Законы движения Ньютона
Законы движения классической физики были изложены Исааком Ньютоном в первых главах его величайшего труда «Математические начала натуральной философии». Основополагающий принцип содержится во втором законе Ньютона, который утверждает следующее: чтобы сообщить телу определенной массы некоторое ускорение, требуется сила, пропорциональная произведению массы на ускорение. Чтобы понять смысл этого закона, нам следует выяснить, что такое ускорение, масса и сила.
Ускорение характеризует быстроту изменения скорости. Иными словами, так как скорость равна отношению расстояния, пройденного движущимся телом, к времени, в течение которого оно находилось в движении, то ускорение равно отношению изменения скорости ускоряемого тела к времени, в течение которого происходило ускорение. Поэтому единицы, в которых измеряется ускорение, соответствуют единицам скорости, деленным на время, или единицам расстояния, деленным на время и еще раз на время. Например, тела свободно падают вблизи поверхности Земли с ускорением 9,8 м/с2. Это означает, что по прошествии первой секунды брошенное вниз тело падает в вакууме со скоростью 9,8 м в секунду, по прошествии двух секунд оно имеет скорость 19,6 м в секунду.
Масса тела — это количество вещества, которое содержит тело независимо от его формы, размера или химического состава. Конечно, такое определение крайне неточно, однако некоторая неточность здесь неизбежна, ибо в классической физике не существует более фундаментальных понятий, через которые можно было бы определить массу. Данное определение можно несколько уточнить, указав, что, когда тела соединяются — и если они не изменяют друг друга, — масса полученного набора тел равна сумме масс отдельных тел. Поэтому довольно часто мы можем вычислить массу сложной системы, просто суммируя массы составляющих ее частей. В качестве единицы массы в науке принято использовать грамм (г); первоначально эта единица была определена как масса одного кубического сантиметра (1 см3) чистой воды при нормальном атмосферном давлении и температуре 4°С. Один килограмм (кг) равен 1000 граммов; один миллиграмм (мг) равен 0,001 грамма. Начиная с 1875 г. 1 кг был определен как масса платиново-иридиевого стержня, хранящегося в Международном бюро мер и весов, расположенном в Севре близ Парижа, а 1 г с того Бремени определяется как 0,001 кг.
Сила характеризует толкающее или тянущее усилие независимо от продолжительности его воздействия или характера и природы тела, на которое оно действует. Это, однако, также чрезвычайно неточное определение. Мы можем несколько уточнить его, указав, что две силы равны между собой, если тело, на которое они действуют в противоположных направлениях, остается в покое, и что если на тело действует в одном и том же направлении несколько равных по величине сил, то результирующая сила, действующая на тело, равна по величине этой силе, умноженной на число действующих сил. За единицу силы можно было бы принять силу, создаваемую стандартной пружиной, растянутой до определенной длины. В таком случае — поскольку между единицами измерения силы, массы и ускорения нет никакой связи — второй закон Ньютона можно сформулировать, как это и было сделано выше, в виде следующего утверждения: сила, требуемая для того, чтобы сообщить телу определенное ускорение, просто пропорциональна произведению массы тела на его ускорение.
