החוק הראשון של ניוטון

החוק הראשון של ניוטון הנקרא גם חוק ההתמדה, קובע:כל גוף יתמיד במצבו יישאר במנוחה או ימשיך לנוע
בתנועה שוות מהירות ובקו ישר כל עוד לא פועל עליו כוח חיצוני.

בחלק הדן בסטטיקה כבר ראינו כי על גוף הנמצא במנוחה או במצב של שיווי-משקל פועלים כוחות בסכום אפס. למשל, כוח-הכבידה של כדור-הארץ גורם לכל גוף בקרבתו לנוע אל עבר מרכזו. אך תנועת הגוף יכולה להיעצר והגוף יכול להיות במצב של מנוחה או במצב של שיווי-משקל אם קיים כוח נגדי המבטל את השפעת כוח הכבידה. הכוח הנגדי יכול להיות במתיחות חוט המחזיק את הגוף באוויר, בלחץ הנגדי שמפעיל משטח השולחן וכו.

במערכת הנמצאת בשיווי-משקל כל גוף מתמיד במצבו. לכן, מערכת הנמצאת בשיווי-משקל נקראת גם בשם מערכת אינרציאלית (אינרציה – התמדה בלעז). במערכת אינרציאלית סכום ווקטורי הכוחות הפועלים על כל גוף במערכת הוא אפס.

ΣF = 0

בחלק הדן בקינמטיקה כבר ראינו כיצד כוח-הכבידה של כדור-הארץ גורם לגוף לשנות את מהירות תנועתו. דוגמאות לכך ניתן למצוא בסוגי הנפילה והזריקה השונים. לולא כוח-הכבידה של כדור-הארץ, בחלל-החיצון למשל, היה גוף הנע במהירות מסוימת שומר על עוצמת מהירותו ועל כיוונה.

בבואנו לקבוע את מהירותו של גוף עלינו לבחור מערכת ייחוס כלשהי שבה היא נמדדת. למשל, כדור-הארץ משמש ברוב המקרים כמערכת הייחוס לגופים הנעים על פניו. אך לא חובה לבחור בכדור-הארץ כמערכת ייחוס. למשל, נוסעי האוטובוס יכולים לבחור באוטובוס בו הם נוסעים כמערכת ייחוס. במקרה זה לפי הנוסעים הם עצמם נמצאים במנוחה ואילו כל הגופים שמחוץ לאוטובוס נמצאים בתנועה (אלא אם הם נעים באותו ווקטור מהירות של האוטובוס).

למרות שניתן לבחור מערכת ייחוס כרצוננו, עדיין קיים הבדל בין מערכות ייחוס שונות. מערכות הייחוס מתחלקות למערכת ייחוס אינרציאלית ומערכת ייחוס לא-אינרציאלית.

מערכת ייחוס אינרציאלית היא מערכת ייחוס בה הגוף מקיים את החוק הראשון של ניוטון. כלומר, כל גוף שלא פועלים עליו כוחות חיצוניים ימשיך להימצא במנוחה או לנוע בתנועה שוות מהירות ובקו ישר.

מערכת ייחוס לא-אינרציאלית היא מערכת ייחוס בה הגוף אינו מקיים את החוק הראשון של ניוטון. כלומר, הגופים בה, על אף שנראה שלא פועלים עליהם כל כוחות חיצוניים, יחדלו מלהימצא במנוחה או לנוע בתנועה שוות מהירות ובקו ישר.

אל כדור-הארץ, למשל, ניתן להתייחס (בקירוב טוב מאוד) כמערכת ייחוס אינרציאלית. ניתן למצוא עבור כל שינוי מהירות של גוף בו את הכוחות החיצוניים הפועלים על הגוף שגרמו לכך.

אל האוטובוס הנוסע, למשל, ניתן להתייחס כמערכת ייחוס אי-אינרציאלית. כאשר האוטובוס לפתע יגביר מהירות אז הנוסעים העומדים ירגישו כוח מדומה המושך אותם אחורה. למשל, אם ימצא בקבוק שוכב על רצפת האוטובוס הוא יפסיק להיות במצב מנוחה ויתחיל להתגלגל אחורנית בהתאם למידת האצת האוטובוס. הבקבוק יתחיל לנוע מבלי שימצא כוח ממשי המסביר את תנועתו. לחילופין, אם האוטובוס יעצור לפתע אזי הנוסעים ירגישו כוח מדומה המושך אותם קדימה. הבקבוק המונח על הרצפה יתחיל להתגלגל קדימה.

אותו כוח מדומה נקרא כוח ההתמדה. כל גוף שואף להתמיד ולהימצא במצבו. כאשר האוטובוס נע בתנועה שוות מהירות, אזי הנוסעים בו והבקבוק שבו נעים באותה המהירות. כאשר האוטובוס לפתע בולם ומאט את מהירותו, אזי הנוסעים והבקבוק שבו שואפים להמשיך ולנוע באותה מהירות בה נעו עד כה. לכן יחסית למהירות המואטת של האוטובוס הם ינועו מהר יותר וידחפו קדימה עד שהשפעת הכוח המדומה תעלם.