В настоящее время среди преподавателей физики, похоже, популярно представлять первый закон Ньютона как определение инерциальных систем отсчета и/или утверждение о том, что такие системы существуют. Это явно современная накладка. Вот оригинальное изложение закона Ньютоном (перевод Мотта):
Закон I. Всякое тело сохраняется в своем состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, если оно не вынуждено изменить это состояние под действием приложенных к нему сил.
Далее текст продолжается:
Снаряды упорствуют в своем движении, пока они не задерживаются сопротивлением воздуха и не толкаются вниз силой тяжести. Вулкан, части которого благодаря своему сцеплению постоянно отклоняются от прямолинейного движения, не прекращает своего вращения иначе, как при торможении воздухом. Большие тела планет и комет, встречая меньшее сопротивление в более свободном пространстве, сохраняют свое движение как поступательное, так и круговое в течение гораздо более длительного времени.
И тогда формулируется второй закон.
Здесь явно нет ничего о системе отсчета. На самом деле дискуссия настолько качественная и нематематическая, что многие современные учителя физики, вероятно, поставили бы на экзамене неправильную оценку.
У меня есть небольшая коллекция старых учебников по физике, и один из наиболее влиятельных с исторической точки зрения — «Элементы физики» Милликена и Гейла, 1927 г. (Милликен написал длинную серию учебников по физике с разными названиями). первый закон, который читается как очень близкий парафраз перевода Мотта. Нет упоминания о системах отсчета, инерциальных или иных.
Уважаемым и влиятельным современным учебником, нацеленным на гораздо более высокий уровень, чем книга Милликена, является «Введение в механику» Клеппнера и Коленкова 1973 года. В К&К есть:
... всегда можно найти систему координат, относительно которой изолированные тела движутся равномерно. [...] Первый закон движения Ньютона - это утверждение о существовании инерциальных систем. Первый закон Ньютона — это отчасти определение и отчасти экспериментальный факт. Изолированные тела движутся равномерно в инерциальных системах в силу определения инерциальной системы. Напротив, существование инерциальных систем — это утверждение о физическом мире. Первый закон Ньютона поднимает ряд вопросов, например, что мы подразумеваем под «изолированным телом», [...]
На эту историческую/образовательную тему есть статья: Галили и Цейтлин, «Первый закон Ньютона: текст, переводы, интерпретации и физическое образование», «Наука и образование», том 12, номер 1, 45–73, DOI: 10.1023/A:1022632600805 . У меня был доступ к нему в свое время, и это казалось очень актуальным. К сожалению, сейчас это платный доступ. В аннотации, которая не является платной, говорится:
Обычно NFL интерпретируется как частный случай: тривиальный вывод из второго закона Ньютона. Некоторые передовые учебники заменяют NFL модернизированным утверждением, которое отказывается от своего первоначального значения.
Вопрос 1 : Кто-нибудь знает больше о том, когда в учебниках начали утверждать, что первый закон был утверждением определения и/или существования инерциальных систем отсчета?
По-видимому, существует несколько возможных интерпретаций первого закона:
А. Ньютон сознательно записал законы движения в стиле аксиоматической системы, возможно, подражая Евклиду. Однако это лишь вопрос стиля. Очевидно, что первый закон является тривиальным выводом из второго закона. Ньютон представил его как отдельный закон лишь для того, чтобы подчеркнуть, что он работает в рамках Галилея, а не средневековой схоластики.
Изложение Б. Ньютоном первого и второго законов логически ущербно, но Ньютон не смог сделать лучше, потому что у него не было понятия инерциальной и неинерциальной систем отсчета. Современные авторы учебников могут сказать Ньютону: «Вот, исправил это для тебя».
C. Невозможно дать логически строгое изложение физики, описываемой первым и вторым законами, поскольку гравитация является дальнодействующей силой, и, как указывает К&К, это вызывает проблемы в определении смысла изолированного тело. Лучшее, что мы можем сделать, это то, что в данной космологической модели, такой как ньютоновская картина бесконечной и однородной Вселенной, полной звезд, мы можем найти некоторую систему отсчета, такую как система «неподвижных звезд», которую мы хотим назвать инерционный. Другие системы отсчета, движущиеся относительно нее по инерции, также являются инерционными. Но это зависит от космологической модели. Эта система впоследствии может оказаться неинерциальной, если, например, мы узнаем, что наша галактика свободно падает во внешнем гравитационном поле, создаваемом другими массами.
Вопрос 2 : Поддерживается ли А лучшими историческими исследователями? В качестве дополнительных баллов кто-нибудь захочет сказать мне, что я идиот, потому что верю в А и С, или защитить какую-то другую интерпретацию по логическим или педагогическим соображениям?
[EDIT] Моя текущая догадка такова. Я думаю, что «Наука механики » Эрнста Маха 1919 года постепенно начала влиять на представление первого закона. Влиятельные учебники, такие как книга Милликена, лишь немного отставали от книги Маха и были нацелены на аудиторию, которая не смогла бы воспринять аргументы Маха. Позже такие тексты, как Клеппнер, которые были нацелены на более элитарную аудиторию, начали включать критику Маха и переформулировку Ньютона. Со временем такие тексты, как Холлидей, нацеленные на менее элитную аудиторию, начали имитировать такие методы лечения, как у Клеппнера.
Я не делал ничего, кроме чтения Ньютона и нескольких комментаторов, поэтому мое понимание этого, вероятно, скудно. Но я уверен, что вы правы в том, что интерпретация первого закона с помощью инерционной системы отсчета является лишь современным постфактум оправданием его отделения от второго закона. Ньютон, конечно, никогда не использовал первый закон для определения инерциальной системы отсчета, он просто предположил, что вы имеете в виду ее, поскольку инерциальные системы не были в центре его исследования.
Я думаю, что формулировки законов движения, к сожалению, больше следуют Аристотелю, чем Евклиду. Поскольку физика больше не считается философией, мы ценим независимость аксиом выше ясности философского толкования, и это делает первый закон излишним. Но если вы формулируете философскую позицию, согласно которой вещи сохраняют свое состояние движения, если на них не действуют, первый закон Ньютона представляет собой точное изложение основ мировой системы.
Обратите внимание, что Ньютон не утверждает, что «тело в линейном движении продолжает двигаться линейно». Он включает и вращательное движение, хотя это и другая идея. Я думаю, что он объединяет их, чтобы зафиксировать философское положение о том, что равномерное движение является естественным состоянием всех объектов. У Аристотеля естественное состояние массивного вещества, такого как «земля», должно быть внизу, в центре вселенной, а легкое вещество, такое как «огонь», должно быть на небесах, что приводит к гравитации и левитации. Ньютон заменяет это понятие другим понятием естественного состояния. Тогда второй закон говорит об отклонениях от естественного состояния и является отдельной философской идеей (хотя и не отдельной аксиомой в математическом смысле).
Влияние Аристотеля (к счастью) уменьшилось на протяжении веков, что сделало законы Ньютона немного анахроничными. Я думаю, что в наши дни нам не нужно быть такими рабскими перед Ньютоном.
Ньютон знал о важности сохранения линейного количества движения и углового момента. Еще один способ понимания и его первый закон можно рассматривать как первичность законов сохранения. Эта точка зрения и ближе к мышлению Ньютона (это то, что делает его «естественные состояния» естественными), и она также лучше соответствует современному пониманию. Поэтому было бы неплохо переформулировать первый закон как «линейный импульс и угловой момент сохраняются».
Все это основано на личных предположениях, а не на серьезных исторических исследованиях, так что относитесь к этому с недоверием.
Анри Пуанкаре (1854–1912) и Пьер Дюэм (1861–1916) утверждали, что закон инерции, сформулированный Ньютоном, является просто постулатом.
Пуанкаре писал в «Науке и гипотезе » (стр. 112–119), обращаясь к тому, как можно вообще узнать, что тело без каких-либо сил продолжает двигаться бесконечно:
Никто никогда не экспериментировал с телом, защищенным от влияния всякой силы, а если и имел, то как мог он знать, что тело было таким образом экранировано?
Сэр Артур Эддингтон утверждал, что закон инерции, сформулированный Ньютоном, является круговым, поэтому он объединяет инерцию для сохранения движения с инерцией для сохранения покоя . В своей «Природе физического мира » Эддингтон резко критикует Первый закон Ньютона (выделено мной ) :
К сожалению, в этом случае [внешних сил, действующих на него] его движение не является равномерным и прямолинейным [как это было бы, если бы применялся 1-й закон]; камень описывает параболу. Если бы вы выдвинули это возражение, вам сказали бы, что снаряд был вынужден изменить свое состояние равномерного движения под действием невидимой силы, называемой гравитацией. Откуда мы знаем, что эта невидимая сила существует? Почему! Потому что, если бы силы не существовало, снаряд двигался бы равномерно и прямолинейно. Учитель играет нечестно. Он настроен на то, чтобы его равномерное движение было прямолинейным, и если мы укажем ему на тела, которые не подчиняются его правилу, он вежливо изобретет новую силу, чтобы объяснить отклонение. Мы можем улучшить его изложение Первого закона движения. На самом деле он имел в виду…Всякое тело продолжает находиться в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, за исключением случаев, когда это не так. «… Предположение о том, что тело действительно хотело идти прямо, но какой-то таинственный агент заставил его идти криво, живописно, но ненаучно .
Я утверждаю, что A, B и C неверны с точки зрения логики (и замечания по педагогике).
Во-первых, А неверно, потому что первый закон не следует из второго закона. Первый закон делает конкретные проверяемые предсказания о том, что в отсутствие результирующей силы движение не изменится. Но второй закон не делает таких заявлений, потому что он возможен (см. «Неединственность в решениях уравнения движения Ньютона» Abhishek Dhar Am. J. Phys. 61, 58 (1993); http://dx.doi.org/10.1119 ). /1.17411 ), чтобы иметь решения которые нарушают первый закон Ньютона. Так что это не лишнее.
Что касается Б, я не вижу логического дефекта в законах Ньютона, он постулирует изоморфизм между решениями дифференциальных уравнений второго порядка и пространственно-временными наблюдениями. Поскольку он объясняет, как вычислять эти решения, это метод предсказания, который можно проверить. И первый закон просто уменьшает допустимые решения, чтобы содержать только те, которые также удовлетворяют неизбыточному первому закону, как указано выше.
Что касается С, если вы внимательно прочитаете первый закон, приведенный вами, вы заметите, что он упоминает силы, множественные силы. Так что он не просто ограничивает себя несуществующими совершенно изолированными телами. Он говорит об особых случаях, когда действующие силы не производят результирующей силы. Он говорит, что если у вас есть очень твердая, очень ровная, очень гладкая поверхность (таким образом, устраняется результирующая сила гравитации и поверхности), а затем вы препятствуете накоплению пыли или ветру, дующему на ваше устройство, тогда оно будет скользить или вращаться с равномерной скоростью. оценивать. Конечно, его проверка никогда не была бы идеальной, поэтому, если бы это был только первый закон, это было бы проблемой, но второй закон позволяет нам ограничить величину отклонений отклонениями от нулевой чистой силы. Но для этого требуется отдельная теория силы, а именно законы силы, которые постулируют определенные силы.
Третий закон совершенно другой, потому что он на самом деле ограничивает, какие виды силовых законов следует учитывать.
Итак, третий закон ограничивает то, какие законы силы вы считаете. Второй закон превращает эти законы силы в предсказания движения, что позволяет проверять законы силы, а не просто исключать их из-за нарушения закона сохранения импульса. Затем первый закон исключает некоторые решения, допускаемые вторым законом.
Есть место для всех трех законов, и все они что-то значат. Может быть, нам следует учить их в обратном порядке, но... и это единственный пункт, где я затрону какую-либо историю: я предполагаю, что порядок, данный Ньютоном, может быть обвинен Ньютоном.
пользователь4552