Prvi Newtonov zakon in opazovalni sistemi

Prvi Newtonov zakon pravi, da v primeru, ko je skupna sila na telo enaka nič, lahko najdemo vsaj en opazovalni sistem, v katerem je telo nepremično. Imamo pa veliko sistemov, v katerih se telo giblje s konstantno hitrostjo.

Na prvi pogled kaže, da je prvi Newtonov zakon (mirujoče telo ostane mirujoče, telo v gibanju pa vztraja v gibanju, če je vsota vseh sil, ki nanj delujejo, enaka nič) že vključen v drugi Newtonov zakon. Vendar ni tako. Prvi zakon je vezan tudi na opazovalni sistem. Te informacije pa NI v drugem Newtonovem zakonu. Prvemu zakonu včasih pravimo tudi zakon o vztrajnosti. Določa množico opazovalnih sistemov, v katerih prvi zakon velja, tem sistemom pravimo tudi inercialni opazovalni sistemi. Drugače gledano, prvi Newtonov zakon pravi, da v primeru, ko je skupna sila na telo enaka nič, lahko najdemo vsaj en opazovalni sistem, v katerem je telo nepremično. Imamo pa veliko sistemov, v katerih se telo giblje s konstantno hitrostjo.

V treh različnih animacijah je prikazan top na vozičku, ki se giblje po tračnicah (položaj je podan v metrih, čas je v sekundah). V vsaki animaciji je krogla ob času t = 1.0s  izstreljena navpično navzgor. Ponovni zagon.

Poglejmo Animacijo 1. V tej animaciji voziček miruje. Toda ali je to res? Ne moremo povedati, ali mirujemo ali se gibljemo s konstantno hitrostjo (če smo torej v inercialnem opazovalnem sistemu). Pomislimo na to, če se premikamo na Zemlji, ki ima konstantno hitrost, smo v inercialnem opazovalnem sistemu. Kako lahko torej vemo, če se premikamo? Kaj pa je z vozičkom? Dokler ima naše gibanje glede na Zemljo relativno konstantno hitrost, ne vemo, če se premikamo. V Animaciji 1 se morda voziček ne premika. V takem primeru pričakujemo in tudi vidimo, da krogla spet pristane v možnarju. Vendar, če bi se voziček premikal relativno na Zemljo in bi se mi premikali z vozičkom, bi bil  pogled na gibanje vozička in krogle povsem enak!

Kaj pa v primeru, če se voziček relativno na naš opazovalni sistem premika (ali pa se mi premikamo relativno na njegov opazovalni sistem)? Animaciji 2 in 3 prikazujeta pogled na gibanje iz različnih opazovalnih sistemov. Čemu sta ti animaciji podobni? Obe ponazarjata gibanje izstrelka. Gibanje krogle je zdaj gibanje v ravnini, namesto v ravni črti kot prej. Bo krogla spet padla v možnar? Bi to pričakovali? Seveda. Nič nenavadnega se ne dogaja. Ker ni sil v smeri x, lahko opisujemo v tej smeri gibanje tako krogle kot vozička kot gibanje s konstantno hitrostjo. Zato imata oba konstantno vodoravno hitrost.

Več o opazovalnih sistemih in relativnem gibanju je v poglavju 9.