Co je Newtonův první zákon?

Před příchodem Galilea a Newtona mnoho lidí věřilo, že tělesa zpomalují, protože k tomu mají přirozené sklony. To koneckonců pozorujeme v běžném životě. Toto pozorování ale nebere v potaz rozličné síly (např. tření, tíhovou sílu a odpor vzduchu), které tělesa na Zemi nutí svou rychlost měnit. Kdybychom mohli pozorovat pohyb těles v hlubinách vesmíru, tak bychom zjistili, co se děje bez vnějších vlivů. Zjistili bychom, že těleso s danou rychlostí by se touto rychlostí pohybovalo tak dlouho, dokud by se neobjevila nějaká síla, která by jej donutila ji změnit. Podobně je-li těleso ve vesmíru v klidu, zůstane v klidu, dokud na něj nezapůsobí síla, která jeho pohybový stav změní.

Ve videu níže můžeme vidět objekty na mezinárodní vesmírné stanici, které setrvávají v klidu nebo se vůči stanici pohybují konstantní rychlostí, pokud na ně nezapůsobí síla.

Myšlenka, že tělesa mění svoji rychlost pouze pod vlivem síly, je vyjádřena v Newtonově prvním zákoně.

Newtonův první zákon: Těleso setrvává v klidu nebo pohybu konstantní rychlostí, pokud na něj nepůsobí celková vnější síla.

Klíčové je zde slovo "setrvává". Tento zákon je o zachování pohybového stavu. Newtonův první zákon praví, že aby došlo k jakékoli změně rychlosti, ať už směru či velikosti, musí existovat příčina - nenulová celková vnější síla. Těleso klouzající po stole nebo podlaze zpomaluje vlivem celkové třecí síly, která na něj působí. Ale na stole pro vzdušný hokej, kde vzduchový polštář brání puku ve styku s povrchem stolu, se puk pohybuje stále zhruba stejnou rychlostí, dokud na něj nezapůsobí síla - třeba srážka s okrajem stolu.

Síla je tlak nebo tah, kterým jedno těleso působí na druhé. Síla může mít různý původ (gravitační, elektromagnetická atp.), ale z pohledu Newtonových zákonů na tom nezáleží. Síla jako fyzikální veličina se obvykle značí $F$‍ a její jednotkou je newton, který se značí $\text{N}$‍.

Vnější síla je síla působící na těleso zvenčí a nikoli zevnitř. Například tíhová síla, kterou Země působí na Měsíc, je pro Měsíc vnější silou. Ale tíhová síla, kterou vnitřek Měsíce působí na vnější povrch Měsíce, je pro Měsíc vnitřní silou. Vnitřní síly tělesa nemohou změnit jeho pohybový stav.

Celková síla $\mathrm{\Sigma }F$‍ je souhrnem všech sil působících na těleso. Působí-li na těleso mnoho sil, celková síla je jejich součtem. Ale pozor - protože síla $F$‍ je vektor, celkovou sílu $\mathrm{\Sigma }F$‍ musíme určit vektorovým součtem.

Jinými slovy, pokud na krabici mražených baget působí síla velikosti 45 newtonů doprava a síla velikosti 30 newtonů doleva, celková síla ve vodorovném směru by byla

Newtonův první zákon praví, že je-li celková síla působící na těleso nulová ($\mathrm{\Sigma }F=0$‍), pak to těleso má nulové i zrychlení. To nemusí nutně znamenat, že těleso je v klidu, ale jeho rychlost je konstantní. Jinak řečeno, bude mít konstantní nulovou nebo nenulovou rychlost.

Kdyby na krabici mražených baget působila síla o velikosti 45 newtonů doprava a síla o velikosti 45 newtonů doleva, celková síla by byla nulová. Krabice by buď pokračovala v pohybu konstantní rychlostí anebo by zůstala v klidu, podle toho, zda se před zahájením působení sil pohybovala nebo byla v klidu.

Schopnosti tělesa setrvat v klidu nebo pohybu konstantní rychlostí se nazývá setrvačnosti. Newtonův první zákon se často nazývá zákonec setrvačnosti. Ze zkušenosti víme, že některá tělesa mají vyšší setrvačnost než jiná. Je zjevně obtížnější změnit pohybový stav obřího kamene než třeba basketbalového míče.

Setrvačnost tělesa odpovídá jeho hmotnosti. Hmotnost můžeme určit z toho, jak obtížné je těleso urychlit. Čím vyšší má hmotnost, tím hůře se urychluje.

Také by se dalo zhruba říct, že čím více hmoty těleso obsahuje, tím vyšší bude jeho hmotnost, a tím hůře půjde urychlit.

Vesmírná sonda pluje hlubokým vesmírem, a tedy mimo dosah vlivu planet a hvězd. Má vypnutý motor a pohybuje se konstantní rychlostí směrem doprava. Co se stane s pohybovým stavem sondy, když se zapnou oba raketové pohony a začnou zároveň působit stejnými silami doleva i doprava?

a. Sonda si zachová konstantní rychlost.
b. Sonda zrychlí.
c. Sonda zpomalí a časem zastaví.
d. Sonda zastaví okamžitě.

Správná odpověď je a. Podle Newtonova prvního zákona je ke změně rychlosti tělesa třeba nenulová celková síla. Celková síla působící na sondu ale nulová je, protože se obě síly navzájem vyruší. Není tu tedy nic, co by rychlost sondy měnilo.

Výtah tažený kabelem stoupá vzhůru konstantní rychlostí, jak je znázorněno na obrázku níže. Když výtah stoupá konstantní rychlostí, jaká je velikost síly $F_c$‍, kterou působí kabel na kabinu výtahu, v porovnání s tíhovou silou $F_g$‍?

a. $F_c$‍ je větší než $F_g$‍.
b. $F_c$‍ je rovna $F_g$‍.
c. $F_c$‍ je menší než $F_g$‍.
d. $F_c$‍ může být větší nebo menší než $F_g$‍, v závislosti na hmotnosti výtahu.

Správná odpověď je b. Pokud se výtah pohybuje konstantní rychlostí, celková síla musí být nulová. Aby byla celková síla nulová, síly směřující vzhůru a dolů se musejí přesně vyrušit.

Vesmírná sonda pluje hlubokým vesmírem, a tedy mimo dosah vlivu planet a hvězd. Má vypnutý motor a pohybuje se konstantní rychlostí směrem doprava. V určitou chvíli se zapne jeden z raketových pohonů a udělí sondě krátký silový impuls v naznačeném směru. Která z křivek nejlépe odpovídá trajektorii sondy poté, co se pohon vypne?

a. Cesta a
b. Cesta b
c. Cesta c
d. Cesta d

Správná odpověď je c. Po vypnutí pohonu nebude na sondu působit žádná celková síla. Jakmile je celková síla nulová, rychlost - velikost i směr - musejí být konstantní. Newtonův první zákon způsobuje, že se sonda pohybuje rovnoměrně přímočaře. Skutečnost, že zapůsobila svislá síla nijak neovlivňuje vodorovnou rychlost sondy, mění jenom svislou rychlost. Konstantní vodorovná a svislá rychlost zároveň způsobí, že se sonda bude pohybovat příčně.