Każdy układ odniesienia poruszający się progresywnie, jednostajnie i prostoliniowo względem układu inercjalnego jest również układem inercjalnym. Dlatego teoretycznie może istnieć dowolna liczba inercjalnych układów odniesienia.
W rzeczywistości układ odniesienia jest zawsze powiązany z jakimś konkretnym ciałem, w stosunku do którego badany jest ruch różnych obiektów. Ponieważ wszystkie ciała rzeczywiste poruszają się z takim czy innym przyspieszeniem, każdy rzeczywisty układ odniesienia można uznać za układ inercjalny tylko z pewnym stopniem przybliżenia. Z dużą dokładnością układ heliocentryczny można uznać za inercyjny, związany ze środkiem masy Układu Słonecznego iz osiami skierowanymi na trzy odległe gwiazdy. Taki inercjalny układ odniesienia jest używany głównie w problemach mechaniki nieba i astronautyki. Aby rozwiązać większość problemów technicznych, można rozważyć inercjalny układ odniesienia, sztywno związany z Ziemią.
Zasada względności Galileusza
Inercjalne układy odniesienia mają ważną właściwość, która opisuje Zasada względności Galileusza:
- każde zjawisko mechaniczne w tych samych warunkach początkowych przebiega w ten sam sposób w dowolnym inercjalnym układzie odniesienia.
Równość inercjalnych układów odniesienia, ustalona przez zasadę względności, wyraża się następująco:
- prawa mechaniki w inercjalnych układach odniesienia są takie same. Oznacza to, że równanie opisujące pewne prawo mechaniki, wyrażone we współrzędnych i czasie dowolnego innego inercjalnego układu odniesienia, będzie miało tę samą postać;
- Na podstawie wyników eksperymentów mechanicznych nie można stwierdzić, czy dany układ odniesienia pozostaje w spoczynku, czy też porusza się ruchem jednostajnym i prostoliniowym. Z tego powodu żadnego z nich nie można wyróżnić jako systemu dominującego, którego szybkości można nadać znaczenie absolutne. Znaczenie fizyczne to tylko koncepcja względnej prędkości systemów, tak że każdy system można uznać za warunkowo nieruchomy, a drugi - poruszający się względem niego z określoną prędkością;
- równania mechaniki pozostają niezmienione w odniesieniu do przekształceń współrzędnych w przejściu z jednego inercjalnego układu odniesienia do drugiego, tj. to samo zjawisko można opisać w dwóch różnych układach odniesienia w pozornie różne sposoby, ale fizyczna natura zjawiska pozostaje niezmieniona.
Przykłady rozwiązywania problemów
PRZYKŁAD 1
PRZYKŁAD 2
| Ćwiczenia | Rama odniesienia jest sztywno połączona z windą. W którym z poniższych przypadków układ odniesienia można uznać za inercyjny? Winda: a) spada swobodnie; b) porusza się ruchem jednostajnym w górę; c) porusza się szybko w górę; d) porusza się powoli w górę; d) stale spada. |
| Odpowiedź | a) swobodny spadek to ruch z przyspieszeniem , dlatego układ odniesienia związany z windą w tym przypadku nie może być uważany za bezwładny; b) ponieważ winda porusza się ruchem jednostajnym, układ odniesienia można uznać za inercyjny; |
Bezwładnościowy system odniesienia (ISO)- układ odniesienia, w którym obowiązuje prawo bezwładności: wszystkie ciała swobodne (czyli takie, na które nie działają siły zewnętrzne lub działanie tych sił jest kompensowane) poruszają się w nich prostoliniowo i jednostajnie lub spoczywają w nich.
Nieinercjalny układ odniesienia- dowolny układ odniesienia, który nie jest inercjalny. Każdy układ odniesienia poruszający się z przyspieszeniem względem bezwładności jest nieinercyjny.
Pierwsze prawo Newtona - istnieją inercjalne układy odniesienia, tj. takie układy odniesienia, w których ciało porusza się ruchem jednostajnym i prostoliniowym, jeśli inne ciała na nie nie działają. Główną rolą tego prawa jest podkreślenie, że w tych układach odniesienia wszystkie przyspieszenia uzyskiwane przez ciała są następstwem oddziaływań ciał. Dalszy opis ruchu powinien być prowadzony tylko w inercjalnych układach odniesienia.
Drugie prawo Newtona stwierdza, że przyczyną przyspieszenia ciał jest oddziaływanie ciał, których cechą charakterystyczną jest siła. Prawo to daje podstawowe równanie dynamiki, które w zasadzie umożliwia znalezienie prawa ruchu ciała, jeśli znane są działające na nie siły. Prawo to można sformułować w następujący sposób (ryc. 100):
przyspieszenie ciała punktowego (punktu materialnego) jest wprost proporcjonalne do sumy sił działających na to ciało i odwrotnie proporcjonalne do masy ciała:
Tutaj F− siła wypadkowa, czyli suma wektorowa wszystkich sił działających na ciało. Na pierwszy rzut oka równanie (1) jest inną formą zapisania definicji siły podanej w poprzednim podrozdziale. Jednak nie jest to do końca prawdą. Po pierwsze, prawo Newtona stwierdza, że równanie (1) obejmuje sumę wszystkich sił działających na ciało, których nie ma w definicji siły. Po drugie, drugie prawo Newtona jednoznacznie podkreśla, że przyczyną przyspieszenia ciała jest siła, a nie odwrotnie.
Trzecie prawo Newtona podkreśla, że przyczyną przyspieszenia jest wzajemne oddziaływanie ciał na siebie. Dlatego siły działające na oddziałujące ze sobą ciała są cechami tego samego oddziaływania. Z tego punktu widzenia nie ma nic zaskakującego w trzecim prawie Newtona (ryc. 101):
ciała punktowe (punkty materialne) oddziałują z siłami o równych wartościach i przeciwnych kierunkach, skierowanymi wzdłuż linii prostej łączącej te ciała:
Gdzie F 12 − siła działająca na pierwsze ciało z drugiego, a F 21 jest siłą działającą na drugie ciało od pierwszego. Oczywiście siły te mają ten sam charakter. Prawo to jest także uogólnieniem wielu faktów doświadczalnych. Zauważmy, że w rzeczywistości to właśnie to prawo jest podstawą do wyznaczania mas ciał podanych w poprzednim podrozdziale.
Równanie ruchu punktu materialnego w nieinercjalnym układzie odniesienia można przedstawić jako :
Gdzie - waga ciała, — przyspieszenie i prędkość ciała względem nieinercjalnego układu odniesienia, — suma wszystkich sił zewnętrznych działających na ciało, — przenośne przyspieszenie ciała - Przyspieszenie Coriolisa ciała, — prędkość kątowa ruchu obrotowego nieinercjalnego układu odniesienia wokół chwilowej osi przechodzącej przez początek, — prędkość ruchu początku nieinercjalnego układu odniesienia względem dowolnego inercjalnego układu odniesienia .
Równanie to można zapisać w zwykłej postaci Drugie prawo Newtona, jeśli wejdziesz siły bezwładności:
W nieinercjalnych układach odniesienia powstają siły bezwładności. Pojawienie się tych sił jest oznaką nieinercjalnego układu odniesienia.
Wszystkie układy odniesienia dzielą się na inercjalne i nieinercjalne. Bezwładnościowy układ odniesienia leży u podstaw mechaniki Newtona. Charakteryzuje ruch jednostajny prostoliniowy i stan spoczynku. Nieinercjalny układ odniesienia jest związany z ruchem przyspieszonym wzdłuż innej trajektorii. Ruch ten jest wyznaczany w odniesieniu do inercjalnych układów odniesienia. Nieinercjalny układ odniesienia jest związany z takimi efektami, jak siła bezwładności, siła odśrodkowa i siła Coriolisa.
Wszystkie te procesy powstają w wyniku ruchu, a nie interakcji między ciałami. Prawa Newtona często nie działają w nieinercjalnych układach odniesienia. W takich przypadkach do klasycznych praw mechaniki dodaje się poprawki. Siły wynikające z ruchu bezwładności są uwzględniane przy opracowywaniu produktów i mechanizmów technicznych, w tym obrotowych. W życiu spotykamy się z nimi, poruszając się windą, jeżdżąc na karuzeli, obserwując pogodę i bieg rzek. Są one również brane pod uwagę przy obliczaniu ruchu statku kosmicznego.
Inercjalne i nieinercjalne układy odniesienia
Inercjalne układy odniesienia nie zawsze nadają się do opisu ruchu ciał. W fizyce istnieją 2 rodzaje układów odniesienia: inercjalne i nieinercjalne układy odniesienia. Zgodnie z mechaniką Newtona każde ciało może być w spoczynku lub w ruchu jednostajnym i prostoliniowym, z wyjątkiem przypadków, gdy na ciało wywierany jest wpływ zewnętrzny. Taki ruch jednostajny nazywamy ruchem bezwładnościowym.
Ruch bezwładności (inercjalne układy odniesienia) jest podstawą mechaniki Newtona i prac Galileusza. Jeśli uznamy gwiazdy za obiekty nieruchome (co w rzeczywistości nie jest do końca prawdą), to wszelkie obiekty poruszające się względem nich ruchem jednostajnym i prostoliniowym utworzą inercyjne układy odniesienia.
W przeciwieństwie do inercjalnych układów odniesienia, układ nieinercjalny porusza się względem określonego z pewnym przyspieszeniem. Jednocześnie użycie praw Newtona wymaga dodatkowych zmiennych, w przeciwnym razie będą one niewłaściwie opisywać system. Aby odpowiedzieć na pytanie, które układy odniesienia nazywane są nieinercjalnymi, warto rozważyć przykład ruchu nieinercjalnego. Takim ruchem jest rotacja naszej i innych planet.
Ruch w nieinercjalnych układach odniesienia
Kopernik jako pierwszy pokazał, jak skomplikowany może być ruch, jeśli zaangażowanych jest kilka sił. Przed nim wierzono, że Ziemia porusza się sama, zgodnie z prawami Newtona, a zatem jej ruch jest bezwładny. Kopernik udowodnił jednak, że Ziemia krąży wokół Słońca, czyli wykonuje ruch przyspieszony względem obiektu warunkowo nieruchomego, jakim może być gwiazda.
Istnieją więc różne systemy odniesienia. Nieinercjalnymi nazywane są tylko te, w których występuje ruch przyspieszony, który jest określony względem układu inercjalnego.
Ziemia jako układ odniesienia
Nieinercjalny układ odniesienia, którego przykłady można znaleźć niemal wszędzie, jest typowy dla ciał o złożonej trajektorii ruchu. Ziemia krąży wokół Słońca, co powoduje przyspieszony ruch charakterystyczny dla nieinercjalnych układów odniesienia. Jednak w codziennej praktyce wszystko, z czym spotykamy się na Ziemi, jest w miarę zgodne z postulatami Newtona. Rzecz w tym, że poprawki na ruch nieinercjalny dla układów odniesienia związanych z Ziemią są bardzo nieznaczne i nie odgrywają dla nas dużej roli. Równania Newtona z tego samego powodu okazują się ogólnie ważne.
Wahadło Foucaulta
Jednak w niektórych przypadkach konieczne są poprawki. Na przykład słynne na całym świecie wahadło Foucaulta w katedrze w Petersburgu nie tylko oscyluje liniowo, ale także powoli się obraca. Ten obrót jest spowodowany nieinercjalnym ruchem Ziemi w przestrzeni kosmicznej.
Po raz pierwszy stało się to znane w 1851 roku po eksperymentach francuskiego naukowca L. Foucaulta. Sam eksperyment przeprowadzono nie w Petersburgu, ale w Paryżu, w ogromnej sali. Waga kuli wahadła wynosiła około 30 kg, a długość nici łączącej aż 67 metrów.
W przypadkach, gdy same wzory Newtona na inercjalny układ odniesienia nie wystarczają do opisania ruchu, dodaje się do nich tzw. siły bezwładności.
Własności nieinercjalnego układu odniesienia
Nieinercjalny układ odniesienia wykonuje różne ruchy względem układu inercjalnego. Może to być ruch do przodu, obrót, złożone ruchy kombinowane. Literatura podaje również tak prosty przykład nieinercjalnego układu odniesienia jak szybko poruszająca się winda. To dzięki jego przyspieszonemu ruchowi mamy wrażenie, że jesteśmy przyciśnięci do podłogi lub odwrotnie, mamy wrażenie bliskie nieważkości. Prawa mechaniki Newtona nie mogą wyjaśnić takiego zjawiska. Jeśli pójdziesz za słynnym fizykiem, to w każdej chwili ta sama grawitacja będzie działać na osobę w windzie, co oznacza, że \u200b\u200bdoznania powinny być takie same, jednak w rzeczywistości wszystko jest inne. Dlatego konieczne jest dodanie dodatkowej siły do praw Newtona, która nazywa się siłą bezwładności.
siła bezwładności
Siła bezwładności jest rzeczywistą siłą działającą, chociaż różni się charakterem od sił związanych z oddziaływaniem ciał w przestrzeni. Bierze się go pod uwagę przy opracowywaniu konstrukcji i urządzeń technicznych oraz odgrywa ważną rolę w ich pracy. Siły bezwładności mierzy się na różne sposoby, na przykład za pomocą dynamometru sprężynowego. Nieinercjalne układy odniesienia nie są zamknięte, ponieważ siły bezwładności są uważane za zewnętrzne. Siły bezwładności są obiektywnymi czynnikami fizycznymi i nie zależą od woli i opinii obserwatora.
Inercyjne i nieinercjalne układy odniesienia, których przykłady można znaleźć w podręcznikach do fizyki, to działanie siły bezwładności, siły odśrodkowej, siły Coriolisa, przenoszenia pędu z jednego ciała na drugie i inne.
Ruch w windzie
Nieinercyjne układy odniesienia, siły bezwładności dobrze sprawdzają się podczas przyspieszonego wznoszenia lub opadania. Jeśli winda porusza się w górę z przyspieszeniem, wówczas wynikająca z tego siła bezwładności ma tendencję do dociskania osoby do podłogi, a wręcz przeciwnie, podczas hamowania ciało zaczyna wydawać się lżejsze. Pod względem przejawów siła bezwładności jest w tym przypadku podobna do siły grawitacji, ale ma zupełnie inny charakter. Grawitacja to grawitacja, która jest związana z interakcją między ciałami.
siły odśrodkowe
Siły w nieinercjalnych układach odniesienia mogą być również odśrodkowe. Konieczne jest wprowadzenie takiej siły z tego samego powodu, co siła bezwładności. Uderzającym przykładem działania sił odśrodkowych jest obrót na karuzeli. Podczas gdy krzesło ma tendencję do utrzymywania osoby na swojej „orbicie”, siła bezwładności powoduje, że ciało jest dociskane do zewnętrznego oparcia krzesła. Ta konfrontacja wyraża się w pojawieniu się takiego zjawiska jak siła odśrodkowa.
Siła Coriolisa
Działanie tej siły jest dobrze znane na przykładzie ruchu obrotowego Ziemi. Można ją nazwać siłą tylko warunkowo, ponieważ nią nie jest. Istota jego działania polega na tym, że podczas obrotu (np. Ziemi) każdy punkt ciała kulistego porusza się po okręgu, podczas gdy obiekty oderwane od Ziemi idealnie poruszają się po linii prostej (jak np. ciało lecące swobodnie w kosmosie). Ponieważ linia szerokości geograficznej jest trajektorią obrotu punktów na powierzchni ziemi i ma postać pierścienia, wszelkie ciała, które są od niej odrywane i poruszają się początkowo wzdłuż tej linii, poruszając się liniowo, zaczynają coraz bardziej odchylać się od w kierunku niższych szerokości geograficznych.
Inną opcją jest wystrzelenie ciała w kierunku południkowym, ale ze względu na obrót Ziemi, z punktu widzenia obserwatora Ziemi, ruch ciała nie będzie już ściśle południkowy.
Siła Coriolisa ma ogromny wpływ na rozwój procesów atmosferycznych. Pod jej wpływem woda silniej uderza w wschodni brzeg płynących w kierunku południkowym rzek, stopniowo je erodując, co prowadzi do pojawienia się klifów. W zachodnim przeciwnie, osadzają się opady, więc jest łagodniejszy i często zalewany wodą podczas powodzi. To prawda, że nie jest to jedyny powód, dla którego jeden brzeg rzeki jest wyższy od drugiego, ale w wielu przypadkach jest dominujący.
Siła Coriolisa ma również potwierdzenie eksperymentalne. Uzyskał go niemiecki fizyk F. Reich. W eksperymencie ciała spadły z wysokości 158 m. W sumie przeprowadzono 106 takich eksperymentów. Podczas upadku ciała zboczyły z prostoliniowej (z punktu widzenia ziemskiego obserwatora) trajektorii o około 30 mm.
Inercjalne układy odniesienia i teoria względności
Szczególna teoria względności Einsteina powstała w odniesieniu do inercjalnych układów odniesienia. Tak zwane efekty relatywistyczne, zgodnie z tą teorią, powinny powstać w przypadku bardzo dużych prędkości ciała względem „nieruchomego” obserwatora. Wszystkie formuły szczególnej teorii względności są również napisane dla ruchu jednostajnego nieodłącznie związanego z inercjalnym układem odniesienia. Pierwszy postulat tej teorii stwierdza równoważność dowolnych inercjalnych układów odniesienia, tj. Postuluje się brak specjalnych, wyróżniających się układów.
Stawia to jednak pod znakiem zapytania możliwość testowania efektów relatywistycznych (a także sam fakt ich występowania), co doprowadziło do pojawienia się takich zjawisk jak paradoks bliźniąt. Ponieważ układy odniesienia związane z rakietą i Ziemią są zasadniczo równe, skutki dylatacji czasu w parze „Ziemia-rakieta” będą zależeć tylko od tego, gdzie znajduje się obserwator. Tak więc dla obserwatora na rakiecie czas na Ziemi powinien płynąć wolniej, a dla osoby na naszej planecie, wręcz przeciwnie, powinien płynąć wolniej na rakiecie. W rezultacie bliźniak, który pozostał na Ziemi, zobaczy swojego przybywającego brata młodszego, a ten, który był w rakiecie, po przybyciu powinien widzieć młodszego niż ten, który pozostał na Ziemi. Wiadomo, że jest to fizycznie niemożliwe.
Oznacza to, że aby zaobserwować efekty relatywistyczne, potrzebny jest specjalny, wyróżniający się układ odniesienia. Na przykład zakłada się, że obserwujemy relatywistyczny wzrost czasu życia mionów, jeśli poruszają się one z prędkością bliską prędkości światła względem Ziemi. Oznacza to, że Ziemia powinna (zresztą bez alternatywy) mieć właściwości priorytetowego, podstawowego układu odniesienia, co jest sprzeczne z pierwszym postulatem SRT. Priorytet jest możliwy tylko wtedy, gdy Ziemia jest centrum wszechświata, co jest zgodne tylko z prymitywnym obrazem świata i przeczy fizyce.
Nieinercjalne układy odniesienia jako nieudany sposób wyjaśnienia paradoksu bliźniąt
Próby wyjaśnienia pierwszeństwa „ziemskiego” układu odniesienia nie wytrzymują krytyki. Niektórzy naukowcy wiążą ten priorytet właśnie z czynnikiem bezwładności jednego i nieinercjalności innego układu odniesienia. Jednocześnie układ odniesienia związany z obserwatorem na Ziemi jest uważany za inercyjny, mimo że w naukach fizycznych jest oficjalnie uznawany za nieinercyjny (Detlaf, Yavorsky, kurs fizyki, 2000). To jest pierwszy. Druga to ta sama zasada równości dowolnych układów odniesienia. Tak więc, jeśli statek kosmiczny opuszcza Ziemię z przyspieszeniem, to z punktu widzenia obserwatora na samym statku jest statyczny, a Ziemia wręcz przeciwnie, odlatuje od niego z rosnącą prędkością.
Okazuje się, że sama Ziemia jest szczególnym układem odniesienia lub obserwowane efekty mają inne (nierelatywistyczne) wytłumaczenie. Być może procesy te są związane ze specyfiką przeprowadzania lub interpretacji eksperymentów lub z innymi fizycznymi mechanizmami obserwowanych zjawisk.
Wniosek
Zatem nieinercjalne układy odniesienia prowadzą do pojawienia się sił, które nie znalazły swojego miejsca w prawach mechaniki Newtona. Podczas obliczeń dla systemów nieinercyjnych siły te muszą być brane pod uwagę, w tym podczas opracowywania produktów technicznych.
Od czasów starożytnych ruch ciał materialnych nie przestał ekscytować umysłów naukowców. Na przykład sam Arystoteles uważał, że jeśli na ciało nie działają żadne siły, to takie ciało zawsze będzie w spoczynku.
I dopiero po 2000 latach włoski naukowiec Galileo Galilei był w stanie wykluczyć słowo „zawsze” ze sformułowania Arystotelesa. Galileusz zdał sobie sprawę, że spoczynek ciała nie jest jedyną konsekwencją braku działania sił zewnętrznych.
Następnie Galileusz oświadczył: ciało, na które nie działają żadne siły, będzie albo spoczywać, albo będzie poruszać się ruchem jednostajnym po linii prostej. Oznacza to, że ruch z tą samą prędkością po prostej, z punktu widzenia fizyki, jest równoważny ze stanem spoczynku.
Jaki jest stan spoczynku?
W życiu ten fakt jest bardzo trudny do zaobserwowania, ponieważ zawsze istnieje siła tarcia, która nie pozwala przedmiotom i rzeczom opuścić swoich miejsc. Ale jeśli wyobrazimy sobie nieskończenie długie, absolutnie śliskie i gładkie lodowisko, na którym stoi ciało, stanie się oczywiste, że jeśli damy ciału impuls, to ciało będzie się poruszało nieskończenie długo i po jednej linii prostej.
W rzeczywistości na ciało działają tylko dwie siły: siła grawitacji i siła reakcji podpory. Ale znajdują się na tej samej linii prostej i są skierowane przeciwko sobie. Zatem, zgodnie z zasadą superpozycji, całkowita siła działająca na takie ciało wynosi zero.
Jest to jednak sytuacja idealna. W życiu siła tarcia objawia się prawie we wszystkich przypadkach. Galileo dokonał ważnego odkrycia, porównując stan spoczynku i ruchu ze stałą prędkością w linii prostej. Ale to nie wystarczyło. Okazało się, że warunek ten nie we wszystkich przypadkach jest spełniony.
Isaac Newton wyjaśnił tę kwestię, podsumowując badania Galileusza i formułując w ten sposób Pierwsze Prawo Newtona.
Pierwsze prawo Newtona: formułujemy samych siebie
Istnieją dwa sformułowania pierwszego prawa Newtona, współczesne i sformułowanie samego Izaaka Newtona. W oryginalnej wersji pierwsze prawo Newtona jest nieco niedokładne, a współczesna wersja, próbując poprawić tę nieścisłość, okazała się bardzo zagmatwana i dlatego nie powiodła się. Cóż, ponieważ prawda jest zawsze gdzieś w pobliżu, spróbujemy ją znaleźć „w pobliżu” i dowiedzieć się, czym jest to prawo.
Nowoczesne sformułowanie brzmi tak: „Istnieją takie układy odniesienia, zwane bezwładnościowymi, względem których punkt materialny, przy braku wpływów zewnętrznych, zachowuje wielkość i kierunek swojej prędkości w nieskończoność”.
Inercjalne układy odniesienia
Nazywa się inercjalne układy odniesienia, w których spełnione jest prawo bezwładności. Prawo bezwładności mówi, że ciała zachowują niezmienną prędkość, jeśli żadne inne ciała na nie nie działają. Okazuje się bardzo niestrawny, niezrozumiały i przypomina komiczną sytuację, gdy pytanie: „Gdzie to jest„ tutaj ”?” odpowiedź: „To jest tutaj”, a na następne logiczne pytanie: „Gdzie jest to „tutaj”?” odpowiedź: „To tutaj”. Olej maślany. Błędne koło.
Własna formuła Newtona Jest: „Każde ciało pozostaje w stanie spoczynku lub ruchu jednostajnym i prostoliniowym, dopóki i o ile przyłożone siły zmuszą je do zmiany tego stanu”.
Jednak prawo to nie zawsze jest przestrzegane w praktyce. Możesz to łatwo zweryfikować. Gdy w jadącym autobusie osoba stoi nie trzymając się poręczy, a autobus gwałtownie hamuje, osoba ta zaczyna poruszać się do przodu względem autobusu, chociaż nie zmusza go do tego żadna widoczna siła.
Oznacza to, że w odniesieniu do autobusu pierwsze prawo Newtona w pierwotnym sformułowaniu nie jest spełnione. Wiadomo, że trzeba to wyjaśnić. Udoskonaleniem jest wprowadzenie inercjalnych układów odniesienia. Czyli takie układy odniesienia, w których spełnione jest pierwsze prawo Newtona. Nie jest to do końca jasne, więc spróbujmy to wszystko przełożyć na ludzki język.
Inercjalne i nieinercjalne układy odniesienia
Własność bezwładności dowolnego ciała polega na tym, że dopóki ciało pozostaje odizolowane od innych ciał, zachowuje swój stan spoczynku lub ruch jednostajnie prostoliniowy. „Izolowane” oznacza niepołączone w żaden sposób, nieskończenie oddalone od innych ciał.
W praktyce oznacza to, że jeśli w naszym przykładzie za układ odniesienia weźmiemy nie autobus, ale jakąś gwiazdę na obrzeżach Galaktyki, to pierwsze prawo Newtona będzie absolutnie dokładnie spełnione dla nieostrożnego pasażera, który nie trzyma się do poręczy. Kiedy autobus hamuje, będzie kontynuował swój ruch jednostajny, dopóki nie zadziałają na niego inne ciała.
Te układy odniesienia, które w żaden sposób nie są związane z rozważanym ciałem i które w żaden sposób nie wpływają na bezwładność ciała, nazywane są inercjalnymi. Dla takich układów odniesienia pierwsze prawo Newtona w swoim oryginalnym sformułowaniu jest bezwzględnie ważne.
Takie jest prawo można tak sformułować: w układach odniesienia, które absolutnie nie są związane z ciałem, prędkość ciała przy braku wpływu zewnętrznego pozostaje niezmieniona. W tej formie pierwsze prawo Newtona jest łatwe do zrozumienia.
Problem polega na tym, że w praktyce bardzo trudno jest rozważyć ruch konkretnego ciała względem takich układów odniesienia. Nie możemy przenieść się do nieskończenie odległej gwiazdy i stamtąd przeprowadzać jakiekolwiek eksperymenty na Ziemi.
Dlatego Ziemia jest umownie często traktowana jako taki układ odniesienia, chociaż jest powiązana z ciałami na niej położonymi i wpływa na charakterystykę ich ruchu. Ale dla wielu obliczeń to przybliżenie jest wystarczające. Dlatego przykłady inercyjnych układów odniesienia można uznać za Ziemię dla znajdujących się na niej ciał, Układ Słoneczny dla jego planet i tak dalej.
Pierwsze prawo Newtona nie jest opisane żadnym wzorem fizycznym, ale za jego pomocą wyprowadzono inne pojęcia i definicje. W rzeczywistości prawo to postuluje bezwładność ciał. I tak okazuje się, że dla inercjalnych układów odniesienia prawo bezwładności jest pierwszym prawem Newtona.
Więcej przykładów układów inercjalnych i pierwsze prawo Newtona
Na przykład, jeśli wózek z piłką jedzie najpierw po płaskiej powierzchni ze stałą prędkością, a następnie uderza w piaszczystą powierzchnię, to piłka wewnątrz wózka zacznie przyspieszać, chociaż nie działają na nią żadne siły (w rzeczywistości , robią, ale ich suma wynosi zero).
Dzieje się tak, ponieważ układ odniesienia (w tym przypadku wózek) w momencie uderzenia w piaszczystą powierzchnię staje się niebezwładny, czyli przestaje się poruszać ze stałą prędkością.
Pierwsze prawo Newtona wprowadza ważne rozróżnienie między inercjalnymi i nieinercjalnymi układami odniesienia. Ważną konsekwencją tego prawa jest również fakt, że przyspieszenie jest w pewnym sensie ważniejsze niż prędkość ciała.
Ponieważ poruszanie się ze stałą prędkością po linii prostej jest istotą spoczynku. Natomiast ruch z przyspieszeniem jednoznacznie wskazuje, że albo suma sił działających na ciało nie jest równa zeru, albo układ odniesienia, w którym znajduje się ciało, jest nieinercyjny, czyli porusza się z przyspieszeniem.
Co więcej, przyspieszenie może być zarówno dodatnie (ciało przyspiesza), jak i ujemne (ciało zwalnia).
Potrzebujesz pomocy w nauce?
Poprzedni temat: Względność ruchu: pojęcie i przykładyNastępny temat: Drugie prawo Newtona: formuła i definicja + małe doświadczenie
inercjalny układ odniesienia
Inercjalny układ odniesienia(ISO) – układ odniesienia, w którym obowiązuje pierwsze prawo Newtona (prawo bezwładności): wszystkie ciała swobodne (czyli takie, na które nie działają siły zewnętrzne lub działanie tych sił jest kompensowane) poruszają się prostoliniowo i jednostajnie lub odpoczynek. Równoważne jest następujące sformułowanie, wygodne do stosowania w mechanice teoretycznej:
Własności inercjalnych układów odniesienia
Każdy układ odniesienia poruszający się jednostajnie i prostoliniowo względem IFR jest również IFR. Zgodnie z zasadą względności wszystkie IFR są równe, a wszystkie prawa fizyki są niezmienne w odniesieniu do przejścia z jednego IFR do drugiego. Oznacza to, że manifestacje praw fizyki wyglądają w nich tak samo, a zapisy tych praw mają taką samą postać w różnych ISO.
Założenie istnienia co najmniej jednego IFR w przestrzeni izotropowej prowadzi do wniosku, że istnieje nieskończony zbiór takich układów poruszających się względem siebie ze wszystkimi możliwymi stałymi prędkościami. Jeśli istnieją IFR, to przestrzeń będzie jednorodna i izotropowa, a czas będzie jednorodny; zgodnie z twierdzeniem Noether, jednorodność przestrzeni pod względem przesunięć da prawo zachowania pędu, izotropia doprowadzi do zachowania momentu pędu, a jednorodność czasu pozwoli zachować energię poruszającego się ciała.
Jeśli prędkości względnego ruchu IFR realizowane przez ciała rzeczywiste mogą przyjmować dowolne wartości, to związek pomiędzy współrzędnymi i czasami dowolnego „zdarzenia” w różnych IFR odbywa się za pomocą transformacji Galileusza.
Połączenie z rzeczywistymi systemami odniesienia
Układy absolutnie inercjalne są abstrakcją matematyczną, która naturalnie nie istnieje w przyrodzie. Istnieją jednak układy odniesienia, w których względne przyspieszenie ciał wystarczająco oddalonych od siebie (mierzone efektem Dopplera) nie przekracza 10 −10 m/s², na przykład Międzynarodowy Układ Współrzędnych Niebieskich w połączeniu z Barycentrycznym Czasem Dynamicznym daje układ, w którym względna wartość przekracza 1,5 10 −10 m/s² (na poziomie 1σ). Dokładność eksperymentów dotyczących analizy czasu nadejścia impulsów z pulsarów, a wkrótce pomiarów astrometrycznych, jest taka, że w niedalekiej przyszłości należy zmierzyć przyspieszenie Układu Słonecznego, gdy porusza się on w polu grawitacyjnym Galaktyki, czyli szacowany w m/s².
Z różnym stopniem dokładności i w zależności od obszaru zastosowania układy inercyjne można uznać za układy odniesienia związane z: Ziemią, Słońcem, ustalone względem gwiazd.
Geocentryczny inercyjny układ współrzędnych
Wykorzystanie Ziemi jako ISO, pomimo jej przybliżonego charakteru, jest szeroko rozpowszechnione w nawigacji. Bezwładnościowy układ współrzędnych, będący częścią ISO, jest zbudowany według następującego algorytmu. Jako punkt O - początek współrzędnych wybiera się środek ziemi zgodnie z przyjętym modelem. Oś z - pokrywa się z osią obrotu Ziemi. Osie x i y leżą w płaszczyźnie równikowej. Należy zauważyć, że taki system nie uczestniczy w obrocie Ziemi.
Notatki
Zobacz też
Fundacja Wikimedia. 2010 .
Zobacz, czym jest „Inercyjny system odniesienia” w innych słownikach:
Układ odniesienia, w którym obowiązuje prawo bezwładności: mater. punkt, w którym nie działają na niego żadne siły (lub działają na niego wzajemnie równoważące się siły), znajduje się w spoczynku lub ruchu jednostajnym prostoliniowym. Dowolny system odniesienia, ... ... Encyklopedia fizyczna
ODNIESIENIE INERCYJNE, patrz Układ odniesienia... Współczesna encyklopedia
inercjalny układ odniesienia- INERCYJNE SPRZĘŻENIE ZWROTNE, patrz Ramka odniesienia. … Ilustrowany słownik encyklopedyczny
inercjalny układ odniesienia- inercinė atskaitos sistema statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. Galileuszowy układ odniesienia; inercyjny układ odniesienia vok. inercjały Bezugssystem, n; Układ inercyjny, n; Tragheitssystem, n rus. inercjalny układ odniesienia, f pranc.… … Fizikos terminų žodynas
Układ odniesienia, w którym obowiązuje prawo bezwładności: punkt materialny, gdy nie działają na niego żadne siły (lub działają siły wzajemnie równoważące się), znajduje się w spoczynku lub ruchu jednostajnym prostoliniowym. Każdy… … Wielka radziecka encyklopedia
Układ odniesienia, w którym obowiązuje prawo bezwładności, czyli ciało wolne od wpływów innych ciał, zachowuje niezmienioną prędkość (w wartości bezwzględnej i kierunku). Jest. O. jest taki (i tylko taki) układ odniesienia, do raju…… Duży encyklopedyczny słownik politechniczny
Układ odniesienia, w którym obowiązuje prawo bezwładności: punkt materialny, na który nie działają żadne siły, znajduje się w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym Dowolny układ odniesienia poruszający się względem IS. O. stopniowo... Naturalna nauka. słownik encyklopedyczny
inercjalny układ odniesienia- Układ odniesienia, względem którego izolowany punkt materialny spoczywa lub porusza się po linii prostej i jednostajnie... Politechniczny słownik objaśniający terminologię
Układ odniesienia, w którym obowiązuje prawo bezwładności: punkt materialny, na który nie działają żadne siły, pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym. Dowolny układ odniesienia poruszający się względem inercjalnego ... ... słownik encyklopedyczny
Układ odniesienia bezwładnościowy- układ odniesienia, w którym obowiązuje prawo bezwładności: punkt materialny, gdy nie działają na niego żadne siły (lub działają siły wzajemnie równoważące się), znajduje się w spoczynku lub ruchu jednostajnym prostoliniowym. Każdy układ... Koncepcje współczesnej nauki przyrodniczej. Słowniczek podstawowych terminów