A hétköznapi tapasztalatainkban a legtöbb élettelen test csak akkor kezd el mozogni (illetve csak akkor marad mozgásban), ha valaki "mozgatja" azáltal, hogy erőt fejt ki rá:
Bár vannak kivételek, mint a szél, a tenger hullámzása vagy a folyók viznek hömpölygése:
Ebből a tapasztalatból Arisztotelész arra következtetett, hogy az élettelen testek mozgásának feltétele, hogy hasson a testre egy "mozgató erő". (Az élő testek, mint egy ember vagy egy sas, a bennük lakozó "életerő" miatt képesek magukat mozgásba hozni illetve mozgásban tartani. A kor szemléletében ez természetes volt, hogy az élettelen és az élő testekre más törvényszerűségek vonatkoznak. Manapság a természettudományok célja mindig az, hogy olyan törvényszerűségeket fedezzenek fel, amelyek minél inkább univerzálisak, azaz általánosan érvényesek mindenféle testre.)
Amint megszűnik az élettelen testet mozgató erőhatás (pl. abbahagyjuk a láda tolását), az élettelen test mozgása hamarosan megszűnik, méghozzá “magától”. Az alábbi videón a hajtóműve tolóerejét elvesztő repülőgép hamarosan megáll:
Arisztotelész ezt úgy interpretálta, hogy az élettelen testek természetes állapota a nyugalmi állapot, míg a mozgás számukra természetellenes dolog, és csak akkor mozognak, ha valaki (egy mozgató erő révén) rákényszeríti őket a mozgásra. Amint megszűnik ez a kényszerítés, azonnal “törekedni kezdenek” a természetes állapotukra, a mozdulatlanságra, nyugalomra.
Az arisztotelészi elképzelés (legalábbis itt, a nyomorúságos sárgolyó Földünkön) szinte mindig összhangban van a megfigyeléseinkkel, kísérleteinkkel. Ezért nem is kérdőjelezték meg majd 2000 éven át, mígnem jött Galilei.
Galilei tudóshoz méltó hozzáállása először is abban nyilvánult meg, hogy rákoncentrált valamire. Azokra az esetekre, amikor egy élettelen testet mozgatunk, majd egyszer csak “magára hagyjuk”, azaz megszűnik a mozgató erő (amire eddig szükség volt, hogy a testet "mozgásban tartsa"). Például az asztalon a kezünkkel mozgásba hozunk egy bögrét, aztán mozgás közben elengedjük. A bögre innentől kezdve egyre lassul, majd végül megáll.
Galilei észrevette, hogy a lassulló, "magára hagyott" bögrére is hat erő, a csúszási súrlódási erő. Tehát nem is igaz, hogy ő egy “magára hagyott” test. A súrlódási erő ténykedése kilóg az arisztotelészi világképből, hiszen a súrlódás nem illeszkedik az arisztotelészi "mozgató erő" koncepcióba, hiszen pont hogy megszünteti a bögre mozgását. Inkább talán "nyugalomba juttató erőként" lenne ide illeszthető (bár még olyan is előfordul, hogy a csúszási súrlódási erő épphogy felgyorsítja a testet). Tehát Arisztotelész figyelmét elkerülte a súrlódás.
Ezen a ponton, hogy felfedezte a súrlódás fontosságát, egy akkora géniusz, mint Galilei, nem elégszik meg ennyivel, hogy "mégis hat rá erő, a súrlódás", hanem egyből tovább is lép. Ha az arisztotelészi “magára hagyott” testek valójában nem is magára hagyott testek (hiszen hat rájuk súrlódási vagy légellenállási erő), akkor vajon mi történne egy olyan testtel, ami tényleg magára hagyott lenne? Tehát mi történne egy olyan testtel, amire súrlódási, légellenállási erő sem hatna? Vegyük észre, hogy Galileinek esélye se volt ilyen testet létrehozni és tanulmányozni. Ma már sokkal könnyebb dolgunk van:
- ha egy úrhajós űrséta során egyszerűen eldob egy tárgyat, az a világűr igen ritka gázában (lényegében vákuumjában) szinte tökéletesen mentesítve van mindenféle súrlódási és légellenállási hatástól
- ha itt lent a földfelszínen egy mágneses lebegtetésű testet (pl. mágneses játékvasút) egy nagy váluumkamrába helyezünk, és kezdősebességet adunk neki, akkor akadálytalanul fog suhanni a pálya fölött
Galilei zsenialitását mutatja, hogy neki nem volt szüksége a mai csúcstechnológiára, hogy megtudja, hogyan fog viselkedni egy magára hagyott test. Volt annyi képzelőereje (pedig nem ismerhette Einstein híres mondását), hogy kikövetkeztette: hogyha a bögrét a súrlódás lassítja és állítja meg, akkor súrlódás nélkül az semennyire nem lassulna, így aztán nem is állna meg. Nekünk, elrothadásra ítélt, véges életű embereknek horribile dictu, még kimondani is szörnyű, de soha nem állna meg!
Ezzel meg is született a Galilei-féle tehetetlenség törvénye, amit később Newton a saját mozgástanába illesztett, ezért Newton I. törvényének is hívjuk.
Azokat az eseteket, amikor a testre nem hat semmilyen erő ("erőmentes állapot"), ezért aztán a test sebessége nem változik, két csoportra szokás bontani aszerint, hogy mekkora volt a sebessége abban a pillanatban, amikor az "erőmentes" állapot beállt:
- ha a testnek nem volt sebessége (vagyis nyugalomban lett erőmentes), akkor a test megőrzi a nyugalmi állapotát mindaddig, amíg egy másik test erőt nem kezd el kifejteni rá
- ha a testnek volt sebessége (amikor beállt az erőmentes állapot), akkor ezzel a sebességgel halad folyamatosan, vagyis egyenesvonalú egyenletes mozgást végez mindaddig, amíg egy másik test erőt nem kezd el kifejteni rá
A tehetetlenség törvényének egyéb (kerülendő) megfogalmazása
A tehetelenség törvényét gyakran úgy fogalmazzák meg, hogy az elején szereplő “amíg a testre nem hat erő” kiinduló feltevés mellé odavesznek még olyan eseteket is, hogy “vagy a testre ható erők kiegyenlítik egymást” (illetve hogy “a testre ható erők eredője nulla”). Ezek a további esetek első ránézésre nem különböznek az eredetitől, hiszen ezek az esetek ugyanolyan eredménnyel járnak, azaz ugyanoda vezetnek, nevezetesen hogy nem fog változni a test sebessége. Mégsem szerencsés ezeket az eseteket Newton I. törvényébe belerángatni. Miért is?
- Mert több erő együttes hatásával majd Newton IV. törvényében ismerkedünk meg. Vagyis egy jókora előre ugrásra kényszerítjük a Newton I. törvénye iránt érdeklődőket. Méghozzá fölöslegesen, hiszen Newton I. törvényét megemészteni eleve komoly feladat, hiszen egy olyan esetről beszél, amit aligha szoktunk látni, sőt, ha nem vagyunk alaposak, akkor ellent mond a mindennapi tapasztalatainknak. A “rá ható erők eredője nulla” esetet ráérünk végiggondolni majd a Newton IV. törvényének, a Szuperpozíció-elvnek a tárgyalásakor
- A tehetetlenség törvénye amiatt volt forradalmi elgondolás Galilei részéről, mert egészen odáig úgy képzelték, hogy az élettelen testek mozgásához feltétlenül szükség van valami erőre. Azt vallották, hogy valamiféle mozgató erő nélkül hosszú távon nem is lehetséges mozgás, csakis nyugalmi állapot. A tehetetlenség törvényének fő üzenete tehát az, hogy az élettelen testek gond nélkül tudnak tartósan (bármennyi ideig) mozgásban lenni; anélkül is, hogy bármiféle erő hatna rájuk. Tehát nem igaz, hogy az élettelen testek számára a nyugalom lenne a természetes állapot, hanem a nyugalmi állapot és a mozgás ugyanolyan természetes számukra. Namost ezt a fő üzenetet nem segíti, ha olyan esettel hozakodunk elő amikor nemcsak hogy hat valami erő a testre, de mindjárt több erő is hat rá.
A tehetetlenség törvénye, mint egy csábító életérzés, és egy üres duma
A tehetetlenség törvényéből némi fogalmat alkothatunk arról, hogy mit is jelent a testek tehetetlensége. Azt, hogy a testek önmagukban nem képesek a saját sebességük megváltoztatására (önmagukban, azaz más testek “segítsége” nélkül). Tehetetlenül kell eltűrniük a saját mozdulatlanságukat egészen addig, amíg egy másik test mozgásba nem hozza őket, illetve tehetetlenül kell elviselniük, hogy sodródnak (egyenes vonalú egyenletes mozgással), amíg egy másik test hatása meg nem változtatja a sebességüket. Első ránézésre itt teljesen megvalósul a csábító, felelősség nélküli állapot:
- Én nem tehetek semmiről! Nem rajtam múlik, hogy megváltozik-e a sebességem, hiszen a sebességemet csak külső erők változtathatják meg. Nem vagyok felelős azért, hogy milyen lesz a sebességem.
A testek nem képesek más testek, azaz rajtuk kívül álló (külső) testek segítsége nélkül sem elindítani magukat, sem megállítani, sőt még elgörbíteni sem a saját pályájukat (elkanyarodni).
Na de a fizikában (mint minden természettudományban) a testek tulajdonságaival szemben elvárás, hogy annak legyen mértéke, nagysága, amit egy számmal (és mértékegységgel) fejezünk ki. Na de mekkora egy test tehetetlenségének mértéke? Erről sajnos a tehetetlenség törvénye semmit nem tud mondani, hiszen a nagyobb tehetetlenségű (nagyobb tömegű) test pont ugyanúgy viselkedik a tehetetlenség törvénye által tárgyalt körülmények között, mint egy kisebb tehetetlenségű (kicsi tömegű). Ugyanúgy nem változik a különféle testek sebessége, akármekkora is a tömegük. Tehát a tehetetlenség törvénye alapján sajnos még nem tudunk meg semmit arról, hogy mekkora egy test tehetetlensége. Erre majd Newton II. törvénye ad választ.