Неінерціальні та інерціальні системи відліку у фізиці

Неінерціальні та інерціальні системи відліку у фізиці Фізика

Системи відліку (СВ), якими користуються в механіці, поділяються на інерціальні і неінерціальні. Основу класичної механіки складають інерціальні системи відліку у фізиці (ІСВ), і визначаються вони першим законом Ньютона (законом інерції). До неінерціальних же систем (НІСВ) відносяться ті, в яких не виконується умова, прописана в законі інерції.

Перший закон Ньютона

Досвід показує, що об’єкт в стані спокою залишається нескінченно довго, якщо його залишити без впливу зовнішніх впливів. Також на практиці можна помітити, що будь-який об’єкт в русі має тенденцію сповільнюватися і зупинятися, якщо не будуть зроблені деякі зусилля, щоб утримати його в русі.

Однак перший закон механіки Ньютона дає більш глибоке пояснення цьому спостереженню і може формулюватися наступним чином: тіло в стані спокою залишається в спокої, а якщо воно знаходиться в русі, залишається в русі з постійною швидкістю, коли на нього не діє зовнішня сила.

У цій інтерпретації закону інерції варто звернути увагу на повторне використання дієслова» залишається”, як на підкреслення того, що тут йдеться саме про збереження статус-кво руху. Заслуговує на особливу увагу і словосполучення» “постійна швидкість” — це означає, що об’єкт підтримує шлях уздовж прямої лінії, оскільки ні величина, ні напрямок вектора швидкості не змінюються.

Перший закон класичної механіки можна сформулювати і так: кожне тіло залишається в своєму стані рівномірного руху по прямій лінії, якщо воно не змушене змінювати цей стан під впливом сил, що діють на нього. Для Ньютона “рівномірний рух по прямій” означало постійну швидкість, яка включає випадок нульової швидкості або стан спокою. Отже, цей закон говорить, що швидкість об’єкта залишається постійною, якщо зовнішня сумарна сила, що діє на нього, дорівнює нулю.

Закон інерції зазвичай вважається твердженням про системи відліку. Він надає метод для ідентифікації спеціального типу – інерціальної системи відліку. Якщо швидкість тіла щодо даної системи постійна, то ця система називається інерційною. Таким чином, за визначенням ІСО є структурою, в якій діє закон Ньютона, застосовуваний до об’єктів з постійною швидкістю.

Принцип відносності Галілея

Галілей встановив, що ніякими механічними дослідами, поставленими всередині ІСО, неможливо встановити, спочиває ця система або рухається рівномірно і прямолінійно. Це твердження має назву:

  • принцип відносності Галілея;
  • або механічний принцип відносності.

Сформулювати принцип відносності Галілея можна і таким чином: система відліку, яка рухається з постійною швидкістю відносно інерціальної системи, також є інерціальною.

Наприклад, закони Ньютона працюють у фізичній лабораторії. Але вони також працюють і щодо землі, на якій знаходиться ця лабораторія. (Швидкість фізичної лабораторії відносно Землі постійна і дорівнює нулю).

Причина зміни швидкості

Закон інерції говорить, що повинна бути причина для будь-якої зміни швидкості (зміна величини або напрямку). Ця причина є абсолютно зовнішньою силою. Швидкість об’єкта, що ковзає по столу або підлозі, сповільнюється через сили тертя (зовнішньої сили), що діє на нього. Якщо тертя зникне, об’єкт зможе зберігати свою постійну швидкість руху нескінченно довго. Ідея причини і наслідки має вирішальне значення для точного опису того, що відбувається в різних ситуаціях. Наприклад, можна розглянути, що відбувається з об’єктом, що ковзає по нерівній горизонтальній поверхні:

  1. Об’єкт швидко зупиняється.
  2. Якщо обприскувати поверхню тальком, щоб зробити її більш гладкою, досліджуване фізичне тіло ковзає далі.
  3. Коли поверхня ще більш гладка, наприклад, після втирання в неї мастильної оливи, то об’єкт буде ковзати ще далі.

Екстраполюючи на поверхню без тертя і ігноруючи опір повітря, можна уявити фізичне тіло, що ковзає по прямій нескінченно. Таким чином, тертя в цьому прикладі є причиною уповільнення (відповідно до першого закону класичної механіки). Об’єкт не сповільнився б, якщо зовнішній вплив (тертя) було б усунуто.

Перший закон Ньютона є загальним і може застосовуватися до всього:

  • до об’єкта, що ковзає по столу;
  • до супутника на орбіті;
  • і навіть до крові, що накачується серцем.

Експерименти підтвердили, що будь-яка зміна швидкості (модуль або напрямок) повинна бути викликана зовнішньою силою.

Важлива ідея загальноприйнятих або універсальних законів — це основна риса всіх законів фізики. Ідентифікація цих правил подібна розпізнаванню закономірностей в природі, з яких можна виявити подальші відповідності.

Геній Галілея, який першим розробив ідею першого закону руху, і Ньютона, який роз’яснив його, полягав у тому, щоб поставити фундаментальне питання: “у чому причина?”Мислення з точки зору причини і наслідки в корені відрізняється від типового давньогрецького підходу, коли на такі питання «Як” чому у тигра смуги?”відповіли Б арістотелівським способом – »це природа звіра”.

Здатність мислити від причини до слідства – це здатність встановлювати зв’язок між спостережуваним поведінкою і навколишнім світом.

Маса і інерція

Незалежно від масштабу об’єкта, будь то молекула або субатомна частинка, дві властивості – гравітація і інерція – залишаються в силі і, отже, представляють інтерес для фізики. Обидва пов’язані з масою. Грубо кажучи, маса є мірою кількості речовини в чомусь.

Маса також пов’язана з інерцією і здатністю об’єкта протистояти змінам в його русі, інакше кажучи, протистояти прискоренню. Як відомо, одні тіла мають більшу інерцією, ніж інші. Наприклад, змінити рух великого валуна складніше, ніж баскетбольного м’яча, тому що валун має більшу масу, ніж баскетбольний м’яч. Іншими словами, інерція об’єкта вимірюється його масою, тому перший закон класичної механіки часто називають законом інерції.

У вимірах, проведених щодо деяких інших СВ, закони Ньютона, мабуть, порушуються. Наприклад, коли автобус повертається за кут, стоїть пасажир, який не тримається за поручень, здається, прискорюється в сторону. Також, якщо спробувати кидати і ловити м’ячі на каруселі, то і тут можна помітити деякі очевидні порушення законів механіки.

Різниця в характерах рухів в залежності від вибору СВ, пов’язаної зі спостерігачем, добре ілюструється наступним прикладом. При кидку м’яча з центру каруселі кинув повертається за годинниковою стрілкою разом з каруселлю, і йому здається, що траєкторія м’яча згинається вліво — він рухається проти годинникової стрілки.

Для спостерігача ж, який не обертається (наприклад, у вертольоті зверху), карусель повертається за годинниковою стрілкою, а м’яч рухається у вертикальній площині по прямій лінії. Якщо забути про зовнішній світ і віднести все, що відбувається в рамки каруселі, то потрібно буде придумати інші фіктивні сили, які змусять рухомі об’єкти обертатися.

Закони Ньютона працюють у системах, які не обертаються. У СО, яким притаманне обертання, повинні бути задіяні “додаткові сили” для збереження законів механіки Ньютона. Вони в даному випадку є фіктивними силами і називаються відцентровими і силами Коріоліса.

Для кулі, кинутого на поверхню Землі, СВ, пов’язана з нею, майже не обертається під час польоту, тому спостерігач не помітить силу Коріоліса. Але вже для досить повільно хитного маятника Фуко можна сказати, що сила Коріоліса змушує його злегка відхилятися вліво і повільно прецесувати проти годинникової стрілки.

У південній півкулі океанічні течії і вітри також мають тенденцію відхилятися вліво: основні циркуляції, як і південнотихоокеанська течія, йдуть проти годинникової стрілки через сили Коріоліса.

Таким чином, можна констатувати, що відцентрові сили є прикладом уявних сил, винайдених для пояснення руху в неінерціальній системі відліку.

Реальні наближення

Чи поширені інерціальні структури в природі? Виявляється, що в межах помилки експерименту СВ в спокої щодо найбільш віддалених і “нерухомих” зірок є інерціальною. І всі системи відліку, пов’язані з тілами, що рухаються рівномірно відносно нерухомої зірки, також є інерційними.

В якості підтвердження сказаному можна привести наступний приклад: не обертається СВ, прикріплена до сонця, для всіх практичних цілей є інерціальною, оскільки зміна її швидкості щодо нерухомих зірок практично мізерно мало. Земля прискорюється відносно зірок, тому що вона обертається навколо своєї осі і обертається навколо Сонця. Отже, система відліку, пов’язана з її поверхнею, за фактом не є інерціальною.

Однак для більшості завдань такий варіант служить досить точним наближенням до ІСВ, оскільки прискорення точки на поверхні Землі щодо нерухомих зірок досить мало. І при вирішенні конкретних завдань, якщо не вказано інше, СВ, закріплені на землі, вважаються інерціальними.

Нарешті, жодна інерційна система не є більш особливою, ніж будь-яка інша. Що стосується законів природи, то всі ІСВ еквівалентні. І при аналізі проблеми віддається перевага одній системі замість іншої просто на основі зручності.

Оцініть статтю