3.1. Принцип инерции Галилея
Г. Галилей (1564–1642) справедливо считается основателем физики как науки. Ему мы обязаны развитием современного метода исследований, кратко выражающегося в цепочке: эксперимент => модель (выделение в явлении главных особенностей, то есть применение абстракции) => математическое описание => следствия модели => новый эксперимент для их проверки.
Среди прочих научных достижений, в механике им были введены два основополагающих принципа: принцип инерции и принцип относительности. Принцип инерции Галилея был повторен И. Ньютоном (1643–1727) в качестве первого закона механики.
Первый закон Ньютона гласит:
Существуют такие системы отсчета, в которых всякая материальная точка находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока это состояние не будет изменено воздействием со стороны других тел. Такие системы отсчета принято называть инерциальными.
Ответ на вопрос: «Существуют ли инерциальные системы отсчета или нет?», как всегда, дает эксперимент. По результатам современных измерений гелиоцентрическая система отсчета, в которой неподвижен центр Солнца, и оси которой направлены на неподвижные звезды, является инерциальной. Это означает следующую простую вещь: существующие акселерометры (измерители ускорения) не обнаруживают отклонений от первого закона Ньютона в гелиоцентрической системе отсчета. Покой или равномерное прямолинейное движение — это состояние с равным нулю ускорением, следовательно, если тело, не подверженное воздействиям извне, приобретает ускорение, то это означает, что движение этого тела рассматривается в неинерциальной системе отсчета. Солнечная система совершает финитное движение в пределах нашей галактики (Млечный путь), любое финитное движение есть движение с ускорением, но солнечная система далека от центра галактики — мы периферийные жители — кривизна её траектории ничтожна, наши приборы не обнаруживают ускорений и мы утверждаем, что гелиоцентрическая система отсчета инерциальна. Инерциальная система отсчета — ещё одна идеализация: в точном смысле инерциальных систем отсчета не существует. Естественно предположить, что это обстоятельство было в ряду тех, что подвигли Эйнштейна на создание общей теории относительности, в которой утверждается физическое равноправие всех вообще, а не только инерциальных, систем отсчета, а поля сил инерции эквивалентны гравитационным полям (так называемый «принцип эквивалентности» подробнее речь об этом пойдет позже).
В дальнейшем будет видно, что любая система отсчета, движущаяся поступательно с постоянной по величине и направлению скоростью относительно некоторой инерциальной системы отсчета, также инерциальна. Другими словами, существование одной инерциальной системы отсчета означает существование бесконечно большого числа таких систем.
Свойство тела сохранять состояние покоя или прямолинейного равномерного движения называется инерцией. Сам этот принцип — принцип инерции Галилея (или первый закон Ньютона) — далеко не столь очевиден.
До Галилея думали, что для движения нужна какая-то причина, движущая сила. Даже великий Леонардо да Винчи писал: «Всякое движение стремится к своему сохранению, или же каждое движущееся тело движется постоянно, пока в нем сохраняется действие его двигателя». Удивительно, но туповатый полковник фон Циллергут из книги Я. Гашека «Похождения бравого солдата Швейка», мыслил похоже: нет бензина, не работает двигатель, автомобиль останавливается. После Галилея стала возможной чеканная латинская формулировка Р. Декарта (1596–1650): «Quod in vacuo movetur, semper moveri» (что движется в пустоте, будет двигаться всегда).
Дело в том, что в природе действительно никогда не наблюдаются тела, вечно сохраняющие состояние покоя или прямолинейного равномерного движения. Нужно было проявить ту самую способность строить модели, отбрасывать несущественное, абстрагироваться, чтобы открыть принцип инерции. Изучая основные законы механики, мы идеализируем систему: пренебрегаем силами трения, считаем, что поблизости нет других тел и т. д. И тогда принцип инерции проявляет себя во всей своей красе и силе:
Для равномерного прямолинейного движения не нужно двигателя, движущая сила нужна для изменения такого вида движения тела.
Видео 3.1. Стальной шарик в поле магнита. Эксперимент, показывающий, что для искривления траектории необходима соответствующая внешняя сила.
Дополнительная информация
http://www.plib.ru/library/book/14978.html – Д.В. Сивухин Общий курс физики, том 1, Механика Изд. Наука 1979 г. – стр. 91–97 (§16): обсуждается принцип относительности Галилея, приводится дословное рассуждение самого Галилея!
http://www.gaudeamus.omskcity.com/PDF_library_natural-science_2.html – Киттель Ч., Наит У., Рудерман М. Курс общей физики. Том 1. Механика. Изд. Наука, 1975 г. – стр. 79–88 – описание ультрацентрифуги и оценка ускорений реальных систем отсчета, применяемых в механике.
