Инерциальная система отсчета

Referat. I закон Ньютона

Инерциальная система отсчета

Первый закон механики, или закон инерции (инерция – это свойство тел сохранять свою скорость при отсутствии действия на него других тел), как его часто называют, был установлен еще Галилеем.

Но строгую формулировку этого закона дал и включил его в число основных законов механики Ньютон. Закон инерции относится к самому простому случаю движения – движению тела, на которое не оказывают воздействия другие тела.

Такие тела называются свободными телами.

Ответить на вопрос, как движутся свободные тела, не обращаясь к опыту, нельзя. Однако нельзя поставить ни одного опыта, который бы в чистом виде показал, как движется ни с чем не взаимодействующее тело, так как таких тел нет. Как же быть?

Имеется лишь один выход. Надо создать для тела условия, при которых влияние внешних воздействий можно делать все меньшим и меньшим, и наблюдать, к чему это ведет. Можно, например, наблюдать за движением гладкого камня на горизонтальной поверхности, после того как ему сообщена некоторая скорость.

(Притяжение камня к земле уравновешивается действием поверхности, на которую он опирается, и на скорость его движения влияет только трение.) При этом легко обнаружить, что чем более гладкой является поверхность, тем медленнее будет уменьшаться скорость камня. На гладком льду камень скользит весьма долго, заметно не меняя скорость.

Трение можно уменьшить до минимума с помощью воздушной подушки – струй воздуха, поддерживающих тело над твердой поверхностью, вдоль которой происходит движение. Этот принцип используется в водном транспорте (суда на воздушной подушке).

На основе подобных наблюдений можно заключить: если бы поверхность была идеально гладкой, то при отсутствии сопротивления воздуха (в вакууме) камень совсем не менял бы своей скорости. Именно к такому выводу впервые пришел Галилей.

С другой стороны, нетрудно заметить, что, когда скорость тела меняется, всегда обнаруживается воздействие на него других тел. Отсюда можно прийти к выводу, что тело, достаточно удаленное от других тел и по этой причине не взаимодействующее с ними, движется с постоянной скоростью.

Движение относительно, поэтому имеет смысл говорить лишь о движении тела по отношению к системе отсчета, связанной с другим телом.

Сразу же возникает вопрос: будет ли свободное тело двигаться с постоянной скоростью по отношению к любому другому телу? Ответ, конечно, отрицательный.

Так, если по отношению к Земле свободное тело движется прямолинейно и равномерно, то по отношению к вращающейся карусели тело заведомо так двигаться не будет.

Наблюдения за движениями тел и размышления о характере этих движений приводят нас к заключению о том, что свободные тела движутся с постоянной скоростью, по крайней мере, по отношению к определенным телам и связанным с ними системам отсчета. Например, по отношению к Земле. В этом состоит главное содержание закона инерции.

Поэтому первый закон Ньютона может быть сформулирован так:

существуют такие системы отсчета, относительно которых тело (материальная точка) при отсутствии на неё внешних воздействий (или при их взаимной компенсации) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.

Инерциальная система отсчета

Первый закон Ньютона утверждает (это с той или иной степенью точности можно проверить на опыте) о том, что инерциальные системы существуют в действительности. Этот закон механики ставит в особое, привилегированное положение инерциальные системы отсчета.

Системы отсчета, в которых выполняется первый закон Ньютона, называют инерциальными.

Или

Инерциальные системы отсчета – это системы, относительно которых материальная точка при отсутствии на нее внешних воздействий или их взаимной компенсации покоится или движется равномерно и прямолинейно.

Инерциальных систем существует бесконечное множество.

Система от-счета, связанная с поездом, идущим с постоянной скоростью по прямолинейному участку пути, – тоже инерциальная система (приближенно), как и система, связанная с Землей.

Все инерциальные системы отсчета образуют класс систем, которые движутся друг относительно друга равномерно и прямолинейно. Ускорения какого-либо тела в разных инерциальных системах одинаковы.

Как установить, что данная система отсчета является инерциальной? Это можно сделать только опытным путем. Наблюдения показывают, что с очень высокой степенью точности можно считать инерциальной системой отсчета гелиоцентрическую систему, у которой начало координат связано с Солнцем, а оси направлены на определенные «неподвижные» звезды.

Системы отсчета, жестко связанные с поверхностью Земли, строго говоря, не являются инерциальными, так как Земля движется по орбите вокруг Солнца и при этом вращается вокруг своей оси. Однако при описании движений, не имеющих глобального (т.е.

всемирного) масштаба, системы отсчета, связанные с Землей, можно с достаточной точностью считать инерциальными.

С гораздо большей точностью можно считать инерциальной систему отсчета, в которой начало координат совмещено с центром Солнца, а координатные оси направлены к неподвижным звездам. Эту систему отсчета называют гелиоцентрической.

Инерциальными являются системы отсчета, которые движутся равномерно и прямолинейно относительно какой-либо инерциальной системы отсчета.

Галилей установил, что никакими механическими опытами, поставлен-ными внутри инерциальной системы отсчета, невозможно установить, покоится эта система или движется равномерно и прямолинейно. Это утверждение носит название принципа относительности Галилея или механического принципа относительности.

Этот принцип был впоследствии развит А. Эйнштейном и является одним из постулатов специальной теории относительности.

Инерциальные системы отсчета играют в физике исключительно важную роль, так как, согласно принципу относительности Эйнштейна, математическое выражение любою закона физики имеет одинаковый вид в каждой инерциальной системе отсчета. В дальнейшем мы будем пользоваться только инерциальными системами (не упоминая об этом каждый раз).

Системы отсчета, в которых первый закон Ньютона не выполняется, называют неинерциальными.

К таким системам относится любая система отсчета, движущаяся с ускорением относительно инерциальной системы отсчета.

В механике Ньютона законы взаимодействия тел формулируются для класса инерциальных систем отсчета.

Примером механического эксперимента, в котором проявляется неинерциальность системы, связанной с Землей, служит поведение маятника Фуко. Так называется массивный шар, подвешенный на достаточно длинной нити и совершающий малые колебания около положения равновесия.

Если бы система, связанная с Землей, была инерциальной, плоскость качаний маятника Фуко оставалась бы неизменной относительно Земли.

На самом деле плоскость качаний маятника вследствие вращения Земли поворачивается, и проекция траектории маятника на поверхность Земли имеет вид розетки (рис. 1).

Рис. 1

О том, что телу свойственно сохранять не любое движение, а именно прямолинейное, свидетельствует, например, следующий опыт (рис. 2). Шарик, двигавшийся прямолинейно по плоской горизонтальной поверхности, сталкиваясь с преградой, имеющей криволинейную форму, под действием этой преграды вынужден двигаться по дуге.

Однако когда шарик доходит до края преграды, он перестает двигаться криволинейно и вновь начинает двигаться по прямой.

Обобщая результаты упомянутых (и аналогичных им) наблюдений, можно сделать вывод, что если на данное тело не действуют другие тела или их действия взаимно компенсируются, это тело покоится или же скорость его движения остается неизменной относительно системы отсчета, неподвижно связанной с поверхностью Земли.

Рис. 2

Литература

  1. Открытая физика 2.5 (http://college.ru/physics/)
  2. Физика: Механика. 10 кл.: Учеб. для углубленного изучения физики / М.М. Балашов, А.И. Гомонова, А.Б. Долицкий и др.; Под ред. Г.Я. Мякишева. – М.: Дрофа, 2002. – 496 с.

Составители

Корсаков Т., Лебёдкин А. (МГОЛ № 1, 11 «А» 2008 г.)

Источник: http://www.physbook.ru/index.php/Referat._I_%D0%B7%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD_%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%B0

Инерциальные системы отсчета

Инерциальная система отсчета

Эксперименты показали, что тело получает ускорение относительно Земли, только если на него действуют другие тела.

Всякий раз, когда тело получило ускорение относительно Земли можно указать другое тело, которое это ускорение вызвало.

Камень, брошенный вверх, уменьшает свою скорость в результате притяжения Земли, достигнув точки максимального подъема, он падает вниз, увеличивая свою скорость, благодаря тому же притяжению.

Во всех аналогичных случаях появление ускорения является результатом действия других тел, причем действие может проявляться как при непосредственном соприкосновении, так и на расстоянии.

Опыты Галилея, изучавшего движения тел в конце XVI и начале XVII веков и доработка его выводов И. Ньютоном позволили установить следующий закон:

Если на тело не действуют другие тела или их действие взаимно компенсируется, то тело находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения.

Свойство тела сохранять свою скорость называют инерцией. Слово инерция латинского происхождения, оно обозначает бездеятельность, косность. Вследствие чего данный закон называют законом инерции.

Закон инерции стал первым законом механики. И. Ньютон включил этот закон в состав законов движения под первым номером. У этого закона есть еще одно название – первый закон Ньютона.

Если действия, которые производятся на разные части тела, отличаются, то эти части получают разные ускорения, следовательно, они получат разные скорости. При этом может измениться сам характер движения тела в целом.

Инерциальные и неинерциальное системы отсчета

Системы отсчета, для которых выполняется закон инерции, называются инерциальными.

Эксперименты Галилея показали, что система отсчета связанная с Землей может считаться инерциальной. Но Земля не единственная инерциальная система отсчёта. Инерциальных систем бесконечное множество.

Любая система отсчета, перемещающаяся с постоянной скоростью (равномерно и прямолинейно) относительно другой инерциальной системы является инерциальной. В этих системах отсчета ускорения тела будут одинаковыми.

Тело, на которое не действуют другие тела, в каждой инерциальной системе отсчета будет двигаться равномерно и прямолинейно относительно любой такой системы.

Если система отсчета движется относительно инерциальной системы поступательно, но с переменной скоростью или вращается, то такая система инерциальной не является. В такой системе тело может иметь ускорение, даже если другие тела на него не оказывают воздействия. В неинерциальных системах отсчета первый закон Ньютона не выполняется.

В настоящее время известно, что систему отсчета, связанную с Землей можно считать инерциальной приближенно. Тщательные исследования показали, что движения тел относительно системы отсчета, связанной с Землей имеются нарушения закона инерции.

С гораздо большей точностью инерциальной системой отсчета можно считать систему отсчета связанную с Солнцем и другими звездами. Как мы знаем, Земля перемещается относительно звезд и Солнца с ускорением и осуществляет вращение около собственной оси.

Но в нарушения закона инерции в системах отсчёта, связанных с Землей в учебных задачах, рассматривающих движение малы, поэтому обычно систему отсчёта, связанную с Землей считают инерциальной.

Примеры задач с решением

Пример 1

Задание. Сколько независимых законов Ньютона существует? В чем значение инерциальных систем отсчета?

Решение. Первый закон Ньютона (закон инерции) говорит о том, что в инерциальных системах отсчета тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если на него не действуют другие тела. При этом второй закон Ньютона задает ускорение тела ($\overline{a}$), которое оно получает при воздействии силы ($\overline{F}$):

\[m\overline{a}=\overline{F}\left(1.1\right),\]

где $m$ – масса тела. Из уравнения (1.

1) следует, что если силы нет ($\overline{F}$=0), то ускорение тела равно нулю и скорость постоянна ($\overline{v}=const$), то есть если равнодействующая силы приложенная к телу равна нулю, то тело движется равномерно и прямолинейно (или покоится). Поэтому имеется точка зрения, согласно которой первый закон Ньютона не имеет самостоятельного значения. Однако это не верно.

Закон инерции задает критерий пригодности системы отсчета для рассмотрения движения. В инерциальных системах отсчета можно говорить о существовании единого времени. В неинерциальных системах отсчёта ввести единое время можно только с определенной точностью.

Если нельзя синхронизировать часы и ввести в системе отсчета единое время, то законы динамики и кинематики теряют смысл и определенное содержание. Так, не возможно само понятие равномерного движения, если часы не синхронизированы.

Получается, что закон инерции должен быть независимым и первым по порядку, так как только после него имеет смысл говорить о физическом смысле и содержании второго и третьего законов Ньютона.

Значение инерциальных систем отсчета в том, что в них законы физики одинаковы, в этом смысле все инерциальные системы равноправны.

Пример 2

Задание. В стоящем на рельсах вагоне поезда на гладком столе лежит шарик. Вагон начал двигаться с ускорением. Как ведет себя шарик относительно рельс, относительно стола. Трение шарика о поверхность стола не учитывать.

Решение. Пусть вагон начал движение с ускорением вправо (рис.1). Тогда относительно системы отсчета, связанной с рельсами ($X$) шарик, если сил трения нет, останется в покое (рис.1 (а)). система отсчета, связанная с рельсам является инерциальной.

Так как сил, действующих на шарик нет, он остается в покое.

Относительно системы отсчета, связанной со столом ($X'$) шарик будет двигаться с ускорением по величине равным ускорению вагона относительно системы отсчета связанной с рельсами, при этом ускорение шарика направлено в противоположную сторону по отношению к ускорению вагона:

\[{\overline{a}}_{sh}=-{\overline{a}}_v\left(2.1\right).\]

Система отсчёта $X'$ является неинерциальной.

Читать дальше: кинематика.

Источник: http://www.webmath.ru/poleznoe/fizika/fizika_21_inercialnye_sistemy_otscheta.php

Инерциальные системы отсчета. Первый закон Ньютона

Инерциальная система отсчета

В седь­мом клас­се вы изу­ча­ли по­ня­тия «инер­ция» и «инерт­ность». Инер­ция – это яв­ле­ние, при ко­то­ром тело стре­мит­ся со­хра­нить свое пер­во­на­чаль­ное со­сто­я­ние. Если оно дви­га­лось, то оно долж­но стре­мить­ся к тому, чтобы со­хра­нять ско­рость этого дви­же­ния. А если оно по­ко­и­лось, то будет стре­мить­ся со­хра­нить свое со­сто­я­ние покоя.

Инерт­ность – это свой­ство тела со­хра­нять со­сто­я­ние дви­же­ния. Свой­ство инерт­но­сти ха­рак­те­ри­зу­ет­ся такой ве­ли­чи­ной, как масса. Чем тело тя­же­лее, тем его труд­нее сдви­нуть с места или, на­о­бо­рот, оста­но­вить.

 Инерциальные системы отсчёта

Об­ра­ти­те вни­ма­ние на то, что эти по­ня­тия имеют непо­сред­ствен­ное от­но­ше­ние к по­ня­тию «инер­ци­аль­ная си­сте­ма от­сче­та» (ИСО), о ко­то­рой будет идти речь ниже.

Рас­смот­рим дви­же­ние тела (или со­сто­я­ние покоя) в слу­чае, если на тело не дей­ству­ют дру­гие тела.

За­клю­че­ние о том, как будет вести себя тело в от­сут­ствии дей­ствия дру­гих тел, впер­вые было пред­ло­же­но Рене Де­кар­том: если тело дви­жет­ся и на него не дей­ству­ют дру­гие тела, то дви­же­ние будет со­хра­нять­ся, оно будет оста­вать­ся пря­мо­ли­ней­ным и рав­но­мер­ным.

Если же на тело не дей­ству­ют дру­гие тела, а тело по­ко­ит­ся, то будет со­хра­нять­ся со­сто­я­ния покоя. Но из­вест­но, что со­сто­я­ние покоя свя­за­но с си­сте­мой от­сче­та, в одной СО тело по­ко­ит­ся, а в дру­гой вполне успеш­но и уско­рен­но дви­жет­ся.

Ре­зуль­та­ты опы­тов и рас­суж­де­ний при­во­дят к вы­во­ду о том, что не во всех си­сте­мах от­сче­та тело будет дви­гать­ся пря­мо­ли­ней­но и рав­но­мер­но или на­хо­дить­ся в со­сто­я­нии покоя при от­сут­ствии дей­ствия на него дру­гих тел.

Сле­до­ва­тель­но, для ре­ше­ния глав­ной за­да­чи ме­ха­ни­ки важно вы­брать такую си­сте­му от­че­та, где все-та­ки вы­пол­ня­ет­ся закон инер­ции, где ясна при­чи­на, вы­звав­шая из­ме­не­ние дви­же­ния тела. Если тело будет дви­гать­ся пря­мо­ли­ней­но и рав­но­мер­но в от­сут­ствии дей­ствия дру­гих тел, такая си­сте­ма от­сче­та будет для нас пред­по­чти­тель­ной, а на­зы­вать­ся она будет инер­ци­аль­ной си­сте­мой от­сче­та (ИСО).

Можно про­ве­сти сле­ду­ю­щие рас­суж­де­ния от­но­си­тель­но инер­ци­аль­ной си­сте­мы от­сче­та. Пред­ставь­те си­ту­а­цию, когда дви­жет­ся ав­то­мо­биль, затем во­ди­тель вы­клю­ча­ет дви­га­тель, и даль­ше ав­то­мо­биль дви­жет­ся по инер­ции. Но это некор­рект­ное утвер­жде­ние.

Рис.1. Ско­рость ав­то­мо­би­ля ме­ня­ет­ся в ре­зуль­та­те дей­ствия силы тре­ния

По той про­стой при­чине, что с те­че­ни­ем вре­ме­ни ав­то­мо­биль оста­но­вит­ся в ре­зуль­та­те дей­ствия силы тре­ния. По­это­му в дан­ном слу­чае не будет рав­но­мер­но­го дви­же­ния – одно из усло­вий от­сут­ству­ет.

Рас­смот­рим дру­гой слу­чай: с по­сто­ян­ной ско­ро­стью дви­жет­ся боль­шой, круп­ный трак­тор при этом впе­ре­ди тащит боль­шой груз ков­шом. Такое дви­же­ние можно рас­смат­ри­вать как пря­мо­ли­ней­ное и рав­но­мер­ное.

Рис. 2. Экс­ка­ва­тор дви­жет­ся рав­но­мер­но и пря­мо­ли­ней­но. Дей­ствие всех тел ском­пен­си­ро­ва­но

По­то­му что в этом слу­чае все силы, ко­то­рые дей­ству­ют на тело, ском­пен­си­ро­ва­ны, урав­но­ве­ши­ва­ют друг друга. Зна­чит, си­сте­му от­сче­та, свя­зан­ную с этим телом, мы можем счи­тать инер­ци­аль­ной.

Инер­ци­аль­ных си­стем от­сче­та может быть очень много. Ре­аль­но же такая си­сте­ма от­сче­та все-та­ки иде­а­ли­зи­ро­ва­на. По­сколь­ку при бли­жай­шем рас­смот­ре­нии таких си­стем от­сче­та в пол­ном смыс­ле нет. ИСО – это некая иде­а­ли­за­ция, ко­то­рая поз­во­ля­ет эф­фек­тив­но мо­де­ли­ро­вать ре­аль­ные фи­зи­че­ские про­цес­сы.

Для инер­ци­аль­ных си­стем от­сче­та спра­вед­ли­ва фор­му­ла сло­же­ния ско­ро­стей Га­ли­лея. Также за­ме­тим, что все си­сте­мы от­сче­та, о ко­то­рых мы го­во­ри­ли до этого, можно счи­тать инер­ци­аль­ны­ми в неко­то­ром при­бли­же­нии.

 Первый закон Ньютона

Впер­вые сфор­му­ли­ро­вал закон, по­свя­щен­ный ИСО, Исаак Нью­тон. За­слу­га Нью­то­на за­клю­ча­ет­ся в том, что он пер­вый на­уч­но по­ка­зал, что ско­рость дви­жу­ще­го­ся тела ме­ня­ет­ся не мгно­вен­но, а в ре­зуль­та­те ка­ко­го-то дей­ствия в те­че­ние вре­ме­ни. Вот этот факт и лег в ос­но­ву со­зда­ния за­ко­на, ко­то­рый на­зы­ва­ем пер­вым за­ко­ном Нью­то­на.

Пер­вый закон Нью­то­на: су­ще­ству­ют такие си­сте­мы от­сче­та, в ко­то­рых тело дви­жет­ся пря­мо­ли­ней­но и рав­но­мер­но или на­хо­дит­ся в со­сто­я­нии покоя в том слу­чае, если на тело не дей­ству­ют силы или все силы, дей­ству­ю­щие на тело, ском­пен­си­ро­ва­ны. Такие си­сте­мы от­сче­та на­зы­ва­ют­ся инер­ци­аль­ны­ми.

По-дру­го­му ино­гда го­во­рят сле­ду­ю­щее: инер­ци­аль­ной си­сте­мой от­сче­та на­зы­ва­ет­ся такая си­сте­ма, в ко­то­рой вы­пол­ня­ют­ся за­ко­ны Нью­то­на.

 Неинерциальные системы отсчёта

Боль­шая часть си­стем, ре­аль­ных си­стем от­сче­та – неинер­ци­аль­ные. Рас­смот­рим про­стой при­мер: сидя в по­ез­де, вы по­ло­жи­ли на стол ка­кое-ли­бо тело (на­при­мер, яб­ло­ко).

Когда поезд тро­га­ет­ся с места, мы будем на­блю­дать такую лю­бо­пыт­ную кар­ти­ну: яб­ло­ко будет дви­гать­ся, по­ка­тит­ся в про­ти­во­по­лож­ную дви­же­нию по­ез­да сто­ро­ну. В дан­ном слу­чае мы не смо­жем опре­де­лить, какие же тела дей­ству­ют, за­став­ля­ют яб­ло­ко дви­гать­ся.

В этом слу­чае го­во­рят, что си­сте­ма неинер­ци­аль­ная. Но можно выйти из по­ло­же­ния, введя силу инер­ции.

Еще один при­мер: когда тело дви­жет­ся по за­круг­ле­нию до­ро­ги, то воз­ни­ка­ет сила, ко­то­рая за­став­ля­ет от­кло­нять­ся тело от пря­мо­ли­ней­но­го на­прав­ле­ния дви­же­ния.

Рис. 3. При­мер неинер­ци­аль­ной СО

В этом слу­чае мы тоже долж­ны рас­смот­реть неинер­ци­аль­ную си­сте­му от­сче­та, но, как и в преды­ду­щем слу­чае, тоже можем выйти из по­ло­же­ния, вводя т.н. силы инер­ции.

 Заключение

Си­стем от­сче­та су­ще­ству­ет бес­ко­неч­ное мно­же­ство, но среди них боль­шин­ство – это те, ко­то­рые мы инер­ци­аль­ны­ми си­сте­ма­ми от­сче­та счи­тать не можем.

Инер­ци­аль­ная си­сте­ма от­сче­та – это иде­а­ли­зи­ро­ван­ная мо­дель.

Кста­ти, такой си­сте­мой от­сче­та мы можем при­нять си­сте­му от­сче­та, свя­зан­ную с Зем­лей или ка­ки­ми-ли­бо да­ле­ки­ми объ­ек­та­ми (на­при­мер, со звез­да­ми).

Источник: https://100ballov.kz/mod/page/view.php?id=2580

Инерциальная система отсчёта

Инерциальная система отсчета

Инерциа́льная систе́ма отсчёта (ИСО) — система отсчёта, в которой все свободные тела движутся прямолинейно и равномерно или покоятся.

Эквивалентной является следующая формулировка, удобная для использования в теоретической механике: «Инерциальной называется система отсчёта, по отношению к которой пространство является однородным и изотропным, а время — однородным».

Законы Ньютона, а также все остальные аксиомы динамики в классической механике формулируются по отношению к инерциальным системам отсчёта.

Термин «инерциальная система» (нем. Inertialsystem) был предложен в 1885 году Людвигом Ланге и означал систему координат, в которой справедливы законы Ньютона.

По замыслу Ланге, этот термин должен был заменить понятие абсолютного пространства, подвергнутого в этот период уничтожающей критике. С появлением теории относительности понятие было обобщено до «инерциальной системы отсчёта».

  • 1 Свойства инерциальных систем отсчёта
  • 2 Связь с реальными системами отсчёта
  • 3 Геоцентрическая инерциальная система координат
  • 4 Примечания
  • 5 См. также

Свойства инерциальных систем отсчёта

Всякая система отсчёта, движущаяся относительно ИСО равномерно, прямолинейно и без вращения, также является ИСО. Согласно принципу относительности, все ИСО равноправны, и все законы физики инвариантны относительно перехода из одной ИСО в другую. Это значит, что проявления законов физики в них выглядят одинаково, и записи этих законов имеют одинаковую форму в разных ИСО.

Предположение о существовании хотя бы одной ИСО в изотропном пространстве приводит к выводу о существовании бесконечного множества таких систем, движущихся друг относительно друга равномерно, прямолинейно и поступательно со всевозможными скоростями.

Если ИСО существуют, то пространство будет однородным и изотропным, а время — однородным; согласно теореме Нётер, однородность пространства относительно сдвигов даст закон сохранения импульса, изотропность приведёт к сохранению момента импульса, а однородность времени — к сохранению энергии движущегося тела.

Если скорости относительного движения ИСО, реализуемых действительными телами, могут принимать любые значения, связь между координатами и моментами времени любого «события» в разных ИСО осуществляется преобразованиями Галилея.

В специальной теории относительности скорости относительного движения ИСО, реализуемых действительными телами, не могут превышать некоторой конечной скорости «c» (скорость распространения света в вакууме) и связь между координатами и моментами времени любого «события» в разных ИСО осуществляется преобразованиями Лоренца.

Связь с реальными системами отсчёта

Абсолютно инерциальные системы представляют собой математическую абстракцию и в природе не существуют.

Однако существуют системы отсчёта, в которых относительное ускорение достаточно удалённых друг от друга тел (измеренное по эффекту Доплера) не превышает 10−10 м/с², например, Международная небесная система координат в сочетании с Барицентрическим динамическим временем дают систему, относительные ускорения в которой не превышают 1,5·10−10 м/с² (на уровне 1σ).

Точность экспериментов по анализу времени прихода импульсов от пульсаров, а вскоре — и астрометрических измерений, такова, что в ближайшее время должно быть измерено ускорение Солнечной системы при её движении в гравитационном поле Галактики, которое оценивается в м/с².

С разной степенью точности и в зависимости от области использования инерциальными системами можно считать системы отсчёта, связанные с: Землёй, Солнцем, неподвижные относительно звёзд.

Геоцентрическая инерциальная система координат

Рис. 1

Применение Земли в качестве ИСО, несмотря на приближённый его характер, широко распространено в навигации. Инерциальная система координат, как часть ИСО строится по следующему алгоритму.

В качестве точки O — начала координат выбирается центр земли в соответствии с принятой её моделью. Ось z совпадает с осью вращения земли. Оси x и y находятся в экваториальной плоскости.

Следует заметить, что такая система не участвует во вращении Земли.

Примечания

  1. Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М., 2005. — Т. I. Механика. — С. 71.
  2. «Система отсчёта называется инерциальной, если по отношению к ней любая свободная от взаимодействий с другими объектами Вселенной (изолированная) материальная точка движется равномерно и прямолинейно». Голубев Ю. Ф. Основы теоретической механики. — М.: МГУ, 2000. — С. 156. — 720 с. — ISBN 5-211-04244-1.

Источник: https://www.turkaramamotoru.com/ru/%D0%98%D0%BD%D0%B5%D1%80%D1%86%D0%B8%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B0%D1%8F-%D1%81%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0-%D0%BE%D1%82%D1%81%D1%87%D1%91%D1%82%D0%B0-59267.html

Какие системы отсчета называются инерциальными? Примеры инерциальной системы отсчета

Инерциальная система отсчета

Древние философы пытались понять суть движения, выявить воздействие звезд и Солнца на человека. Кроме того, люди всегда пытались выявить те силы, которые действуют на материальную точку в процессе ее движения, а также в момент покоя.

Аристотель считал, что при отсутствии движения на тело не оказывают воздействия какие-либо силы. Попробуем выяснить, какие системы отсчета называются инерциальными, приведем их примеры.

Состояние покоя

В повседневной жизни трудно выявить подобное состояние. Практически во всех видах механического движения предполагается присутствие посторонних сил. Причиной является сила трения, не дающая многим предметам покидать свое первоначальное положение, выходить из состояния покоя.

Рассматривая примеры инерциальной системы отсчета, отметим, что все они отвечают 1 закону Ньютона. Только после его открытия удалось объяснить состояние покоя, указывать силы, действующие в этом состоянии на тело.

Формулировка 1 закона Ньютона

В современной интерпретации он объясняет существование систем координат, относительно которых можно рассматривать отсутствие воздействия на материальную точку внешних сил. С точки зрения Ньютона, инерциальными называются системы отсчета, которые позволяют рассматривать сохранение скорости тела на протяжении длительного времени.

Какие системы отсчета являются инерциальными? Примеры их изучаются в школьном курсе физики. Инерциальными считают такие системы отсчета, относительно которых материальная точка передвигается с постоянной скоростью. Ньютон уточнял, что любое тело может находиться в подобном состоянии до тех пор, пока нет необходимости прикладывать к нему силы, способные изменять подобное состояние.

В реальности закон инерции выполняется не во всех случаях. Анализируя примеры инерциальных и неинерциальных систем отсчета, рассмотрим человека, держащегося за поручни в передвигающемся транспорте. При резком торможении машины человек автоматически передвигается относительно транспорта, несмотря на отсутствие внешней силы.

Получается, что не все примеры инерциальной системы отсчета соответствуют формулировке 1 закона Ньютона. Для уточнения закона инерции было введено уточненное определение систем отсчета, в которых он безукоризненно выполняется.

Виды систем отсчета

Какие системы отсчета называются инерциальными? Скоро это станет понятно.

«Приведите примеры инерциальных систем отсчета, в которых выполняется 1 закон Ньютона» – подобное задание предлагают школьникам, выбравшим физику в качестве экзамена в девятом классе.

Для того чтобы справиться с поставленной задачей, необходимо иметь представление об инерциальных и неинерциальных системах отсчета.

Инерция предполагает сохранение покоя или равномерного прямолинейного движения тела до тех пор, пока тело находится в изоляции. «Изолированными» считают тела, которые не связаны, не взаимодействуют, удалены друг от друга.

Рассмотрим некоторые примеры инерциальной системы отсчета. Если считать системой отсчета звезду в Галактике, а не движущийся автобус, выполнение закона инерции для пассажиров, которые держатся за поручни, будет безупречным.

Во время торможения данное транспортное средство будет продолжать равномерное прямолинейное движение до тех пор, пока на него не будут воздействовать иные тела.

Какие примеры инерциальной системы отсчета можно привести? Они не должны иметь связи с анализируемым телом, влиять на его инертность.

Именно для таких систем выполняется 1 закон Ньютона. В реальной жизни трудно рассматривать передвижение тела относительно инерциальных систем отсчета. Невозможно попасть на далекую звезду, чтобы с нее проводить земные эксперименты.

В качестве условных систем отсчета принимают Землю, несмотря на то что она связана с предметами, размещенными на ней.

Рассчитать ускорение в инерциальной системе отсчета можно, если считать в качестве системы отсчета поверхность Земли. В физике нет математической записи 1 закона Ньютона, но именно он является основой для выведения многих физических определений и терминов.

Примеры инерциальных систем отсчета

Школьникам иногда сложно понять физические явления. Девятиклассникам предлагается задание следующего содержания: «Какие системы отсчета называются инерциальными? Приведите примеры подобных систем».

Допустим, что тележка с шаром первоначально движется по ровной поверхности, имея постоянную скорость.

Далее она передвигается по песку, в результате шар приводится в ускоренное движение, несмотря на то что на него не действуют иные силы (их суммарное воздействие равно нулю).

Суть происходящего можно пояснить тем, что во время движения по песчаной поврехности система перестает быть инерциальной, она обладает постоянной скоростью. Примеры инерциальных и неинерциальных систем отсчета свидетельствуют о том, что в определенный промежуток времени происходит их переход.

При разгоне тела его ускорение имеет положительную величину, а при торможении этот показатель становится отрицательным.

Криволинейное движение

Относительно звезд и Солнца движение Земли осуществляется по криволинейной траектории, что имеет форму эллипса. Та система отсчета, в которой центр совмещается с Солнцем, а оси направлены на определенные звезды, будет считаться инерциальной.

Отметим, что всякая система отсчета, которая будет прямолинейно и равномерно передвигаться относительно гелиоцентрической системы, является инерциальной. Криволинейное движение осуществляется с некоторым ускорением.

Учитывая тот факт, что Земля совершает движение вокруг своей оси, система отсчета, которая связана с ее поверхностью, относительно гелиоцентрической движется с некоторым ускорением.

В подобной ситуации можно сделать вывод, что система отсчета, которая связана с поверхностью Земли, передвигается с ускорением относительно гелиоцентрической, поэтому ее нельзя считать инерциальной.

Но значение ускорения подобной системы настолько мало, что во многих случаях существенно влияет на специфику механических явлений, рассматриваемых относительно нее.

Чтобы решать практические задачи технического характера, принято считать инерциальной ту систему отсчета, которая жестко связана с поверхностью Земли.

Относительность Галилея

Все инерциальные системы отсчета имеют важное свойство, которое описывается принципом относительности. Суть его заключается в том, что любое механическое явление при одинаковых начальных условиях осуществляется одинаково независимо от выбираемой системы отсчета.

Равноправие ИСО по принципу относительности выражается в следующих положениях:

  • В таких системах законы механики одинаковы, поэтому любое уравнение, которое описывается ними, выражается через координаты и время, остается неизменным.
  • Результаты проводимых механических опытов позволяют устанавливать, будет ли система отсчета покоиться, или она совершает прямолинейное равномерное движение. Любая система условно может быть признана неподвижной, если другая при этом совершает относительно нее движение с некоторой скоростью.
  • Уравнения механики остаются неизменными по отношению к преобразованиям координат в случае перехода от одной системы ко второй. Можно описать одно и то же явление в различных системах, но их физическая природа при этом меняться не будет.

Решение задач

Первый пример.

Определите, является ли инерциальной системой отсчета: а) искусственный спутник Земли; б) детский аттракцион.

Ответ. В первом случае не идет речи об инерциальной системе отсчета, поскольку спутник передвигается по орбите под воздействием силы земного притяжения, следовательно, движение происходит с некоторым ускорением.

Аттракцион также нельзя считать инерциальной системой, поскольку его вращательное движение происходит с некоторым ускорением.

Второй пример.

Система отчета прочно связана с лифтом. В каких ситуациях ее можно называть инерциальной? Если лифт: а) падает вниз; б) передвигается равномерно вверх; в) ускоренно поднимается; г) равномерно направляется вниз.

Ответ. а) При свободном падении появляется ускорение, поэтому система отсчета, что связана с лифтом, не будет являться инерциальной.

б) При равномерном передвижении лифта система является инерциальной.

в) При движении с некоторым ускорением систему отсчета считают инерциальной.

г) Лифт передвигается замедленно, имеет отрицательное ускорение, поэтому нельзя назвать систему отсчета инерциальной.

Заключение

На протяжении всего времени своего существования человечество пытается понять явления, происходящие в природе. Попытки объяснить относительность движения были предприняты еще Галилео Галилеем. Исааку Ньютону удалось вывести закон инерции, который стали использовать в качестве основного постулата при проведении вычислений в механике.

В настоящее время в систему определения положения тела включают тело, прибор для определения времени, а также систему координат. В зависимости от того, подвижным или неподвижным является тело, можно дать характеристику положения определенного объекта в нужный промежуток времени.

Источник: http://fb.ru/article/343732/kakie-sistemyi-otscheta-nazyivayutsya-inertsialnyimi-primeryi-inertsialnoy-sistemyi-otscheta

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.