«Законы физики должны иметь одну и ту же форму для всех наблюдателей, включая и тех, кто движется с ускорением»
Альберт Эйнштейн
Третий закон Ньютона утверждает, что силы, с которыми два тела действуют друг на друга, равны по модулю и направлены в противоположные стороны вдоль прямой, соединяющей эти тела. Силы не уравновешивают друг друга:
F1 = - F2 (1)
Если
F1 = F2 = mа, (2)
где m - масса тела, а - ускорение, то уравнение (1) запишется так:
mа = - mа (3)
откуда
а = - а (4)
Физический смысл уравнения (4) только одному богу известен, поэтому придадим этому уравнению свой физический смысл с введением постулата.
Постулат: любая материальная точка, движущаяся с ускорением, создает инерционное (гравитационное) поле, равное ускорению и противоположно ему направлено. Инерционное поле, в отличие от гравитационного, не взаимодействует с материальными точками и телами.
Законы Ньютона сформулированы для инерциальных систем отсчета - систем, связанных с телами, на которые не действуют внешние силы. В системах, движущихся ускоренно, эти законы не выполняются. Чтобы можно было пользоваться законами Ньютона в неинерциальных системах отсчета, нужно учесть, что все тела ведут себя в этих системах так, как если бы произошло изменение гравитационного поля и вектор ускорения свободного падения вблизи Земли g0 получил приращение -а, равное ускорению системы (относительно инерциальной системы), взятому с противоположным знаком. Иными словами, в неинерциальных системах отсчета, расположенных вблизи Земли, можно использовать те же законы, формулы и уравнения, что и в инерциальных, но всюду, где стоит вектор g0, заменить его вектором g, равным g = g0 + (-а) (5).
Вес - сила, с которой тело, притягиваясь к Земле, действует на опору или натягивает нить подвеса:
P = mg (6)
Подставляя уравнение (5) в уравнение (6) получим:
P = mg + m(-а) (7)
Если a = 0, то вес равен силе тяжести:
P = mg0 (8)
Рассмотрим эту теорию на примере. Пусть тело массой m движется по окружности радиусом r со скоростью V. На тело действует сила тяжести mg0 и сила натяжения нити Т. Результирующая этих сил равна центростремительной силе, равной (см. рис. 1):
Fц = mа (9)
Рис. 1.
Согласно постулата масса образует инерционное поле -а. Тогда вес тела будет равен
P = mg + m(-а) (10)
и он приложен к нити, согласно третьего закона Ньютона и определения веса.
Из всего сказанного делаем резюме: законы Ньютона справедливы как в инерциальных системах отсчета, так и в неинерциальных.
Что касается силы инерции, то её заменяет одна из составляющих веса тела Р1.