כמה מסגרות ייחוס אינרציאליות יש. מסגרות התייחסות אינרציאליות: החוק הראשון של ניוטון

כל מסגרת התייחסות הנעה בהדרגה, אחידה ובאופן ישר ביחס למסגרת ההתייחסות האינרציאלית היא גם מסגרת ייחוס אינרציאלית. לכן, תיאורטית, כל מספר של מסגרות ייחוס אינרציאליות יכול להתקיים.

במציאות, מערכת ההתייחסות תמיד קשורה לגוף ספציפי כלשהו, ​​שביחס אליו נחקרת התנועה של עצמים שונים. מכיוון שכל הגופים האמיתיים נעים בתאוצה כזו או אחרת, כל מסגרת ייחוס אמיתית יכולה להיחשב כמסגרת ייחוס אינרציאלית רק עם מידה מסוימת של קירוב. ברמת דיוק גבוהה, המערכת ההליוצנטרית יכולה להיחשב אינרציאלית, הקשורה למרכז המסה של מערכת השמש ועם צירים המכוונים לשלושה כוכבים מרוחקים. מסגרת התייחסות אינרציאלית כזו משמשת בעיקר בבעיות של מכניקה שמימית ואסטרונאוטיקה. כדי לפתור את רוב הבעיות הטכניות, ניתן לשקול את מסגרת ההתייחסות האינרציאלית, המחוברת באופן נוקשה לכדור הארץ.

עקרון היחסות של גלילאו

למסגרות ייחוס אינרציאליות יש תכונה חשובה המתארת עקרון היחסות של גלילאו:

• כל תופעה מכנית באותם תנאים ראשוניים ממשיכה באותו אופן בכל מסגרת התייחסות אינרציאלית.

השוויון של מסגרות ייחוס אינרציאליות, שנקבע על ידי עקרון היחסות, מתבטא באופן הבא:

1. חוקי המכניקה במסגרות ייחוס אינרציאליות זהים. משמעות הדבר היא כי המשוואה המתארת ​​חוק כלשהו של מכניקה, המתבטאת במונחים של הקואורדינטות והזמן של כל מסגרת ייחוס אינרציאלית אחרת, תהיה בעלת אותה צורה;
2. על פי תוצאות ניסויים מכניים, אי אפשר לקבוע אם מסגרת ייחוס נתונה נמצאת במנוחה או נעה באופן אחיד וישיר. בשל כך, לא ניתן לייחד אף אחת מהן כמערכת דומיננטית, שלמהירותה ניתן להעניק משמעות מוחלטת. המשמעות הפיזית היא רק מושג המהירות היחסית של מערכות, כך שכל מערכת יכולה להיחשב ללא תנועה על תנאי, והאחרת - נעה יחסית אליה במהירות מסוימת;
3. משוואות המכניקה ללא שינוי ביחס לתמורות קואורדינטות במעבר ממסגרת ייחוס אינרציאלית אחת לאחרת, כלומר. ניתן לתאר את אותה תופעה בשתי מסגרות התייחסות שונות בדרכים שונות כלפי חוץ, אך האופי הפיזי של התופעה נותר ללא שינוי.

דוגמאות לפתרון בעיות

דוגמה 1

דוגמה 2

תרגיל	מסגרת ההתייחסות מחוברת בצורה נוקשה עם המעלית. באילו מהמקרים הבאים מסגרת ההתייחסות יכולה להיחשב אינרציאלית? מעלית: א) נופלת בחופשיות; ב) נע באופן אחיד כלפי מעלה; ג) נע במהירות כלפי מעלה; ד) נע לאט למעלה; ד) נע בהתמדה למטה.
תשובה	א) נפילה חופשית היא תנועה עם האצה, לכן, מסגרת הייחוס הקשורה למעלית במקרה זה אינה יכולה להיחשב אינרציאלית; ב) מכיוון שהמעלית נעה באופן אחיד, מסגרת הייחוס יכולה להיחשב אינרציאלית;

מערכת התייחסות אינרציאלית (ISO)- מסגרת התייחסות שבה תקף חוק האינרציה: כל הגופים החופשיים (כלומר אלו שלא פועלים עליהם כוחות חיצוניים או פיצוי על פעולתם של כוחות אלו) נעים בהם בצורה ישרה ואחידה או נחים בהם.

מסגרת התייחסות לא אינרציאלית- מסגרת התייחסות שרירותית, שאינה אינרציאלית. כל מסגרת ייחוס הנעה בתאוצה ביחס לאינרציה אינה אינרציאלית.

החוק הראשון של ניוטון -ישנן מסגרות ייחוס אינרציאליות, כלומר מסגרות התייחסות כאלה שבהן הגוף נע בצורה אחידה וישרה, אם גופים אחרים אינם פועלים עליו. תפקידו העיקרי של חוק זה הוא להדגיש כי במסגרות התייחסות אלו כל התאוצות הנרכשות על ידי גופים הן תוצאות של אינטראקציות של גופים. תיאור נוסף של התנועה צריך להתבצע רק במסגרות ייחוס אינרציאליות.

 החוק השני של ניוטוןקובע שהגורם להאצת הגוף הוא האינטראקציה של גופים, המאפיין אותם הוא כוח. חוק זה נותן את המשוואה הבסיסית של הדינמיקה, המאפשרת, באופן עקרוני, למצוא את חוק התנועה של גוף אם הכוחות הפועלים עליו ידועים. ניתן לנסח חוק זה באופן הבא (איור 100):

האצה של גוף נקודתי (נקודה חומרית) עומדת ביחס ישר לסכום הכוחות הפועלים על הגוף, ובפרופורציה הפוך למסה של הגוף:

כאן ו− הכוח המתקבל, כלומר הסכום הווקטורי של כל הכוחות הפועלים על הגוף. במבט ראשון, משוואה (1) היא צורה נוספת של כתיבת הגדרת הכוח שניתנה בסעיף הקודם. עם זאת, זה לא ממש נכון. ראשית, חוק ניוטון קובע שמשוואה (1) כוללת את סכום כל הכוחות הפועלים על הגוף, דבר שאינו בהגדרת הכוח. שנית, החוק השני של ניוטון מדגיש באופן חד משמעי שהכוח הוא הגורם להאצת הגוף, ולא להיפך.

 החוק השלישי של ניוטוןמדגיש שהגורם להאצה הוא פעולה הדדית של גופים זה על זה. לכן, הכוחות הפועלים על גופים המקיימים אינטראקציה הם מאפיינים של אותה אינטראקציה. מנקודת מבט זו, אין שום דבר מפתיע בחוק השלישי של ניוטון (איור 101):

גופים נקודתיים (נקודות חומריות) מתקשרים עם כוחות שווים בגודלם ומנוגדים בכיוון ומכוונים לאורך הקו הישר המחבר את הגופים הללו:

איפה ו 12 - כוח הפועל על הגוף הראשון מהשני, א ו 21 הוא הכוח הפועל על הגוף השני מהראשון. ברור שכוחות אלה הם מאותו אופי. חוק זה הוא גם הכללה של עובדות ניסיוניות רבות. נעיר כי למעשה חוק זה הוא הבסיס לקביעת מסת הגופים שניתנה בסעיף הקודם.

ניתן לייצג את משוואת התנועה של נקודה חומרית במסגרת ייחוס לא אינרציאלית כ :

איפה - מִשׁקָלגופים, - תאוצה ומהירות של הגוף ביחס למסגרת ייחוס לא אינרציאלית, - סכום כל הכוחות החיצוניים הפועלים על הגוף, - האצה ניידתגופות - האצת קוריוליסגופים, - המהירות הזוויתית של התנועה הסיבובית של מסגרת ייחוס לא אינרציאלית סביב הציר המיידי העובר דרך המקור, - מהירות התנועה של המקור של מסגרת ייחוס לא אינרציאלית ביחס לכל מסגרת ייחוס אינרציאלית .

ניתן לכתוב משוואה זו בצורה הרגילה החוק השני של ניוטון, אם תיכנס כוחות אינרציה:

במערכות ייחוס לא אינרציאליות, נוצרים כוחות אינרציאליים. הופעת הכוחות הללו היא סימן למערכת ייחוס לא אינרציאלית.

כל מסגרות ההתייחסות מחולקות לאינרציה ולא אינרציאלית. מסגרת ההתייחסות האינרציאלית עומדת בבסיס המכניקה הניוטונית. הוא מאפיין תנועה ישרה אחידה ומצב מנוחה. מסגרת ייחוס לא אינרציאלית קשורה לתנועה מואצת לאורך מסלול אחר. תנועה זו נקבעת ביחס למערכות ייחוס אינרציאליות. מסגרת ההתייחסות הלא אינרציאלית קשורה להשפעות כגון כוח אינרציאלי, כוח צנטריפוגלי וכוח קוריוליס.

כל התהליכים הללו נוצרים כתוצאה מתנועה, ולא מהאינטראקציה בין גופים. חוקי ניוטון לרוב אינם פועלים במסגרות ייחוס לא אינרציאליות. במקרים כאלה, מתווספים תיקונים לחוקים הקלאסיים של המכניקה. כוחות הנובעים מתנועה לא אינרציאלית נלקחים בחשבון בפיתוח של מוצרים ומנגנונים טכניים, כולל כאלה עם סיבוב. בחיים אנו פוגשים אותם, נעים במעלית, נוסעים בקרוסלה, צופים במזג האוויר ובזרימת הנהרות. הם נלקחים בחשבון גם בעת חישוב תנועת החללית.

מסגרות ייחוס אינרציאליות ולא אינרציאליות

מסגרות ייחוס אינרציאליות לא תמיד מתאימות לתיאור תנועת הגופים. בפיזיקה ישנם 2 סוגים של מערכות ייחוס: מערכות ייחוס אינרציאליות ולא אינרציאליות. לפי המכניקה הניוטונית, כל גוף יכול להיות במנוחה או בתנועה אחידה ומיושרת, למעט מקרים בהם מופעלת השפעה חיצונית על הגוף. תנועה אחידה כזו נקראת תנועה אינרציאלית.

תנועה אינרציאלית (מערכות התייחסות אינרציאלית) היא הבסיס למכניקה של ניוטון ולעבודותיו של גלילאו. אם ניקח בחשבון את הכוכבים כעצמים קבועים (מה שלמעשה לא לגמרי נכון), אז כל עצמים הנעים באופן אחיד ומיושר ביחס אליהם יהוו מסגרות ייחוס אינרציאליות.

בניגוד למסגרות ייחוס אינרציאליות, מסגרת לא אינרציאלית נעה ביחס לזו שצוינה בתאוצה מסוימת. יחד עם זאת, השימוש בחוקי ניוטון דורש משתנים נוספים, אחרת הם לא יתארו את המערכת בצורה מספקת. על מנת לענות על השאלה אילו מסגרות ייחוס נקראות לא אינרציאליות, כדאי לשקול דוגמה לתנועה לא אינרציאלית. תנועה כזו היא סיבוב של כוכבי לכת שלנו ושל כוכבי לכת אחרים.

תנועה במסגרות ייחוס לא אינרציאליות

קופרניקוס היה הראשון שהראה כמה מורכבת יכולה להיות תנועה אם מעורבים כמה כוחות. לפניו האמינו שכדור הארץ נע מעצמו, בהתאם לחוקי ניוטון, ולכן תנועתו היא אינרציאלית. עם זאת, קופרניקוס הוכיח שכדור הארץ סובב סביב השמש, כלומר, הוא מבצע תנועה מואצת ביחס לעצם בלתי מותנה בתנאי, שעשוי להיות כוכב.

אז ישנן מערכות התייחסות שונות. לא אינרציאלי נקראים רק כאלה שבהם יש תנועה מואצת, שנקבעת ביחס למסגרת האינרציאלית.

כדור הארץ כמסגרת התייחסות

מסגרת התייחסות לא אינרציאלית, שדוגמאות לה ניתן למצוא כמעט בכל מקום, אופיינית לגופים עם מסלול תנועה מורכב. כדור הארץ סובב סביב השמש, מה שיוצר את התנועה המואצת האופיינית למסגרות ייחוס לא אינרציאליות. עם זאת, בתרגול היומיומי, כל מה שאנו פוגשים על פני כדור הארץ תואם למדי את ההנחות של ניוטון. העניין הוא שהתיקונים לתנועה לא אינרציאלית עבור מערכות ייחוס הקשורות לכדור הארץ הם מאוד חסרי משמעות ואינם ממלאים עבורנו תפקיד גדול. ומשוואות ניוטון מאותה סיבה מתבררות כתקפות באופן כללי.

מטוטלת פוקו

עם זאת, במקרים מסוימים, יש צורך בתיקונים. לדוגמה, המטוטלת המפורסמת בעולם של פוקו בקתדרלת סנט פטרסבורג לא רק מתנודדת ליניארית, אלא גם מסתובבת לאט. סיבוב זה נובע מתנועה לא אינרציאלית של כדור הארץ בחלל החיצון.

לראשונה זה נודע בשנת 1851 לאחר ניסויים של המדען הצרפתי ל. פוקו. הניסוי עצמו בוצע לא בסנט פטרבורג, אלא בפריז, באולם ענק. משקלו של כדור המטוטלת היה כ-30 ק"ג, ואורך החוט המחבר הגיע ל-67 מטרים.

במקרים שבהם רק הנוסחאות של ניוטון למסגרת ייחוס אינרציאלית אינן מספיקות כדי לתאר את התנועה, מתווספים להן מה שנקרא כוחות האינרציה.

מאפיינים של מסגרת התייחסות לא אינרציאלית

מסגרת ההתייחסות הלא אינרציאלית מבצעת תנועות שונות ביחס לאינרציה. זה יכול להיות תנועה קדימה, סיבוב, תנועות משולבות מורכבות. הספרות מספקת גם דוגמה פשוטה כל כך למסגרת התייחסות לא אינרציאלית כמו מעלית הנעה במהירות. בגלל התנועה המואצת שלו אנחנו מרגישים שאנחנו נלחצים לרצפה, או להיפך, יש תחושה קרובה לחוסר משקל. חוקי המכניקה של ניוטון אינם יכולים להסביר תופעה כזו. אם אתה עוקב אחר הפיזיקאי המפורסם, אז בכל רגע אותו כוח כבידה יפעל על אדם במעלית, מה שאומר שהתחושות צריכות להיות זהות, עם זאת, במציאות הכל שונה. לכן, יש צורך להוסיף כוח נוסף לחוקי ניוטון, הנקרא כוח האינרציה.

כוח אינרציה

כוח האינרציה הוא כוח הפועל ממשי, למרות שהוא שונה בטבעו מהכוחות הקשורים לאינטראקציה בין גופים במרחב. זה נלקח בחשבון בפיתוח של מבנים טכניים והתקנים, וממלא תפקיד חשוב בעבודתם. כוחות האינרציה נמדדים בדרכים שונות, למשל באמצעות דינמומטר קפיץ. מסגרות ייחוס לא אינרציאליות אינן סגורות, מכיוון שכוחות האינרציה נחשבים חיצוניים. כוחות האינרציה הם גורמים פיזיקליים אובייקטיביים ואינם תלויים ברצונו ובדעתו של המתבונן.

מערכות ייחוס אינרציאליות ולא אינרציאליות, שדוגמאות להן ניתן למצוא בספרי לימוד בפיזיקה, הן פעולת כוח אינרציאלי, כוח צנטריפוגלי, כוח קוריוליס, העברת תנע מגוף אחד למשנהו ואחרים.

תנועה במעלית

מערכות ייחוס לא אינרציאליות, כוחות האינרציה מראים את עצמם היטב במהלך עלייה או ירידה מואצת. אם המעלית נעה כלפי מעלה עם האצה, אז כוח האינרציה שנוצר נוטה ללחוץ על האדם לרצפה, ובעת בלימה, הגוף, להיפך, מתחיל להיראות קל יותר. מבחינת ביטויים, כוח האינרציה במקרה זה דומה לכוח הכבידה, אך יש לו אופי שונה לחלוטין. כוח הכבידה הוא כוח הכבידה, הקשור לאינטראקציה בין גופים.

כוחות צנטריפוגליים

כוחות במסגרות ייחוס לא אינרציאליות יכולים להיות גם צנטריפוגליים. יש צורך להכניס כוח כזה מאותה סיבה כמו כוח האינרציה. דוגמה בולטת לפעולת כוחות צנטריפוגליים היא הסיבוב על קרוסלה. בעוד שהכיסא נוטה לשמור את האדם ב"מסלולו", כוח האינרציה גורם ללחיצת הגוף כנגד הגב החיצוני של הכיסא. עימות זה מתבטא בהופעתה של תופעה כמו כוח צנטריפוגלי.

כוח קוריוליס

פעולתו של כוח זה ידועה בדוגמה של סיבוב כדור הארץ. זה יכול להיקרא כוח רק בתנאי, מכיוון שהוא לא כזה. המהות של פעולתו היא שבמהלך הסיבוב (לדוגמה, כדור הארץ), כל נקודה של גוף כדורי נעה במעגל, בעוד עצמים המנותקים מכדור הארץ נעים באופן אידיאלי בקו ישר (כמו, למשל, גוף שעף בחופשיות בחלל). מכיוון שקו הרוחב הוא מסלול של סיבוב של נקודות על פני כדור הארץ, ויש לו צורה של טבעת, כל הגופים שנתלשו ממנו ונעים בתחילה לאורך קו זה, נעים באופן ליניארי, מתחילים לסטות יותר ויותר ממנו. זה בכיוון של קווי רוחב נמוכים יותר.

אפשרות נוספת היא כאשר הגוף משוגר לכיוון המרידיוני, אך עקב סיבוב כדור הארץ, מנקודת מבטו של הצופה בכדור הארץ, תנועת הגוף כבר לא תהיה מרידיאלית למהדרין.

לכוח קוריוליס יש השפעה רבה על התפתחות תהליכים אטמוספריים. בהשפעתו פוגעים המים בחופו המזרחי של הנהרות הזורמים בכיוון האורך, תוך שחיקה הדרגתית, מה שמוביל להופעת מצוקים. במערב, להיפך, משקעים מופקדים, ולכן הם עדינים יותר ולעתים קרובות מוצפים במים במהלך שיטפונות. נכון, זו לא הסיבה היחידה שמובילה לכך שצד אחד של הנהר גבוה מהצד השני, אבל במקרים רבים הוא דומיננטי.

לכוח קוריוליס יש גם אישור ניסיוני. הוא הושג על ידי הפיזיקאי הגרמני F. Reich. בניסוי נפלו גופות מגובה של 158 מ'. בסך הכל בוצעו 106 ניסויים כאלה. במהלך הנפילה, הגופות סטו ממסלול ישיר (מנקודת מבטו של צופה ארצי) בכ-30 מ"מ.

מסגרות ייחוס אינרציאליות ותורת היחסות

תורת היחסות המיוחדת של איינשטיין נוצרה ביחס למסגרות ייחוס אינרציאליות. ההשפעות היחסיות כביכול, לפי תיאוריה זו, אמורות להופיע במקרה של מהירויות גבוהות מאוד של הגוף ביחס לצופה ה"נייח". כל הנוסחאות של תורת היחסות המיוחדת נכתבות גם עבור התנועה האחידה הטמונה במסגרת האינרציאלית. ההנחה הראשונה של תיאוריה זו טוענת את השקילותן של מערכות ייחוס אינרציאליות כלשהן, כלומר, היעדר מערכות מיוחדות ומובחנות מונחה.

עם זאת, זה מעמיד בספק את האפשרות לבחון השפעות רלטיביסטיות (כמו גם את עצם נוכחותן), שהובילו להופעת תופעות כמו פרדוקס התאומים. מכיוון שמערכות הייחוס הקשורות לטיל ולכדור הארץ שוות ביסודו, השפעות הרחבת הזמן בצמד "כדור הארץ-רקטה" יהיו תלויות רק במקום בו נמצא הצופה. אז, עבור צופה על רקטה, הזמן על כדור הארץ צריך ללכת לאט יותר, ועבור אדם על הפלנטה שלנו, להיפך, זה צריך ללכת לאט יותר על רקטה. כתוצאה מכך, התאום שנשאר על כדור הארץ יראה את אחיו המגיע צעיר יותר, ומי שהיה ברקטה, לאחר שהגיע, אמור לראות צעיר יותר מזה שנשאר על כדור הארץ. ברור שזה בלתי אפשרי פיזית.

משמעות הדבר היא שכדי להתבונן בהשפעות רלטיביסטיות, יש צורך במערכת ייחוס מיוחדת וייחודית. לדוגמה, ההנחה היא שאנו רואים עלייה רלטיבית בחייהם של מיואונים אם הם נעים במהירות קרובה לאור ביחס לכדור הארץ. משמעות הדבר היא שכדור הארץ צריך (יתר על כן, ללא חלופה) להיות בעל מאפיינים של מסגרת ייחוס בסיסית עדיפות, אשר סותרת את ההנחה הראשונה של SRT. עדיפות אפשרית רק אם כדור הארץ הוא מרכז היקום, מה שעולה בקנה אחד רק עם התמונה הפרימיטיבית של העולם וסותר את הפיזיקה.

מסגרות התייחסות לא אינרציאליות כדרך לא מוצלחת להסביר את פרדוקס התאומים

ניסיונות להסביר את העדיפות של מערכת ההתייחסות ה"ארצית" אינם עומדים בביקורת. יש מדענים שמשייכים את העדיפות הזו בדיוק לגורם האינרציאליות של אחד וחוסר האינרציה של מסגרת התייחסות אחרת. יחד עם זאת, מסגרת ההתייחסות הקשורה לצופה בכדור הארץ נחשבת לאינרציאלית, למרות העובדה שבמדעי הפיזיקה היא מוכרת רשמית כלא אינרציאלית (Detlaf, Yavorsky, course of physics, 2000). זה הראשון. השני הוא אותו עקרון שוויון של כל מערכות התייחסות. אז אם החללית עוזבת את כדור הארץ בתאוצה, אז מנקודת מבטו של הצופה בספינה עצמה, היא סטטית, וכדור הארץ, להיפך, עף ממנה במהירות גוברת.

מסתבר שכדור הארץ עצמו הוא מסגרת ייחוס מיוחדת, או שלאפקטים הנצפים יש הסבר אחר (לא יחסי). יכול להיות שהתהליכים קשורים לפרטים הספציפיים של הקמה או פרשנות של ניסויים, או למנגנונים פיזיקליים אחרים של התופעות הנצפות.

סיכום

לפיכך, מסגרות ייחוס לא אינרציאליות מובילות להופעת כוחות שלא מצאו את מקומם בחוקי המכניקה הניוטונית. בעת חישוב עבור מערכות לא אינרציאליות, יש לקחת בחשבון כוחות אלו, לרבות בעת פיתוח מוצרים טכניים.

מאז ימי קדם, תנועתם של גופים חומריים לא הפסיקה לרגש את מוחם של מדענים. כך, למשל, אריסטו עצמו האמין שאם לא יפעלו כוחות על גוף, אז גוף כזה תמיד יהיה במנוחה.

ורק לאחר 2000 שנה, המדען האיטלקי גלילאו גליליי הצליח להוציא את המילה "תמיד" מהניסוח של אריסטו. גלילאו הבין שההוויה של הגוף במנוחה אינה התוצאה היחידה של היעדר כוחות חיצוניים.

ואז הכריז גלילאו: גוף שלא פועלים עליו כוחות יהיה במנוחה או ינוע בצורה אחידה בקו ישר. כלומר, התנועה באותה מהירות לאורך נתיב ישר, מנקודת המבט של הפיזיקה, שקולה למצב של מנוחה.

מהו מצב המנוחה?

בחיים קשה מאוד להתבונן בעובדה זו, שכן תמיד יש כוח חיכוך שלא מאפשר לחפצים ולדברים לעזוב את מקומם. אבל אם נדמיין משטח החלקה ארוך לאין שיעור, חלקלק לחלוטין וחלק עליו עומד הגוף, יהיה ברור שאם ניתן לגוף דחף, אז הגוף ינוע לאורך אינסוף ובקו ישר אחד.

ולמעשה, רק שני כוחות פועלים על הגוף: כוח הכבידה וכוח התגובה של התמיכה. אבל הם ממוקמים על אותו קו ישר ומכוונים זה כנגד זה. לפיכך, לפי עקרון הסופרפוזיציה, יש לנו שהכוח הכולל הפועל על גוף כזה הוא אפס.

עם זאת, זהו המקרה האידיאלי. בחיים, כוח החיכוך מתבטא כמעט בכל המקרים. גלילאו גילה תגלית חשובה על ידי השוואת מצב של מנוחה ותנועה במהירות קבועה בקו ישר. אבל זה לא הספיק. התברר שתנאי זה אינו מתקיים בכל המקרים.

אייזק ניוטון הביא בהירות לסוגיה זו על ידי סיכום המחקר של גלילאו ובכך ניסח את החוק הראשון של ניוטון.

החוק הראשון של ניוטון: אנו מנסחים את עצמנו

ישנם שני ניסוחים לחוק הראשון של ניוטון, המודרני והניסוח של אייזק ניוטון עצמו. בגרסה המקורית, החוק הראשון של ניוטון קצת לא מדויק, והגרסה המודרנית, בניסיון לתקן את אי הדיוק הזה, התבררה כמבלבלת מאוד ולכן לא מוצלחת. ובכן, מכיוון שהאמת תמיד נמצאת איפשהו בקרבת מקום, ננסה למצוא אותה "בקרבה" ולהבין מהו החוק הזה.

ניסוח מודרנינשמע כך: "ישנן מסגרות התייחסות כאלה, הנקראות אינרציאליות, שבהן נקודה חומרית, בהיעדר השפעות חיצוניות, שומרת על גודל וכיוון מהירותה ללא הגבלת זמן".

מסגרות ייחוס אינרציאליות

מערכות ייחוס אינרציאליות נקראות שבהן מתקיים חוק האינרציה. חוק האינרציה הוא שגופים שומרים על מהירותם ללא שינוי אם לא פועלים עליהם גופים אחרים. זה מתברר מאוד בלתי ניתן לעיכול, לא מובן ודומה למצב קומי כאשר השאלה: "איפה זה" כאן "?" תשובה: "זה כאן", ולשאלה ההגיונית הבאה: "איפה זה "כאן"?" תשובה: "זה כאן." שמן חמאה. מעגל קסמים.

הניסוח של ניוטון עצמוהוא: "כל גוף ממשיך להיות מוחזק במצב של מנוחה או תנועה אחידה וישר, עד ובמידה שהוא נאלץ על ידי כוחות מופעלים לשנות מצב זה".

עם זאת, חוק זה לא תמיד מתקיים בפועל. אתה יכול לאמת זאת בקלות. כאשר אדם עומד ללא אחיזה במעקות באוטובוס נע, והאוטובוס בולם בחדות, האדם מתחיל להתקדם ביחס לאוטובוס, למרות ששום כוח נראה לא מאלץ אותו לעשות זאת.

כלומר, ביחס לאפיק, החוק הראשון של ניוטון בניסוח המקורי אינו מתקיים. ברור שצריך להבהיר. חידוד הוא הצגת מסגרות ייחוס אינרציאליות. כלומר, מערכות התייחסות כאלה שבהן מתקיים החוק הראשון של ניוטון. זה לא לגמרי ברור, אז בואו ננסה לתרגם את כל זה לשפה אנושית.

מסגרות ייחוס אינרציאליות ולא אינרציאליות

תכונת האינרציה של כל גוף היא כזו שכל עוד הגוף נשאר מבודד מגופים אחרים, הוא ישמור על מצב המנוחה שלו או תנועת ישר אחידה. "מבודד" פירושו לא מחובר בשום אופן, מרוחק אינסופית מגופים אחרים.

בפועל, זה אומר שאם, בדוגמה שלנו, לא ניקח אוטובוס, אלא כוכב כלשהו בפאתי הגלקסי כמסגרת ייחוס, אז החוק הראשון של ניוטון יתגשם לחלוטין עבור נוסע רשלני שלא מחזיק מעמד. אל המעקות. כאשר האוטובוס בולם, הוא ימשיך בתנועתו האחידה עד שיפעלו עליו גופים אחרים.

מערכות ייחוס אלו, שאינן קשורות בשום צורה לגוף הנדון, ואשר אינן משפיעות בשום צורה על האינרציה של הגוף, נקראות אינרציאליות. עבור מסגרות התייחסות כאלה, החוק הראשון של ניוטון בניסוח המקורי שלו תקף לחלוטין.

זה החוק ניתן לנסח כך: במסגרות התייחסות שממש לא קשורות לגוף, מהירות הגוף בהיעדר השפעה חיצונית נשארת ללא שינוי. בצורה זו, ניתן להבין בקלות את החוק הראשון של ניוטון.

הבעיה היא שבפועל קשה מאוד להתחשב בתנועה של גוף מסוים ביחס למסגרות התייחסות כאלה. איננו יכולים לעבור לכוכב מרוחק לאין שיעור ומשם לבצע ניסויים כלשהם על פני כדור הארץ.

לכן, כדור הארץ נחשב לרוב כמסגרת ייחוס כזו, אם כי הוא קשור לגופים הממוקמים עליו ומשפיע על מאפייני תנועתם. אבל עבור חישובים רבים, קירוב זה מספיק. לכן, דוגמאות למערכות ייחוס אינרציאליות יכולות להיחשב ככדור הארץ עבור הגופים הממוקמים עליו, מערכת השמש עבור כוכבי הלכת שלה וכן הלאה.

החוק הראשון של ניוטון אינו מתואר בשום נוסחה פיזיקלית, אך מושגים והגדרות אחרים נגזרים באמצעותו. למעשה, חוק זה מניח את האינרטיות של גופים. וכך יוצא שעבור מסגרות ייחוס אינרציאליות חוק האינרציה הוא החוק הראשון של ניוטון.

עוד דוגמאות למערכות אינרציאליות ולחוק הראשון של ניוטון

כך, למשל, אם עגלה עם כדור נוסעת תחילה על משטח שטוח, במהירות קבועה, ולאחר מכן פוגעת במשטח חולי, אז הכדור בתוך העגלה יתחיל להאיץ, למרות שלא פועלים עליו כוחות (למעשה , הם כן, אבל הסכום הוא אפס).

זה קורה מכיוון שמסגרת ההתייחסות (במקרה זה, העגלה) ברגע שהיא פוגעת במשטח החולי הופכת ללא אינרציאלית, כלומר היא מפסיקה לנוע במהירות קבועה.

החוק הראשון של ניוטון עושה הבחנה חשובה בין מסגרות ייחוס אינרציאליות ובלתי אינרציאליות. גם תוצאה חשובה של חוק זה היא העובדה שהתאוצה, במובן מסוים, חשובה יותר ממהירות הגוף.

כי תנועה במהירות קבועה בקו ישר היא המהות של להיות במנוחה. ואילו התנועה בתאוצה מציינת בבירור כי או שסכום הכוחות המופעלים על הגוף אינו שווה לאפס, או שמסגרת הייחוס בה נמצא הגוף אינה אינרציאלית, כלומר היא נעה בתאוצה.

יתרה מכך, האצה יכולה להיות גם חיובית (הגוף מאיץ) וגם שלילית (הגוף מאט).

צריכים עזרה בלימודים?

נושא קודם: יחסיות של תנועה: מושג ודוגמאות
הנושא הבא:   החוק השני של ניוטון: נוסחה והגדרה + מעט ניסיון

מסגרת ייחוס אינרציאלית

מסגרת התייחסות אינרציאלית(ISO) - מסגרת ייחוס שבה החוק הראשון של ניוטון (חוק האינרציה) תקף: כל הגופים החופשיים (כלומר אלו שאינם מושפעים מכוחות חיצוניים או פעולת הכוחות הללו מתוגמלת) נעים בצורה ישרה ואחידה או מנוחה. שווה ערך הוא הניסוח הבא, נוח לשימוש במכניקה תיאורטית:

מאפיינים של מסגרות ייחוס אינרציאליות

כל מסגרת התייחסות הנעה באופן אחיד ומיושר ביחס ל-IFR היא גם IFR. על פי עקרון היחסות, כל ה-IFR שווים, וכל חוקי הפיזיקה אינם משתנים ביחס למעבר מ-IFR אחד לאחר. המשמעות היא שהביטויים של חוקי הפיזיקה בהם נראים זהים, ולרישומים של חוקים אלה יש אותה צורה ב-ISOs שונים.

ההנחה של קיומו של לפחות IFR אחד במרחב איזוטרופי מובילה למסקנה שיש קבוצה אינסופית של מערכות כאלה הנעות זו ביחס לשנייה עם כל המהירויות הקבועות האפשריות. אם קיימים IFR, אז החלל יהיה הומוגני ואיזוטרופי, והזמן יהיה הומוגני; לפי המשפט של Noether, ההומוגניות של החלל ביחס לתזוזות תיתן את חוק שימור התנע, איזוטרופיה תוביל לשימור התנע הזוויתי, וההומוגניות של הזמן תשמר את האנרגיה של גוף נע.

אם המהירויות של התנועה היחסית של IFRs המוגשים על ידי גופים אמיתיים יכולות לקבל כל ערך, החיבור בין הקואורדינטות והזמנים של כל "אירוע" ב-IFRs שונים מתבצע על ידי טרנספורמציות גליליות.

חיבור למערכות ייחוס אמיתיות

מערכות אינרציאליות לחלוטין הן הפשטה מתמטית, שבאופן טבעי אינה קיימת בטבע. עם זאת, ישנן מערכות ייחוס שבהן התאוצה היחסית של גופים המרוחקים מספיק זה מזה (נמדדת על ידי אפקט דופלר) אינה עולה על 10-10 מ"ר לשנייה, לדוגמה, מערכת הקואורדינטות השמימית הבינלאומית בשילוב עם זמן דינמי בריצנטרי נותנת מערכת שבה היחסי עולה על 1.5 10 −10 m/s² (ברמת 1σ). הדיוק של ניסויים בניתוח זמן הגעת פולסים מפולסרים, ובקרוב מדידות אסטרומטריות, הוא כזה שבעתיד הקרוב יש למדוד את תאוצת מערכת השמש כשהיא נעה בשדה הכבידה של הגלקסיה, שהוא מוערך ב-m/s².

בדרגות שונות של דיוק ובהתאם לאזור השימוש, מערכות אינרציאליות יכולות להיחשב למערכות ייחוס הקשורות ל: כדור הארץ, השמש, קבועות ביחס לכוכבים.

מערכת קואורדינטות אינרציאלית גיאוצנטרית

השימוש בכדור הארץ כ-ISO, למרות אופיו המשוער, נפוץ בניווט. מערכת הקואורדינטות האינרציאלית, כחלק מה-ISO, בנויה לפי האלגוריתם הבא. מרכז כדור הארץ נבחר כנקודה O - מקור הקואורדינטות בהתאם למודל המקובל שלו. ציר z - חופף לציר הסיבוב של כדור הארץ. צירי x ו-y נמצאים במישור המשווה. יש לציין שמערכת כזו אינה משתתפת בסיבוב כדור הארץ.

הערות

ראה גם

קרן ויקימדיה. 2010 .

ראה מהי "מערכת הפניות אינרציאלית" במילונים אחרים:

מערכת התייחסות, שבה תקף חוק האינרציה: מאטר. נקודה שבה לא פועלים עליה כוחות (או פועלים עליה כוחות מאוזנים), נמצאת במנוחה או בתנועה ישרה אחידה. כל מערכת התייחסות, ... ... אנציקלופדיה פיזית

התייחסות אינרציאלית, ראה מסגרת התייחסות... אנציקלופדיה מודרנית

מסגרת ייחוס אינרציאלית- משוב אינרציאלי, ראה מסגרת התייחסות. … מילון אנציקלופדי מאויר

מסגרת ייחוס אינרציאלית- inercinė atskaitos sistema statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. מסגרת התייחסות גלילית; מערכת התייחסות אינרציאלית vok. inertiales Bezugssystem, n; מערכת אינרציאליות, נ; Tragheitssystem, n rus. מסגרת ייחוס אינרציאלית, f pranc.… … Fizikos terminų žodynas

מערכת ייחוס שבה תקף חוק האינרציה: נקודה חומרית, כאשר לא פועלים עליה כוחות (או פועלים כוחות מאוזנים הדדית), נמצאת במנוחה או בתנועה ישרה אחידה. כל…… האנציקלופדיה הסובייטית הגדולה

מערכת ייחוס שבה חוק האינרציה תקף, כלומר גוף נקי מהשפעות מגופים אחרים, שומר על מהירותו ללא שינוי (בערך מוחלט ובכיוון). אני. O. היא מערכת התייחסות כזו (ורק כזו), לגן עדן ... ... מילון פוליטכני אנציקלופדי גדול

מסגרת ייחוס שבה תקף חוק האינרציה: נקודה חומרית, שלא פועלים עליה כוחות, נמצאת במנוחה או בתנועה ישרה אחידה. כל מסגרת ייחוס הנעה ביחס ל-IS. O. בהדרגה... מדע טבעי. מילון אנציקלופדי

מסגרת ייחוס אינרציאלית- מערכת התייחסות, שביחס אליה נקודת חומר מבודדת נמצאת במנוחה או נעה בקו ישר ובאופן אחיד ... מילון הסבר טרמינולוגי פוליטכני

מערכת ייחוס שבה תקף חוק האינרציה: נקודה חומרית, שלא פועלים עליה כוחות, נמצאת במנוחה או בתנועה ישרה אחידה. כל מסגרת התייחסות נעה ביחס לאינרציה ... ... מילון אנציקלופדי

אינרציאלי של מערכת התייחסות- מסגרת התייחסות שבה תקף חוק האינרציה: נקודה חומרית, כאשר לא פועלים עליה כוחות (או פועלים כוחות מאוזנים הדדית), נמצאת במנוחה או בתנועה ישרה אחידה. כל מערכת... מושגים של מדעי הטבע המודרניים. מילון מונחים בסיסיים