Какво гласи първият закон на Нютон?

Преди Галилей и Нютон много хора са мислели, че обектите се забавят, защото това е тяхно естествено поведение. Но тези хора не са взели предвид многото сили – например триене, гравитация и въздушно съпротивление – тук на Земята, които карат обектите да променят скоростта си. Ако можем да наблюдаваме движението на обект в дълбокото междузвездно пространство, ще можем да наблюдаваме естествените тенденции на движението на даден обект без никакви външни влияния. В дълбокото междузвездно пространство ще забележим, че ако даден обект има скорост, той ще продължи да се движи с тази скорост, докато не се появи някоя сила, която да предизвика промяна в движението. По същия начин, ако даден обект е бил в покой в междузвездното пространство, той ще остане в покой, докато не се появи сила, която да го изведе от това състояние.

Във видеото по-долу можем да видим, че обектите в международната космическа станция или остават в покой, или продължават с постоянна скорост спрямо космическата станция, докато не им подейства сила.

Идеята, че обектите променят скоростите си само под въздействието на сили е формулирана в Първия закон на Нютон.

Първи закон на Нютон: Обект в покой остава в покой, а ако е в движение, остава в движение със същата скорост, освен ако не му въздейства външна сила.

Обърни внимание на многократното използване на глагола 'остава'. Можем да мислим за този закон като запазване на статуквото на движението. Първият закон за движение на Нютон гласи, че трябва да има причина – която е външна сила – за да има промяна в скоростта, било то на големината или посоката ѝ. Обект, плъзгащ се по маса или пода, се забавя поради силата на триене, която действа върху обекта. Но на масата за въздушен хокей, където въздухът не позволява на шайбата да се докосва до масата, шайбата за въздушен хокей продължава да се движи с приблизително постоянна скорост, докато сила не ѝ въздейства – например ако се удари в масата.

Сила е привличане или отблъскване на обект от друг обект. Мерната единица за сила $F$‍ се нарича "нютон" и се бележи с $\text{N}$‍.

Външна сила е сила, източникът на която е друг, външен обект, а не самият обект. Например силата на гравитацията, която Земята упражнява върху Луната, е външна сила за Луната. Силата на гравитацията обаче, която вътрешното ядро на Луната упражнява върху външната кора на Луната, е вътрешна сила за Луната. Вътрешните сили в даден обект не могат да причинят промяна в цялостното движение на обекта.

Сумарната сила, записвана като $\mathrm{\Sigma }F$‍, върху тяло е общата сила върху тялото. Ако върху тялото действат много сили, тогава сумарната сила е сумата на всички сили. Но внимавай – тъй като $F$‍ е вектор, за намиране на сумарната сила $\mathrm{\Sigma }F$‍ силите трябва да бъдат събрани като вектори, използвайки векторно събиране.

С други думи, ако върху една кутия със замразено бурито е приложена сила с големина 45 нютона с посока надясно и друга сила с големина 30 нютона с посока наляво, общата(сумарната) сила в хоризонтална посока би била:

Първият закон на Нютон гласи, че ако сумарната сила върху даден обект е нула ($\mathrm{\Sigma }F=0$‍), тогава този обект ще има нулево ускорение. Това не означава непременно, че обектът е в покой, но означава, че скоростта е постоянна. С други думи, постоянна нулева скорост – обектът е в покой, постоянна ненулева скорост – обектът се движи с постоянна скорост.

За кутията със замразено бурито, ако силата надясно има големина 45 нютона и силата наляво има големина 45 нютона, сумарната сила ще бъде нула. Кутията с бурито ще продължи да се движи с постоянна скорост, ако преди да бъдат приложени силите е имала ненулева скорост, или ще остане в покой – ако е била в покой, преди да се приложат силите.

Свойството на тяло да остава в покой или да продължава да се движи с постоянна скорост се нарича инерция. Първият закон на Нютон често се нарича закон за инерцията. Както знаем от опит, някои обекти имат по-голяма инерция от други. Очевидно е по-трудно да се промени движението на голям камък, отколкото на баскетболна топка.

Инерцията на даден обект се измерва с неговата маса. Масата може да бъде определена, като измерим колко трудно е обектът да бъде ускорен. Колкото по-голяма маса има обектът, толкова по-трудно е да бъде ускорен.

Също така, грубо казано колкото повече "неща" – или материя – има в нещо, толкова повече маса ще има и толкова по-трудно ще бъде да се промени скоростта му, т.е. да се ускори.

Космическа сонда се носи надясно с постоянна скорост в дълбокото междузвездното пространство – далеч от всякакво влияние на планети и звезди – с изключени двигатели. Ако за кратко едновременно се включат и изключат два ракетни двигателя, които упражняват сили наляво и надясно, в показаните посоки, какво ще се случи с движението на сондата?

a. Сондата ще продължи с постоянна скорост.
b. Сондата ще ускори.
c. Сондата ще забави и накрая ще спре.
d. Сондата ще спре незабавно.

Правилният отговор е a. Според първия закон на Нютон е необходима ненулева сумарна сила, за да се промени скоростта на даден обект. Сумарната сила върху космическата сонда е нула, тъй като силите върху нея се компенсират, така че няма промяна в скоростта на сондата.

Асансьор бива изтеглян нагоре с постоянна скорост от кабел, както е показано на графиката по-долу. Докато асансьорът се движи нагоре с постоянна скорост, каква е големината на силата $F_c$‍ нагоре, упражнявана върху асансьора от кабела, сравнена с големината на силата на гравитацията надолу – $F_g$‍ – върху асансьора?

a. $F_c$‍ е по-голяма от $F_g$‍.
b. $F_c$‍ е равна на $F_g$‍.
c. $F_c$‍ е по-малка от $F_g$‍.
d. $F_c$‍ може да е както по-малка, така и по-голяма от $F_g$‍, в зависимост от масата на асансьора.

Правилният отговор е б. Ако асансьорът се движи с постоянна скорост, сумарната сила трябва да е нула. За да бъде сумарната сила върху асансьора нула, силите нагоре и надолу трябва да се компенсират точно.

Космическа сонда се носи надясно с постоянна скорост в дълбокото междузвездно пространство – далеч от всякакво влияние на планети и звезди. Ако се включи и изключи ракетен двигател за кратко със сила надолу, как ще изглежда пътят на сондата, след като двигателят се изключи?

a. Път a
б. Път б
в. Път в
г. Път г

Правилният отговор е в. След като двигателят се изключи, няма да има никаква сила върху космическата сонда. След като сумарната сила е нула, скоростта – както големината, така и посоката ѝ – трябва да бъде постоянна. Поради първия закон на Нютон, космическата сонда се движи по права линия с постоянна скорост. Фактът, че е имало вертикална сила върху космическата сонда, не влияе на хоризонталната скорост на сондата, тя променя само вертикалната скорост. Постоянната вертикална и хоризонтална скорост дава диагонална права линия през пространството.