V zgodovini se je tako zgodilo, da je prvi del fizike mehanika. Mehanika opisuje gibanje teles, najpomembnejšo vlogo v tem razdelku igra referenčni okvir.
V mehaniki pojem gibanja pomeni spremembo položaja telesa med seboj skozi čas. V skladu s tem je nemogoče slediti poti telesa brez referenčne točke ali drugače - koordinatnega sistema. Poleg tega je za fiksiranje gibanja potreben časovni referenčni sistem. Referenčni sistem v mehaniki je skupek koordinatnega sistema, vezanega na telo ali skupino teles, in časovnega referenčnega sistema, glede na katerega je mogoče upoštevati gibanje (ali mirovanje) nekega drugega telesa.
Kaj je referenčni sistem in kako pomembna je njegova izbira, je enostavno razumeti na primerih kozmičnih lestvic. Vsi vedo, da se Luna giblje okoli Zemlje po poti, ki je blizu krogu. V skladu s tem je gibanje naravnega satelita v referenčnem okviru, povezanem z našim planetom, videti precej preprosto. Zdaj si poskusite predstavljati, kako izgleda gibanje Lune, če je koordinatni sistem povezan s Soncem.
Inercijski sistemi
Referenčni sistemi se imenujejo inercialni, v katerih telo v odsotnosti sil, ki delujejo nanj (ali ko je skupna vrednost sil, ki delujejo nanj enaka nič), vzdržuje stanje mirovanja ali nadaljuje enakomerno pravokotno gibanje (tj. , premika se po vztrajnosti, od tod tudi ime). Obstoj takih referenčnih okvirov predpostavlja prvi Newtonov zakon. Prav ti sistemi so primerni za najenostavnejši opis gibanja teles.
Inercialni sistem je le idealen matematični model. Takšen referenčni sistem je fizično nemogoče najti. Za opis različnih procesov se uporabljajo različni referenčni sistemi. Poleg tega se lahko referenčni okvir v nekaterih primerih šteje za inercialnega, v drugih pa za neinercialnega. Dejstvo je, da je včasih računska napaka, ki jo povzroči neinercialnost sistema, nepomembna in jo je mogoče zanemariti.
Neinercialni referenčni sistemi
Inercialni in neinercialni referenčni sistemi so povezani s planetom Zemlja. Hkrati je treba razumeti, da je predpostavka, da je Zemlja inercialni sistem, v kozmičnem merilu zelo groba. Kljub temu ta grobi približek zadošča za opis številnih procesov, ki potekajo na površju planeta. V tem približku je natančno opisano zlasti gibanje kopenskega prometa, gibanje kroglic na biljardni mizi itd.
Zemlja se giblje okoli lastne osi. To gibanje je treba upoštevati na primer pri izstrelitvi vesoljskih plovil. V referenčnem okviru, povezanem z Zemljo, se raketa, izstreljena navpično, prav tako očitno premika v vodoravni smeri. To je logično: izstrelišče rakete se zaradi vrtenja premika skupaj s celotno površino planeta. Takšna odstopanja trajektorije, ki so značilna za neinercialne sisteme, so povsem matematično opisana z uporabo inercialnih sil (sil, ki dejansko ne obstajajo, vendar ob upoštevanju tega, kar pomaga čisto formalno razvrstiti referenčni okvir kot inercialni). V tem primeru je matematično vidno odstopanje rakete od ravne tirnice opisano s Coriolisovo silo, ki naj bi delovala nanjo.
ilustrativni primeri
Bolj vizualna predstavitev vztrajnostnih sil je podana s primeri referenčnih sistemov, povezanih z vozilom. Predstavljajte si mizo za biljard v vagonu vlaka, ki vozi naravnost in s konstantno hitrostjo. Potniki se lahko igrajo za to mizo, ne da bi čutili kakršno koli gibanje. Toda takoj, ko vlak močno zavira, pospeši ali zavije, bodo vsi začutili pritisk in žogice se bodo začele premikati. Vendar pa v referenčnem okviru, povezanem z vlakom, fizično ni bilo virov sile, ki bi privedli do te situacije. Ta "neobstoječa sila" se imenuje sila vztrajnosti.
Matematično je gibanje telesa (ali materialne točke) glede na izbran referenčni sistem opisano z enačbami, ki ugotavljajo, kako t koordinate, ki določajo položaj telesa (točke) v tem referenčnem okviru. Te enačbe imenujemo enačbe gibanja. Na primer, v kartezičnih koordinatah x, y, z je gibanje točke določeno z enačbami , , .
V sodobni fiziki je vsako gibanje relativno in je treba gibanje telesa obravnavati le v odnosu do nekega drugega telesa (referenčnega telesa) ali sistema teles. Nemogoče je navesti, na primer, kako se Luna na splošno giblje, lahko le določimo njeno gibanje, na primer glede na Zemljo, Sonce, zvezde itd.
Druge definicije
Včasih – zlasti v mehaniki kontinuuma in splošni teoriji relativnosti – referenčni okvir ni povezan z enim telesom, ampak s kontinuumom resničnih ali namišljenih osnovni referenčna telesa, ki določajo tudi koordinatni sistem. Svetovne črte referenčnih teles "pometajo" prostor-čas in v tem primeru postavljajo skladnost, glede na katero lahko upoštevamo rezultate meritev.
Relativnost gibanja
Relativnost mehanskega gibanja- to je odvisnost poti telesa, prevožene razdalje, premika in hitrosti od izbire referenčnega sistema.
Gibljiva telesa spreminjajo svoj položaj glede na druga telesa. Položaj avtomobila, ki drvi po avtocesti, se spreminja glede na oznake na kilometrskih stebričkih, položaj ladje, ki plava v morju blizu obale, se spreminja glede na obalo, gibanje letala, ki leti nad tlemi, pa je mogoče oceniti s spremembo svojega položaja glede na površino Zemlje. Mehansko gibanje je proces spreminjanja medsebojnega položaja teles v prostoru skozi čas. Lahko se pokaže, da se lahko isto telo giblje drugače glede na druga telesa.
Tako je mogoče reči, da se neko telo giblje le takrat, ko je jasno, glede na katero drugo telo - referenčno telo - se je njegov položaj spremenil.
Absolutni referenčni sistem
Pogosto v fiziki velja, da je nekaj SO najbolj priročno (privilegirano) v okviru reševanja določenega problema - to je določeno s preprostostjo izračunov ali pisanjem enačb dinamike teles in polj v njem. Običajno je ta možnost povezana s simetrijo problema.
Po drugi strani pa je prej veljalo, da obstaja nek "temeljni" referenčni okvir, preprostost pisanja, po kateri se naravni zakoni razlikujejo od vseh drugih sistemov. Na primer, fiziki devetnajstega stoletja Veljalo je, da je sistem, glede na katerega počiva eter Maxwellove elektrodinamike, privilegiran, zato so ga poimenovali Absolutni referenčni sistem (AFR). V sodobnih konceptih ni tako ločenega referenčnega okvira, saj imajo naravni zakoni, izraženi v tenzorski obliki, enako obliko v vseh referenčnih okvirih – torej na vseh točkah prostora in na vseh točkah v čas. Ta pogoj - lokalna invariantnost prostora in časa - je eden od preverljivih temeljev fizike.
Poglej tudi
Opombe
Fundacija Wikimedia. 2010.
Oglejte si, kaj je "Referenčni sistem" v drugih slovarjih:
REFERENČNI SISTEM- niz pogojno nespremenljivega sistema realnih ali abstraktnih teles, s katerimi je povezan (glej), in ure, ki počivajo v danem koordinatnem sistemu. Tak sistem vam omogoča, da določite položaj ali gibanje preučevanega telesa glede nanj (milijon ... ... Velika politehnična enciklopedija
referenčni sistem- - [A.S. Goldberg. Angleško-ruski energetski slovar. 2006] Teme energija na splošno EN referenčni sistem … Priročnik tehničnega prevajalca
V mehaniki niz koordinatnih sistemov in ur, povezanih s telesom, glede na katerega se proučuje gibanje (ali ravnovesje) nekaterih drugih materialnih točk ali teles. Vsako gibanje je relativno in gibanje telesa ... ... Velika sovjetska enciklopedija
referenčni sistem- atskaitos sistem statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. referenčni okvir; referenčni sistem vok. Bezugssystem, n rus. referenčni sistem, fpranc. système de reference, m … Fizikos terminų žodynas
referenčni sistem- Koordinatni sistem, povezan s togim telesom (telesi), glede na katerega je položaj drugih teles (ali mehanskih sistemov) določen v različnih časovnih točkah ... Politehnični terminološki razlagalni slovar
V mehaniki niz koordinatnih sistemov in sinhroniziranih ur, povezanih s telesom, glede na katerega se preučuje gibanje (ali ravnovesje) nekaterih drugih materialnih točk ali teles. Pri problemih dinamike ima prevladujočo vlogo ... ... enciklopedični slovar
Realno ali pogojno trdno telo, s katerim je povezan koordinatni sistem, opremljen z uro in se uporablja za določanje položaja v prostoru proučevane fizikalne. predmetov (delcev, teles itd.) v razč. točke v času. Pogosto pod S. približno. razumeti..... Veliki enciklopedični politehnični slovar
V mehaniki je celota koordinatnega sistema in sinhronizirana. ure povezane s telesom, v povezavi z Romom pa se preučuje gibanje (ali ravnotežje) dr. druge materialne točke ali telesa. Pri problemih dinamike prevladujočo vlogo igrajo inercialni ... ... Naravoslovje. enciklopedični slovar
referenčni sistem- je zunanji kontekst, v katerem se določen dogodek zgodi in torej v zvezi s katerim se razlaga ali ocenjuje. Tak kontekst je lahko na primer družbena situacija, v kateri posameznik deluje: V eni situaciji ... ... Enciklopedični slovar psihologije in pedagogike
Inercialni referenčni sistem- referenčni sistem, v katerem velja vztrajnostni zakon: materialna točka, ko nanjo ne delujejo sile (ali delujejo medsebojno uravnotežene sile), miruje ali se giblje enakomerno premočrtno. Vsak sistem... Koncepti sodobnega naravoslovja. Slovarček osnovnih pojmov
Iz predmeta fizike v sedmem razredu se spomnimo, da je mehansko gibanje telesa njegovo gibanje v času glede na druga telesa. Na podlagi teh informacij lahko predpostavimo potreben nabor orodij za izračun gibanja telesa.
Najprej potrebujemo nekaj, v zvezi s čimer bomo naredili naše izračune. Nato se moramo dogovoriti, kako bomo določili položaj telesa glede na to »nekaj«. In končno, čas boste morali nekako popraviti. Torej, da bi izračunali, kje bo telo v določenem trenutku, potrebujemo referenčni okvir.
Referenčni okvir v fiziki
V fiziki je referenčni sistem niz referenčnega telesa, koordinatnega sistema, povezanega z referenčnim telesom, in ure ali druge naprave za merjenje časa. Hkrati se je treba vedno zavedati, da je vsak referenčni okvir pogojen in relativen. Vedno je mogoče sprejeti drug referenčni okvir, glede na katerega bo imelo vsako gibanje popolnoma drugačne značilnosti.
Relativnost je na splošno pomemben vidik, ki ga je treba upoštevati pri skoraj vseh izračunih v fiziki. Na primer, v mnogih primerih še zdaleč ne moremo kadarkoli določiti natančnih koordinat premikajočega se telesa.
Zlasti opazovalcev z urami ne moremo postaviti vsakih sto metrov vzdolž železniške proge od Moskve do Vladivostoka. V tem primeru približno izračunamo hitrost in lokacijo telesa za neko časovno obdobje.
Pri določanju lokacije vlaka na nekaj sto ali tisoč kilometrov dolgi poti nam ni pomembna natančnost do enega metra. Za to obstajajo približki v fiziki. Eden od takih približkov je koncept "materialne točke".
Materialna točka v fiziki
Materialna točka v fiziki označuje telo, v primerih, ko njegovo velikost in obliko lahko zanemarimo. Predpostavlja se, da ima materialna točka maso prvotnega telesa.
Na primer, pri izračunu časa, ki ga bo letalo potrebovalo za let iz Novosibirska v Novopolotsk, nam ni pomembna velikost in oblika letala. Dovolj je vedeti, kakšno hitrost razvija in razdaljo med mesti. V primeru, ko moramo izračunati upor vetra na določeni višini in pri določeni hitrosti, potem ne moremo brez natančnega poznavanja oblike in dimenzij istega letala.
Skoraj vsako telo lahko štejemo za materialno točko, bodisi takrat, ko je razdalja, ki jo telo premaga, velika v primerjavi z njegovo velikostjo ali pa se vse točke telesa gibljejo na enak način. Na primer, avtomobil, ki je prevozil nekaj metrov od trgovine do križišča, je povsem primerljiv s to razdaljo. Toda tudi v takšni situaciji ga lahko štejemo za materialno točko, saj so se vsi deli avtomobila gibali enako in na enaki razdalji.
Toda v primeru, ko moramo isti avto postaviti v garažo, tega ne moremo več šteti za materialno točko. Upoštevati je treba njegovo velikost in obliko. To so tudi primeri, ko je treba upoštevati relativnost, torej glede na kaj delamo konkretne izračune.
mehansko gibanje- to je sprememba položaja telesa v prostoru glede na druga telesa.
Na primer, avto se premika po cesti. V avtu so ljudje. Ljudje se premikajo skupaj z avtomobilom po cesti. To pomeni, da se ljudje gibljejo v prostoru glede na cesto. Toda glede na sam avto se ljudje ne premikajo. To se pokaže.
Glavne vrste mehanskega gibanja:
translacijsko gibanje je gibanje telesa, pri katerem se vse njegove točke premikajo na enak način.
Na primer, isti avto se premika naprej po cesti. Natančneje, translacijsko gibanje izvaja samo telo avtomobila, njegova kolesa pa rotacijsko.
rotacijsko gibanje je gibanje telesa okoli osi. S takšnim gibanjem se vse točke telesa premikajo po krogih, katerih središče je ta os.
Kolesa, ki smo jih omenili, se rotacijsko gibljejo okoli svojih osi, hkrati pa se kolesa translacijsko gibljejo skupaj s karoserijo. To pomeni, da kolo izvaja rotacijsko gibanje glede na os in translacijsko gibanje glede na cesto.
nihajno gibanje- To je periodično gibanje, ki se pojavlja izmenično v dveh nasprotnih smereh.
Na primer, nihalo v uri naredi nihajno gibanje.
Translacijsko in rotacijsko gibanje sta najpreprostejši vrsti mehanskega gibanja.
Vsa telesa v vesolju se gibljejo, zato ni teles, ki bi bila v popolnem mirovanju. Iz istega razloga je mogoče ugotoviti, ali se telo giblje ali ne le relativno glede na drugo telo.
Na primer, avto se premika po cesti. Cesta je na planetu Zemlja. Cesta je nepremična. Zato je mogoče izmeriti hitrost vozila glede na mirujočo cesto. Toda cesta glede na Zemljo miruje. Vendar se Zemlja sama vrti okoli Sonca. Zato se tudi cesta, skupaj z avtomobilom, vrti okoli Sonca. Posledično avtomobil izvaja ne samo translacijsko gibanje, ampak tudi rotacijsko (glede na Sonce). Toda glede na Zemljo se avtomobil giblje le translacijsko. To se kaže relativnost mehanskega gibanja.
Relativnost mehanskega gibanja- to je odvisnost poti telesa, prevožene razdalje, premika in hitrosti od izbire referenčni sistemi.
Materialna točka
V mnogih primerih lahko velikost telesa zanemarimo, saj so dimenzije tega telesa majhne v primerjavi z razdaljo, ki ji je to telo podobno, ali v primerjavi z razdaljo med tem telesom in drugimi telesi. Za poenostavitev izračunov lahko takšno telo pogojno štejemo za materialno točko, ki ima maso tega telesa.
Materialna točka je telo, katerega dimenzije pod danimi pogoji lahko zanemarimo.
Avto, ki smo ga že večkrat omenili, lahko vzamemo kot materialno točko glede na Zemljo. Če pa se človek giblje znotraj tega avtomobila, potem ni več mogoče zanemariti velikosti avtomobila.
Pri reševanju problemov v fiziki se gibanje telesa praviloma obravnava kot gibanje materialne točke, in operirajo s pojmi, kot so hitrost materialne točke, pospešek materialne točke, zagon materialne točke, vztrajnost materialne točke itd.
referenčni sistem
Materialna točka se giblje glede na druga telesa. Telo, glede na katerega obravnavamo dano mehansko gibanje, se imenuje referenčno telo. Referenčno telo so izbrani poljubno glede na naloge, ki jih je treba rešiti.
Povezan z referenčnim telesom koordinatni sistem, ki je referenčna točka (izvor). Koordinatni sistem ima 1, 2 ali 3 osi, odvisno od pogojev vožnje. Položaj točke na premici (1 os), ravnini (2 osi) ali v prostoru (3 osi) je določen z eno, dvema ali tremi koordinatami. Za določitev položaja telesa v prostoru v kateremkoli trenutku je treba določiti tudi izhodišče časa.
referenčni sistem je koordinatni sistem, referenčno telo, s katerim je koordinatni sistem povezan, in naprava za merjenje časa. Glede na referenčni sistem se upošteva gibanje telesa. Eno in isto telo glede na različna referenčna telesa v različnih koordinatnih sistemih ima lahko popolnoma različne koordinate.
Trajektorija odvisno tudi od izbire referenčnega sistema.
Vrste referenčnih sistemov lahko različni, na primer fiksni referenčni okvir, gibljivi referenčni okvir, inercialni referenčni okvir, neinercialni referenčni okvir.
Za rešitev težav mehanike je potrebno določiti položaj telesa v prostoru. Šele takrat je mogoče upoštevati njegovo gibanje. To zahteva referenčni sistem v fiziki in mehaniki - to je koordinatni sistem in način merjenja časa.
Referenčni sistem v fiziki vključuje referenčno telo, z njim povezane koordinatne osi in napravo za merjenje časa. Referenčno telo je točka, od katere se meri položaj vseh drugih točk. Izberemo ga lahko kjer koli v prostoru. Včasih je za izhodišče izbranih več teles.
Kaj je koordinatni sistem? Omogoča enolično določitev položaja točke glede na začetno točko. Vsaki točki v prostoru so pridružena števila (eno ali več), ki so narisana na koordinatne osi.
Primer je šahovnica. Vsaka celica je označena s črko in številko, po eni osi gredo črke, po drugi pa številke. Zahvaljujoč njim lahko nedvoumno opišemo položaj figure.
Pomembno! Osi so označene z latinskimi ali grškimi črkami. Imajo pozitivno in negativno smer.
Najpogostejše vrste koordinat v fiziki so:
- pravokotni ali kartezični - uporablja se kot med osmi ravne črte, dve (na ravnini) ali tri (v tridimenzionalnem prostoru) osi;
- polarna - na ravnini, kjer se kot koordinate uporablja razdalja od središča r in kot glede na polarno os (polarni kot);
- cilindrično - razširitev polarnega na tridimenzionalni prostor, dodana je os z, pravokotna na r in ravnino, v kateri leži polarni kot;
- sferično - tridimenzionalno, uporabljata se dva kota in razdalja od središča, tako so zgrajene geografske in astronomske koordinate.
Obstaja veliko drugih možnosti za koordinate. Od enega do drugega se lahko premikate s transformacijo koordinat z uporabo enačb.
Pojem referenčni sistem (RS) vključuje napravo za merjenje časa, z drugimi besedami, uro. Upoštevati je treba gibanje točke - spremembo njenega položaja skozi čas.
Spremembe položaja točke glede na izbrano CO opisujejo enačbe gibanja. Kažejo, kako se položaj točke spreminja skozi čas.
Vrste referenčnih sistemov
Glede na to, katere probleme je treba rešiti, se lahko izbere en ali drug referenčni okvir.
Inercialne in neinercialne
SO so inercialne in neinercialne. Koncept inercialnega CO je pomemben za kinematiko – vejo fizike, ki proučuje gibanje teles.
Inercialni CO se giblje premočrtno s konstantno hitrostjo glede na okoliška telesa. Okoliški predmeti nanjo ne vplivajo. Če miruje, je tudi to poseben primer enakomernega premokotnega gibanja. Takšni CO imajo naslednje lastnosti:
- inercialni CO, ki se giblje glede na drug inercialni CO, bo tudi inercialen;
- vsi fizikalni zakoni se v različnih ISO izvajajo na enak način in imajo enako obliko zapisa;
- koordinate in čas v različnih IFR v klasični mehaniki povezujejo Galilejeve transformacije;
- v posebni teoriji relativnosti se namesto tega uporabljajo Lorentzove transformacije, hitrost pa ne sme preseči določene konstante (svetlobne hitrosti c).
Primer inercialnega CO je heliocentrični, s središčem na Soncu. CO, povezan z zemljo, ne bo inercialen. Naš planet se giblje okrog sonca krivočrtno, poleg tega pa nanj vpliva tudi gravitacija sonca. Pri mnogih težavah pa lahko ta pospešek in vpliv Sonca zanemarimo. To so naloge, kjer je »prizorišče« površje Zemlje. Na primer, če moramo najti hitrost izstreljenega izstrelka iz topa, nas vpliv Sonca in rotacija Zemlje ne zanimata.
Neinercialni CO je izpostavljen drugim predmetom, zato se giblje pospešeno. Med neinercialne spadajo tudi rotacijski CO. Pri neinercialnih FR niso izpolnjene, vendar je mogoče premik opisati z enakimi enačbami kot pri IFR, če vnesemo dodatne sile.
Sistem središča mase in laboratorij
V mehaniki se uporablja tudi sistem masnega središča (vztrajnostnega središča), skrajšano c.c.m. ali s.c.i. Za izhodišče koordinat v takem CO je izbrano središče mase več predmetov. Vsota njihovih momentov v takem CO je enaka nič.
Uporabi s.ts.i. največkrat pri težavah z raztrosom. Težave te vrste se rešujejo v mehaniki in jedrski fiziki, na primer, to so težave o trčenju delcev v pospeševalnikih.
Pri tovrstnih problemih se uporabljajo tudi laboratorijski RM. Je nasprotje s.c.i. V LSO je položaj delcev določen glede na tarčo v mirovanju, na kateri so razpršeni drugi delci.
Uporabni video: inercialni in neinercialni referenčni sistemi
Relativnost gibanja
Po sodobnih konceptih absolutni SD ne obstaja. To pomeni, da lahko gibanje teles obravnavamo le v povezavi z drugimi telesi. Nima smisla reči, da se predmet "sploh premika". Razlog za to so lastnosti prostora in časa:
- prostor je izotropen, to pomeni, da so v njem vse smeri enakovredne;
- prostor je homogen – vse točke imajo enake lastnosti;
- čas je homogen - ni posebnih časovnih trenutkov, vsi so enaki.
Pomembno! V času Newtona je veljalo, da je mogoče upoštevati gibanje glede na absolutni prostor, pozneje - glede na eter v Maxwellovi elektrodinamiki. Teorija relativnosti, ki jo je razvil Einstein, je dokazala, da ne more biti absolutne referenčne točke.
Koristen video: določanje koordinat telesa
Zaključek
Referenčni okviri v fiziki so potrebni za upoštevanje gibanja teles. Izberemo jih lahko na različne načine, saj je bolj priročno za določeno nalogo, saj je gibanje relativno. Za mehaniko so pomembni inercialni CO - tisti, ki se gibljejo enakomerno in premočrtno glede na druga telesa.