи відбуваються також за відсутності сили. У таких системах другий закон Ньютона не застосовний. У неінерціальних системах не дотримується і перший закон Ньютона, бо в них вільні тіла рухаються з прискореннями.
Вважаючи закони Ньютона істинними законами природи, ми тим самим ставимо інерціальні системи в переважне становище порівняно з рештою систем. Це означає, що правильною є лише картина руху в інерціальних системах відліку.