Prvi Newtonov zakon in opazovalni sistemi

Pet animacij prikazuje napravo za izstreljevanje žogic na vozičku, ki se premika po progi.

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.

Pet animacij prikazuje napravo za izstreljevanje žogic (ni v merilu) na vozičku, ki se premika po progi (čas je podan v sekundah). Na vseh animacijah je žogica izstreljena navpično navzgor pri t  = 1 s.

Poglej najprej animacijo 1. Naprava miruje. Si prepričan? Kot vemo, ne moremo ločiti primera, ko mirujemo, in 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 žogica padla nazaj v cev. Popolnoma isto pa bi videli, če bi se voziček gibal glede na Zemljo s konstantno hitrostjo in mi z njim.

Kakšno pa bi bilo videti gibanje žogice, 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 žogice nas spominja na poševni met. Žogica 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 žogice (vozička) v tej smeri ne more spreminjati. Žogica in voziček imata torej enako konstantno hitrost v vodoravni smeri.

Oglej si še animaciji 4 in 5. Te to na kaj spominja? Očitno je, da ne gre za poševni met. Kaže, da imata žogica in voziček pospešek v desno ali levo smer (odvisno od animacije). Opaziš, da žogica zopet pristane nazaj v cevi. Zakaj žogica in voziček pospešujeta? Za to ni nobenega vidnega vzroka. Ker pa morajo tudi v tem primeru veljati Newtonovi zakoni, moramo v sistem vpeljati silo, ki je povzročila nastali pospešek. Gre za izmišljeno silo, ki v resnici ne obstaja. Animaciji 4 in 5 nam prikazujeta pogled iz neinercialnih opazovalnih sistemov.