2. Zasady dynamiki

2.1. Pierwsza zasada Newtona

Pierwsza zasada Newtona

Zapiszmy pierwszą zasadę dynamiki w sposób podobny do oryginalnego sformułowania Newtona. 

Jeżeli na ciało nie są wywierane siły (lub działające siły się równoważą) to ciało to pozostaje w stanie spoczynku lub ruchu jednostajnego, prostoliniowego

Zasadniczą wartością pierwszej zasady dynamiki jest wprowadzenie równoważności stanu spoczynku i stanu ruchu jednostajnego prostoliniowego. Rozpatrzmy to na przykładzie ruchu pociągów.

Kiedy siedzimy w przedziale wagonu jadącego pociągu, układem nieruchomym jest dla nas wagon, bo względem nas się nie porusza. Kiedy stoimy na peronie, układem nieruchomym jest stacja kolejowa. Oba te układy odniesienia są jednakowo dobre do badania stanu ruchu innych przedmiotów, jeśli tylko w czasie prowadzenia obserwacji, prędkość pociągu nie zmienia ani wartości, ani kierunku. Pasażer takiego pociągu nie może stwierdzić, czy pociąg stoi na stacji, czy jedzie z dużą prędkością, jeśli nie wyjrzy przez okno (zaniedbując efekty szumu, czy wibracji towarzyszących często ruchowi pociągu). Jego walizka na półce pozostawać będzie nieruchoma. Kiedy jednak pociąg nagle zahamuje, to walizka może spaść z półki, choć nikt z pasażerów jej w tym czasie nie dotyka. Jest to oczywista sprzeczność z pierwszą zasadą dynamiki rozpatrywaną w układzie odniesienia związanym z pociągiem. Układ taki nie jest więc dobrym układem odniesienia.

Układy, w których pierwsza zasada dynamiki jest spełniona, nazywamy układami inercjalnymi; układy, w których spełniona nie jest - układami nieinercjalnymi. Jadący pociąg może być układem inercjalnym, ale tylko wtedy, gdy wektor jego prędkości zachowuje stałą wartość, kierunek i zwrot. Zauważmy, że kiedy znany jest jeden układ inercjalny, to znanych jest ich nieskończenie wiele. Każdy bowiem układ poruszający się względem układu inercjalnego z dowolną, ale stałą co do wartości i kierunku prędkością, jest też układem inercjalnym. Pierwsza zasada dynamiki stanowi więc definicję układu inercjalnego.