Относительность движения. Первый закон Ньютона

Точка лопасти винта вертолёта, вертикально опускающегося на землю, движется относительно вертолёта по окружности, а относительно земли — по винтовой линии. Точка обода колеса велосипеда, движущегося по дороге, описывает относительно оси колеса окружность, а относительно дороги — кривую, которая называется циклоидой. Траектория движения одного и того же тела может быть различной в разных системах отсчёта.

Путь равен сумме длин всех участков траектории, пройденных телом за рассматриваемый промежуток времени, поэтому путь тоже относителен. Особенно наглядно это проявляется, когда тело движется в одной системе отсчёта и покоится в другой: пассажир, сидящий в движущемся поезде, проходит определённый путь в системе отсчёта, связанной с землёй, а в системе отсчёта, связанной с поездом, его путь равен нулю.

Звёзды и Солнце перемещаются по небу с востока на запад и за сутки совершают полный оборот вокруг Земли. Поэтому в течение многих столетий считалось, что в центре мира находится неподвижная Земля, а вокруг неё обращаются все небесные тела. Такая система мира называется геоцентрической (греч. «гео» — земля). Во II в. александрийский учёный Клавдий Птолемей составил на её основе таблицы, позволявшие определять положение небесных тел. С ростом точности наблюдений расчёты всё сильнее расходились с наблюдаемыми положениями планет, а поправки делали теорию сложной и запутанной.

В XVI в. польский учёный Николай Коперник изложил гелиоцентрическую систему (греч. «гелиос» — солнце): Земля и другие планеты движутся вокруг Солнца, одновременно вращаясь вокруг своих осей. В гелиоцентрической системе движение небесных тел рассматривается относительно Солнца, в геоцентрической — относительно Земли. Видимое суточное движение Солнца и звёзд, т. е. смена дня и ночи, объясняется вращением Земли вокруг своей оси. Гелиоцентрическая система оказалась гораздо удобнее геоцентрической при решении многих научных и практических задач.

Закон инерции выполняется не во всех системах отсчёта. На тележке, движущейся прямолинейно и равномерно относительно земли, находятся два шарика: один лежит на горизонтальной поверхности, другой подвешен на нити. Силы, действующие на шарики по вертикали, уравновешены, по горизонтали на них никакие силы не действуют. При любой постоянной скорости тележки шарики покоятся относительно неё.

Когда тележка попадает на песчаную насыпь, её скорость быстро уменьшается. Во время торможения оба шарика приходят в движение относительно тележки, хотя никакие силы их не толкают. Следовательно, в системе отсчёта, связанной с тележкой, тормозящей относительно земли, закон инерции не выполняется. Поэтому в современной формулировке первого закона Ньютона указывается, в каких системах отсчёта он справедлив.