Prvi Newtonov zakon in opazovalni sistemi

V prvih treh animacijah top na premikajočem se vozičku izstreljuje rdečo žogo. V zadnjih dveh izstreljuje aktiviran gasilni aparat.

Pet animacij prikazuje top na vozičku, ki se premika po progi. Na vseh animacijah je predmet (žoga ali gasilni aparat) izstreljen navpično navzgor pri t = 1 s.

Izstreljeni predmet ima svojo vztrajnost. Na žogo razen gravitacije ne deluje nobena druga sila. Pri aktiviranem gasilnem aparatu pa dodatno deluje še sila reakcije.

Prvi Newtonov zakon pravi, da mirujoče telo ostane v mirovanju, gibajoče pa v gibanju, če nanju ne deluje nobena sila. Na prvi pogled se zdi, da je ta zakon vsebovan v drugem Newtonovem zakonu. Vendar pa govori prvi zakon še o nečem drugem, o opazovalnih sistemih. Tega drugi zakon NE vsebuje. Prvemu zakonu pravimo tudi zakon vztrajnosti (inercije). Opredeluje namreč množico opazovalnih sistemov, v katerih zakon velja. To so tako imenovalni inercialni sistemi. Povejmo še drugače. Prvi Newtonov zakon pravi, da je v primeru, ko je rezultanta vseh sil, ki delujejo na telo, enaka nič, mogoče poiskati vsaj en opazovalni sistem, v katerem to telo ne pospešuje.

Poglej najprej animacijo 1. Naprava miruje. Si prepričan? Kot vemo, ne moremo ločiti primera, ko mirujemo, od primera, ko se gibljemo s konstantno hitrostjo, ko gre torej za inercialni opazovalni sistem. Če se glede na Zemljo gibljemo s konstantno hitrostjo, smo v inercialnem opazovalnem sistemu.

Kako lahko potem ugotovimo, da se gibljemo? Kaj pa voziček? Gibanja ne moremo zaznati, dokler se glede na Zemljo premikamo s konstantno hitrostjo. V animaciji 1 voziček lahko miruje. V tem primeru pričakujemo—in to tudi vidimo— da bo žoga padla nazaj v cev. Popolnoma isto bi videli, če bi se voziček gibal glede na Zemljo s konstantno hitrostjo in mi z njim.

Kakšno pa bi bilo videti gibanje žoge, če bi se voziček premikal glede na naš opazovalni sistem oziroma bi se naš opazovalni sistem premikal glede na voziček?

Ostale animacije prikazujejo takšne možnosti.

Oglej si najprej animaciji 2 in 3. Kaj vidiš? Gibanje žoge nas spominja na poševni met. Žoga se sedaj giblje po ravnini in ne več po premici. Ali tudi sedaj pristane nazaj v cevi? Si to pričakoval? Seveda. Tu res ni ničesar neobičajnega. Ker v smeri x ne deluje nobena sila, se hitrost žoge (vozička) v tej smeri ne more spreminjati. Žoga in voziček imata torej enako konstantno hitrost v vodoravni smeri.

Oglej si še animaciji 4 in 5. Očitno je, da ne gre za poševni met. Kaže, da imata izstreljeni aktivirani gasilni aparat in voziček pospešek v desno oziroma levo smer (odvisno od animacije). Opaziš, da gasilni aparat spet pristane nazaj v cevi. Voziček pospešuje. Pospeuje pa tudi gasilni aparat. Ker morajo tudi v tem primeru veljati Newtonovi zakoni, moramo v sistem vpeljati silo, ki je povzročila nastali pospešek (reakcijska sila, delujoča na aktivirani aparat). Animaciji 4 in 5 nam prikazujeta pogled iz neinercialnih opazovalnih sistemov.