Alle Bezugssysteme werden in Trägheits- und Nicht-Trägheitssysteme unterteilt. Das Trägheitsbezugssystem liegt der Newtonschen Mechanik zugrunde. Es kennzeichnet Uniform geradlinige Bewegung und einen Ruhezustand. Ein nicht-trägheitsbezogener Bezugsrahmen ist mit einer beschleunigten Bewegung entlang einer anderen Trajektorie verbunden. Diese Bewegung wird in Bezug auf Trägheitsbezugssysteme bestimmt. Der nicht-träge Bezugsrahmen ist mit Wirkungen wie Trägheitskraft, Zentrifugalkraft und Corioliskraft verbunden.

All diese Prozesse entstehen durch Bewegung und nicht durch Interaktion zwischen Körpern. Die Newtonschen Gesetze funktionieren oft nicht in nicht-trägen Bezugsrahmen. In solchen Fällen zu klassische Gesetze Mechanik sind Änderungen hinzugefügt. Bei der Entwicklung technischer Produkte und Mechanismen, einschließlich solcher mit Rotation, werden Kräfte aufgrund nicht-trägheitsbedingter Bewegung berücksichtigt. Im Leben begegnen wir ihnen, wenn wir uns in einem Aufzug bewegen, auf einem Karussell fahren, das Wetter und den Flusslauf beobachten. Sie werden auch bei der Berechnung der Bewegung von Raumfahrzeugen berücksichtigt.

Trägheits- und Nicht-Trägheitsbezugssysteme

Trägheitsbezugssysteme sind nicht immer geeignet, die Bewegung von Körpern zu beschreiben. In der Physik gibt es 2 Arten von Bezugssystemen: Trägheits- und Nicht-Trägheitsbezugssysteme. Gemäß der Newtonschen Mechanik kann sich jeder Körper in Ruhe oder in gleichmäßiger und geradliniger Bewegung befinden, außer in Fällen, in denen ein äußerer Einfluss auf den Körper ausgeübt wird. Eine solche gleichförmige Bewegung wird Trägheitsbewegung genannt.

Trägheitsbewegungen (Trägheitsbezugssysteme) sind die Grundlage der Newtonschen Mechanik und der Arbeiten von Galileo. Wenn wir die Sterne als feststehende Objekte betrachten (was eigentlich nicht ganz richtig ist), dann bilden alle Objekte, die sich relativ zu ihnen gleichförmig und geradlinig bewegen, ein Trägheitsbezugssystem.

Im Gegensatz zu Trägheitsbezugssystemen bewegt sich ein Nicht-Trägheitsrahmen relativ zu dem angegebenen mit einer bestimmten Beschleunigung. Gleichzeitig erfordert die Verwendung der Newtonschen Gesetze zusätzliche Variablen, da sie sonst das System nur unzureichend beschreiben. Um die Frage zu beantworten, welche Bezugssysteme als nicht-trägheitslos bezeichnet werden, lohnt es sich, ein Beispiel für eine nicht-trägheitsfreie Bewegung zu betrachten. Eine solche Bewegung ist die Rotation unseres und anderer Planeten.

Bewegung in nicht-trägen Bezugsrahmen

Kopernikus hat als Erster gezeigt, wie komplex Bewegung sein kann, wenn mehrere Kräfte beteiligt sind. Vor ihm glaubte man, dass sich die Erde gemäß den Newtonschen Gesetzen von selbst bewegt und ihre Bewegung daher träge ist. Copernicus hat jedoch bewiesen, dass sich die Erde um die Sonne dreht, dh sie macht eine beschleunigte Bewegung in Bezug auf ein bedingt unbewegliches Objekt, das ein Stern sein kann.

Es gibt also unterschiedliche Bezugssysteme. Als nicht träge werden nur solche bezeichnet, bei denen eine beschleunigte Bewegung vorliegt, die in Bezug auf das Trägheitssystem bestimmt wird.

Die Erde als Bezugsrahmen

Typisch für Körper mit komplexer Bewegungsbahn ist ein nicht-träges Bezugssystem, wie es fast überall Beispiele zu finden gibt. Die Erde dreht sich um die Sonne, was die beschleunigte Bewegung erzeugt, die für nicht-träge Bezugsrahmen charakteristisch ist. In der alltäglichen Praxis entspricht jedoch alles, was uns auf der Erde begegnet, durchaus den Newtonschen Postulaten. Die Sache ist die, dass die Korrekturen für nicht träge Bewegungen für mit der Erde verbundene Bezugssysteme sehr unbedeutend sind und für uns keine große Rolle spielen. Und die Newtonschen Gleichungen erweisen sich aus dem gleichen Grund als allgemeingültig.

Foucaultsches Pendel

In einigen Fällen sind jedoch Änderungen erforderlich. So schwingt beispielsweise das weltberühmte Foucault-Pendel in der Kathedrale von St. Petersburg nicht nur linear, sondern dreht sich auch langsam. Diese Drehung ist auf die nicht träge Bewegung der Erde im Weltraum zurückzuführen.

Erstmals bekannt wurde dies 1851 nach den Experimenten des französischen Wissenschaftlers L. Foucault. Das Experiment selbst wurde nicht in St. Petersburg, sondern in Paris in einer riesigen Halle durchgeführt. Das Gewicht der Pendelkugel betrug etwa 30 kg und die Länge des Verbindungsfadens sogar 67 Meter.

In den Fällen, in denen nur die Newtonschen Formeln für ein Trägheitsbezugssystem zur Beschreibung der Bewegung nicht ausreichen, werden diese um die sogenannten Trägheitskräfte ergänzt.

Eigenschaften eines nicht inertialen Bezugsrahmens

Der nicht-träge Bezugsrahmen führt verschiedene Bewegungen relativ zu dem trägen aus. Es kann eine Vorwärtsbewegung, Rotation, komplexe kombinierte Bewegungen sein. Auch die Literatur liefert solche das einfachste Beispiel Nicht-Trägheitsbezugssystem, wie ein sich schnell bewegender Aufzug. Durch seine beschleunigte Bewegung fühlen wir uns wie auf den Boden gepresst oder im Gegenteil, es entsteht ein Gefühl der Schwerelosigkeit. Die Newtonschen Gesetze der Mechanik können ein solches Phänomen nicht erklären. Wenn Sie dem berühmten Physiker folgen, wirkt in jedem Moment die gleiche Schwerkraft auf eine Person in einem Aufzug, was bedeutet, dass die Empfindungen gleich sein sollten, aber in Wirklichkeit ist alles anders. Daher ist es notwendig, den Newtonschen Gesetzen eine zusätzliche Kraft hinzuzufügen, die als Trägheitskraft bezeichnet wird.

Trägheitskraft

Die Trägheitskraft ist real aktive Kraft, obwohl es sich in seiner Natur von den Kräften unterscheidet, die mit der Wechselwirkung zwischen Körpern im Raum verbunden sind. Sie wird bei der Entwicklung von technischen Strukturen und Geräten berücksichtigt und spielt in deren Arbeit eine wichtige Rolle. Die Trägheitskräfte werden gemessen verschiedene Wege B. mit einem Federkraftmesser. Nicht-Trägheitsbezugssysteme sind nicht geschlossen, da die Trägheitskräfte als extern betrachtet werden. Die Trägheitskräfte sind objektive physikalische Größen und hängen nicht vom Willen und der Meinung des Beobachters ab.

Trägheits- und Nicht-Trägheitsbezugssysteme, von denen Beispiele in Lehrbüchern der Physik zu finden sind, sind die Wirkung von Trägheitskraft, Zentrifugalkraft, Corioliskraft, Impulsübertragung von einem Körper auf einen anderen und andere.

Bewegung im Aufzug

Nicht-Trägheitsbezugssysteme, Trägheitskräfte zeigen sich gut bei beschleunigtem Auf- oder Abstieg. Bewegt sich der Aufzug mit Beschleunigung nach oben, drückt die entstehende Trägheitskraft die Person tendenziell auf den Boden, und beim Bremsen beginnt der Körper dagegen leichter zu wirken. In Bezug auf die Erscheinungsformen ähnelt die Trägheitskraft in diesem Fall der Schwerkraft, hat jedoch eine völlig andere Natur. Schwerkraft ist Schwerkraft, die mit der Wechselwirkung zwischen Körpern verbunden ist.

Zentrifugalkräfte

Kräfte in nicht-trägen Bezugsrahmen können auch zentrifugal sein. Es ist aus dem gleichen Grund wie die Trägheitskraft erforderlich, eine solche Kraft einzuführen. Ein markantes Beispiel Einwirkung von Zentrifugalkräften - Rotation auf dem Karussell. Während der Stuhl dazu neigt, die Person in ihrer "Umlaufbahn" zu halten, bewirkt die Trägheitskraft, dass der Körper gegen die äußere Rückenlehne des Stuhls gedrückt wird. Diese Konfrontation drückt sich im Auftreten eines solchen Phänomens wie der Zentrifugalkraft aus.

Corioliskraft

Die Wirkung dieser Kraft ist am Beispiel der Erdrotation bekannt. Sie kann nur bedingt als Kraft bezeichnet werden, da sie keine solche ist. Die Essenz seiner Wirkung besteht darin, dass sich während der Rotation (z. B. der Erde) jeder Punkt eines kugelförmigen Körpers auf einem Kreis bewegt, während sich von der Erde losgelöste Objekte idealerweise in einer geraden Linie bewegen (wie z. B. ein frei fliegender Körper). im Weltraum). Da der Breitengrad eine Rotationsbahn von Punkten auf der Erdoberfläche ist und die Form eines Rings hat, beginnen alle Körper, die davon abgerissen werden und sich zunächst linear entlang dieser Linie bewegen, immer mehr davon abzuweichen es in Richtung niedrigerer Breiten.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass der Körper in meridionaler Richtung gestartet wird, aber aufgrund der Rotation der Erde aus Sicht eines irdischen Beobachters die Bewegung des Körpers nicht mehr streng meridional ist.

Die Corioliskraft übt aus großen Einflussüber die Entwicklung atmosphärischer Prozesse. Unter seinem Einfluss trifft das Wasser stärker auf das Ostufer der in meridionaler Richtung fließenden Flüsse und erodiert es allmählich, was zum Auftreten von Klippen führt. Im Westen dagegen lagern sich Niederschläge ab, so dass es sanfter ist und bei Hochwasser oft mit Wasser überflutet wird. Das ist zwar nicht der einzige Grund dafür, dass ein Flussufer höher liegt als das andere, aber in vielen Fällen dominiert es.

Die Coriolis-Kraft hat auch experimentelle Bestätigung. Es wurde vom deutschen Physiker F. Reich erhalten. Bei dem Experiment fielen Körper aus einer Höhe von 158 m. Insgesamt wurden 106 solcher Experimente durchgeführt. Während des Sturzes wichen die Körper von einer (aus Sicht eines irdischen Beobachters) geradlinigen Flugbahn um etwa 30 mm ab.

Trägheitsbezugssysteme und Relativitätstheorie

Einsteins spezielle Relativitätstheorie wurde in Bezug auf Trägheitsbezugsrahmen geschaffen. Die sogenannten relativistischen Effekte sollten nach dieser Theorie bei sehr hohen Geschwindigkeiten des Körpers relativ zum "ruhenden" Beobachter auftreten. Alle Formeln spezielle Theorie Relativitätstheorie werden auch für die gleichförmige Bewegung geschrieben, die dem Trägheitsbezugssystem innewohnt. Das erste Postulat dieser Theorie behauptet die Äquivalenz aller Trägheitsbezugssysteme, d.h. es wird das Fehlen spezieller, ausgezeichneter Systeme postuliert.

Dies stellt jedoch die Möglichkeit in Frage, relativistische Effekte zu testen (sowie die Tatsache ihres Vorhandenseins), was zum Auftreten von Phänomenen wie dem Zwillingsparadoxon geführt hat. Da die mit der Rakete und der Erde verbundenen Bezugsrahmen grundsätzlich gleich sind, hängen die Auswirkungen der Zeitdilatation im Paar "Erde-Rakete" nur davon ab, wo sich der Beobachter befindet. Für einen Beobachter auf einer Rakete sollte die Zeit auf der Erde also langsamer vergehen, und für einen Menschen auf unserem Planeten sollte sie im Gegenteil auf einer Rakete langsamer vergehen. Infolgedessen wird der Zwilling, der auf der Erde geblieben ist, seinen ankommenden Bruder jünger sehen, und derjenige, der in der Rakete angekommen ist, sollte jünger sehen als der, der auf der Erde geblieben ist. Es ist klar, dass dies physikalisch unmöglich ist.

Das bedeutet, dass zur Beobachtung relativistischer Effekte ein besonderer, ausgezeichneter Bezugsrahmen benötigt wird. Beispielsweise wird angenommen, dass wir eine relativistische Verlängerung der Lebensdauer von Myonen beobachten, wenn sie sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit relativ zur Erde bewegen. Das bedeutet, dass die Erde (im Übrigen alternativlos) die Eigenschaften eines vorrangigen, grundlegenden Bezugsrahmens haben sollte, was dem ersten Postulat der SRT widerspricht. Priorität ist nur möglich, wenn die Erde der Mittelpunkt des Universums ist, was nur mit dem primitiven Weltbild vereinbar ist und der Physik widerspricht.

Nicht-Trägheitsbezugsrahmen als erfolgloser Weg zur Erklärung des Zwillingsparadoxons

Versuche, den Vorrang des Bezugssystems „Erde“ zu erklären, halten der Kritik nicht stand. Einige Wissenschaftler verbinden diese Priorität genau mit dem Faktor der Trägheit des einen und der Nicht-Trägheit des anderen Bezugsrahmens. In diesem Fall wird der mit einem Beobachter auf der Erde verbundene Bezugsrahmen als träge angesehen, obwohl in Physikalische Wissenschaft es wird offiziell als nicht-inertial anerkannt (Detlaf, Yavorsky, Kurs Physik, 2000). Das ist das erste. Das zweite ist das gleiche Prinzip der Gleichheit aller Bezugssysteme. Also wenn Raumschiff verlässt die Erde mit Beschleunigung, dann ist es aus Sicht des Beobachters auf dem Schiff selbst statisch, und die Erde fliegt im Gegenteil mit zunehmender Geschwindigkeit von ihr weg.

Es stellt sich heraus, dass die Erde selbst ein spezielles Referenzsystem ist, oder die beobachteten Effekte eine andere (nicht-relativistische) Erklärung haben. Es kann sein, dass die Prozesse mit den Besonderheiten des Aufbaus oder der Interpretation von Experimenten oder mit anderen physikalischen Mechanismen der beobachteten Phänomene zusammenhängen.

Fazit

So führen nicht-träge Bezugssysteme zum Auftreten von Kräften, die in den Gesetzen der Newtonschen Mechanik keinen Platz gefunden haben. Bei der Berechnung für nicht-inertiale Systeme müssen diese Kräfte berücksichtigt werden, auch bei der Entwicklung technischer Produkte.

Seit der Antike Bewegung materielle Körper nie aufgehört, die Köpfe der Wissenschaftler zu erregen. So glaubte zum Beispiel Aristoteles selbst, dass, wenn keine Kräfte auf einen Körper einwirken, ein solcher Körper immer in Ruhe sein wird.

Und erst nach 2000 Jahren gelang es dem italienischen Wissenschaftler Galileo Galilei, das Wort „immer“ aus der Formulierung des Aristoteles auszuschließen. Galilei erkannte, dass die Ruhe des Körpers nicht die einzige Folge des Fehlens äußerer Kräfte ist.

Dann erklärte Galileo: Ein Körper, auf den keine Kräfte einwirken, wird entweder ruhen oder sich gleichförmig in einer geraden Linie bewegen. Das heißt, die Bewegung mit gleicher Geschwindigkeit auf einer geraden Bahn ist aus physikalischer Sicht gleichbedeutend mit einem Ruhezustand.

Was ist der Ruhezustand?

Im Leben ist diese Tatsache sehr schwer zu beobachten, da es immer eine Reibungskraft gibt, die es Objekten und Dingen nicht erlaubt, ihren Platz zu verlassen. Aber wenn wir uns eine unendlich lange, absolut rutschige und glatte Eisbahn vorstellen, auf der der Körper steht, wird deutlich, dass, wenn wir dem Körper einen Impuls geben, sich der Körper unendlich lang und in einer geraden Linie bewegen wird.

Und tatsächlich wirken nur zwei Kräfte auf den Körper: die Schwerkraft und die Reaktionskraft der Stütze. Sie befinden sich aber auf derselben Geraden und sind gegeneinander gerichtet. Nach dem Superpositionsprinzip haben wir also, dass die auf einen solchen Körper wirkende Gesamtkraft Null ist.

Dies ist jedoch der Idealfall. Im Leben manifestiert sich die Kraft der Reibung in fast allen Fällen. Galileo machte eine wichtige Entdeckung, indem er einen Ruhezustand und einen Bewegungszustand mit konstanter Geschwindigkeit in einer geraden Linie gleichsetzte. Aber das war nicht genug. Es zeigte sich, dass diese Bedingung nicht in allen Fällen erfüllt ist.

Isaac Newton brachte Klarheit in diese Frage, indem er Galileos Forschungen zusammenfasste und damit Newtons erstes Gesetz formulierte.

Newtons erstes Gesetz: Wir formulieren uns selbst

Es gibt zwei Formulierungen von Newtons erstem Gesetz, das moderne und die Formulierung von Isaac Newton selbst. In der ursprünglichen Version ist Newtons erstes Gesetz etwas ungenau, und die moderne Version erwies sich bei dem Versuch, diese Ungenauigkeit zu korrigieren, als sehr verwirrend und daher erfolglos. Nun, da die Wahrheit immer irgendwo in der Nähe ist, werden wir versuchen, sie „in der Nähe“ zu finden und herauszufinden, was dieses Gesetz ist.

Moderne Formulierung klingt so: „Es gibt solche Bezugssysteme, sogenannte Trägheitssysteme, in Bezug auf die ein materieller Punkt in Abwesenheit äußerer Einflüsse die Größe und Richtung seiner Geschwindigkeit auf unbestimmte Zeit beibehält.“.

Trägheitsbezugssystem

Trägheitsbezugssysteme werden genannt, in denen das Trägheitsgesetz erfüllt ist. Das Trägheitsgesetz besagt, dass Körper ihre Geschwindigkeit unverändert beibehalten, wenn keine anderen Körper auf sie einwirken. Es erweist sich als sehr unverdaulich, unverständlich und ähnelt einer komischen Situation, wenn die Frage: „Wo ist das „hier“?“ Antwort: „Das ist hier“, und auf die nächste logische Frage: „Wo ist dieses „hier“?“ Antwort: "Es ist hier." Butteröl. Teufelskreis.

Newtons eigene Formulierung ist: „Jeder Körper wird solange in einem Zustand der Ruhe oder gleichförmigen und geradlinigen Bewegung gehalten, bis und soweit er durch aufgebrachte Kräfte gezwungen wird, diesen Zustand zu ändern“.

Dieses Gesetz wird jedoch in der Praxis nicht immer befolgt. Sie können dies leicht überprüfen. Wenn eine Person in einem fahrenden Bus steht, ohne sich an den Handläufen festzuhalten, und der Bus scharf bremst, beginnt die Person, sich relativ zum Bus vorwärts zu bewegen, obwohl sie keine sichtbare Kraft dazu zwingt.

Das heißt, in Bezug auf den Bus ist Newtons erstes Gesetz in der ursprünglichen Formulierung nicht erfüllt. Das muss natürlich geklärt werden. Eine Verfeinerung ist die Einführung von Trägheitsbezugssystemen. Also solche Bezugssysteme, in denen das erste Newtonsche Gesetz erfüllt ist. Das ist nicht ganz klar, also versuchen wir, das alles in die menschliche Sprache zu übersetzen.

Trägheits- und Nicht-Trägheitsbezugssysteme

Die Trägheitseigenschaft jedes Körpers ist derart, dass er, solange er von anderen Körpern isoliert bleibt, seinen Ruhezustand oder seine gleichförmige geradlinige Bewegung beibehält. „Isoliert“ bedeutet in keiner Weise verbunden, unendlich weit entfernt von anderen Körpern.

In der Praxis bedeutet dies: Wenn wir in unserem Beispiel nicht einen Bus, sondern irgendeinen Stern am Rande der Galaxis als Bezugssystem nehmen, dann ist Newtons erstes Gesetz für einen unvorsichtigen Fahrgast, der sich nicht festhält, absolut exakt erfüllt zu den Handläufen. Wenn der Bus bremst, setzt er seine gleichförmige Bewegung fort, bis andere Körper auf ihn einwirken.

Diese Bezugssysteme, die in keiner Weise mit dem betrachteten Körper verbunden sind und die Trägheit des Körpers in keiner Weise beeinflussen, werden als inertial bezeichnet. Für solche Bezugssysteme gilt das erste Newtonsche Gesetz in seiner ursprünglichen Formulierung absolut.

Das ist das Gesetz lässt sich so formulieren: In absolut körperfremden Bezugssystemen bleibt die Geschwindigkeit des Körpers ohne äußere Einwirkung unverändert. In dieser Form ist Newtons erstes Gesetz leicht verständlich.

Das Problem besteht darin, dass es in der Praxis sehr schwierig ist, die Bewegung eines bestimmten Körpers in Bezug auf solche Bezugssysteme zu berücksichtigen. Wir können nicht zu einem unendlich weit entfernten Stern ziehen und von dort irgendwelche Experimente auf der Erde durchführen.

Daher wird herkömmlich oft die Erde als ein solches Bezugssystem genommen, obwohl sie mit den darauf befindlichen Körpern verbunden ist und die Eigenschaften ihrer Bewegung beeinflusst. Für viele Berechnungen ist diese Näherung jedoch ausreichend. Beispiele für Trägheitsbezugssysteme können daher die Erde für darauf befindliche Körper sein, Sonnensystem für ihre Planeten und so weiter.

Newtons erstes Gesetz wird nicht durch eine physikalische Formel beschrieben, aber andere Konzepte und Definitionen werden daraus abgeleitet. Tatsächlich postuliert dieses Gesetz die Trägheit von Körpern. Und so stellt sich heraus, dass für Trägheitsbezugssysteme das Trägheitsgesetz Newtons erstes Gesetz ist.

Weitere Beispiele für Inertialsysteme und Newtons erstes Gesetz

Wenn sich beispielsweise ein Wagen mit einem Ball zuerst auf einer ebenen Fläche mit konstanter Geschwindigkeit bewegt und dann auf eine sandige Oberfläche trifft, beginnt der Ball im Wagen zu beschleunigen, obwohl keine Kräfte auf ihn einwirken (tatsächlich , tun sie, aber ihre Summe ist null).

Dies geschieht, weil der Bezugsrahmen (in diesem Fall der Wagen) in dem Moment, in dem er auf die sandige Oberfläche trifft, nicht träge wird, d. h. er stoppt, sich mit konstanter Geschwindigkeit zu bewegen.

Newtons erstes Gesetz macht eine wichtige Unterscheidung zwischen inertialen und nicht-inertialen Bezugssystemen. Eine weitere wichtige Folge dieses Gesetzes ist die Tatsache, dass die Beschleunigung gewissermaßen wichtiger ist als die Geschwindigkeit des Körpers.

Denn die Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit in einer geraden Linie ist die Essenz der Ruhe. Wohingegen die Bewegung mit Beschleunigung deutlich macht, dass entweder die Summe der auf den Körper wirkenden Kräfte ungleich Null ist oder das Bezugssystem, in dem sich der Körper befindet, nicht träge ist, sich also beschleunigt bewegt.

Darüber hinaus kann die Beschleunigung sowohl positiv (der Körper beschleunigt) als auch negativ (der Körper verlangsamt) sein.

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Antike Philosophen versuchten, das Wesen der Bewegung zu verstehen, den Einfluss von Sternen und der Sonne auf eine Person zu identifizieren. Darüber hinaus haben die Menschen immer versucht, die Kräfte zu identifizieren, die auf einen materiellen Punkt im Prozess seiner Bewegung sowie in einem Moment der Ruhe wirken.

Aristoteles glaubte, dass ohne Bewegung keine Kräfte auf den Körper wirken. Versuchen wir herauszufinden, welche Referenzsysteme als Inertial bezeichnet werden, wir geben Beispiele dafür.

Ruhezustand

BEIM Alltagsleben Es ist schwierig, einen solchen Zustand zu identifizieren. Fast alle Arten mechanische Bewegung das Vorhandensein äußerer Kräfte wird angenommen. Der Grund ist die Reibungskraft, die es vielen Objekten nicht erlaubt, ihre ursprüngliche Position zu verlassen, den Ruhezustand zu verlassen.

Betrachten wir Beispiele von Trägheitsbezugssystemen, stellen wir fest, dass sie alle dem 1. Gesetz von Newton entsprechen. Erst nach seiner Entdeckung war es möglich, den Ruhezustand zu erklären, die Kräfte aufzuzeigen, die in diesem Zustand auf den Körper einwirken.

Aussage von Newtons 1. Gesetz

In der modernen Interpretation erklärt er die Existenz von Koordinatensystemen, relativ zu denen man die Abwesenheit äußerer Kräfte betrachten kann, die auf einen materiellen Punkt einwirken. Aus Newtons Sicht werden Bezugssysteme als Inertialsysteme bezeichnet, die es uns erlauben, die Erhaltung der Geschwindigkeit des Körpers über lange Zeiträume zu betrachten.

Definitionen

Welche Bezugsrahmen sind inertial? Beispiele werden einstudiert Schulkurs Physik. Als Trägheitsbezugssysteme gelten solche, gegenüber denen sich der materielle Punkt mit konstanter Geschwindigkeit bewegt. Newton stellte klar, dass sich jeder Körper in einem ähnlichen Zustand befinden kann, solange keine Notwendigkeit besteht, Kräfte auf ihn anzuwenden, die einen solchen Zustand ändern können.

Tatsächlich ist das Trägheitsgesetz nicht in allen Fällen erfüllt. Betrachten Sie bei der Analyse von Beispielen für träge und nicht träge Bezugsrahmen eine Person, die sich in einem fahrenden Fahrzeug an den Handläufen festhält. Bei einem starken Bremsen des Autos bewegt sich eine Person trotz des Fehlens einer äußeren Kraft automatisch relativ zum Fahrzeug.

Es stellt sich heraus, dass nicht alle Beispiele eines Trägheitsbezugssystems der Formulierung des 1-Newtonschen Gesetzes entsprechen. Zur Verdeutlichung des Trägheitsgesetzes wurde eine überarbeitete Referenz eingeführt, in der es tadellos erfüllt ist.

Arten von Referenzsystemen

Welche Bezugssysteme werden als inertial bezeichnet? Es wird bald klar werden. „Nenne Beispiele für Trägheitsbezugssysteme, in denen Newtons 1. Gesetz erfüllt ist“ – eine ähnliche Aufgabe wird Schülern angeboten, die in der neunten Klasse Physik als Prüfungsfach gewählt haben. Zur Bewältigung der Aufgabe ist es notwendig, eine Vorstellung von inertialen und nicht-inertialen Bezugssystemen zu haben.

Trägheit beinhaltet die Aufrechterhaltung der Ruhe oder der gleichförmigen geradlinigen Bewegung des Körpers, solange der Körper isoliert ist. „Isoliert“ betrachtet Körper, die nicht verbunden sind, nicht interagieren, voneinander entfernt sind.

Betrachten Sie einige Beispiele eines Trägheitsbezugssystems. Unter der Annahme eines Sterns in der Galaxie als Bezugsrahmen und nicht eines fahrenden Busses wäre die Umsetzung des Trägheitsgesetzes für Passagiere, die sich an den Schienen festhalten, einwandfrei.

Beim Bremsen das Fahrzeug setzt eine gleichmäßige geradlinige Bewegung fort, bis andere Körper darauf einwirken.

Was sind einige Beispiele für ein Trägheitsbezugssystem? Sie sollten keine Verbindung mit dem analysierten Körper haben, seine Trägheit beeinträchtigen.

Für solche Systeme ist das 1. Newtonsche Gesetz erfüllt. BEIM wahres Leben Es ist schwierig, die Bewegung des Körpers relativ zu Trägheitsbezugssystemen zu berücksichtigen. Es ist unmöglich, zu einem fernen Stern zu gelangen, um von dort aus terrestrische Experimente durchzuführen.

Die Erde wird als bedingtes Referenzsystem verwendet, obwohl sie mit darauf platzierten Objekten verbunden ist.

Es ist möglich, die Beschleunigung im Inertialbezugssystem zu berechnen, wenn wir die Erdoberfläche als Bezugssystem betrachten. In der Physik gibt es keine mathematische Aufzeichnung des 1. Newtonschen Gesetzes, aber er ist die Grundlage für die Ableitung vieler physikalischer Definitionen und Begriffe.

Beispiele für Trägheitsbezugsrahmen

Schülern fällt es manchmal schwer, sie zu verstehen physikalische Phänomene. Den Neuntklässlern wird folgende inhaltliche Aufgabe gestellt: „Welche Bezugssysteme nennt man inertial? Nennen Sie Beispiele für solche Systeme. Nehmen Sie an, dass sich der Wagen mit dem Ball zunächst auf einer ebenen Fläche mit konstanter Geschwindigkeit bewegt. Dann bewegt es sich entlang des Sandes, wodurch der Ball in eine beschleunigte Bewegung versetzt wird, obwohl keine anderen Kräfte auf ihn einwirken (ihre Gesamtwirkung ist Null).

Die Essenz dessen, was passiert, kann durch die Tatsache erklärt werden, dass das System, während es sich entlang der sandigen Oberfläche bewegt, aufhört, träge zu sein, es hat eine konstante Geschwindigkeit. Beispiele für inertiale und nicht-inertiale Bezugsrahmen weisen darauf hin, dass ihr Übergang in einem bestimmten Zeitraum erfolgt.

Wenn der Körper beschleunigt, hat seine Beschleunigung einen positiven Wert, und beim Bremsen wird dieser Wert negativ.

Krummlinige Bewegung

Relativ zu den Sternen und der Sonne erfolgt die Bewegung der Erde entlang einer krummlinigen Bahn, die die Form einer Ellipse hat. Der Bezugsrahmen, in dem das Zentrum auf die Sonne ausgerichtet ist und die Achsen auf bestimmte Sterne gerichtet sind, wird als träge betrachtet.

Beachten Sie, dass jeder Bezugsrahmen, der sich in einer geraden Linie und gleichmäßig relativ zum heliozentrischen Rahmen bewegt, träge ist. Die krummlinige Bewegung wird mit einer gewissen Beschleunigung ausgeführt.

Da sich die Erde um ihre eigene Achse bewegt, bewegt sich das Bezugssystem, das ihrer Oberfläche zugeordnet ist, relativ zum heliozentrischen mit einer gewissen Beschleunigung. In einer solchen Situation können wir schlussfolgern, dass sich das Bezugssystem, das mit der Erdoberfläche verbunden ist, relativ zum heliozentrischen beschleunigt bewegt und daher nicht als träge betrachtet werden kann. Der Wert der Beschleunigung eines solchen Systems ist jedoch so gering, dass er in vielen Fällen die Besonderheiten der relativ dazu betrachteten mechanischen Phänomene erheblich beeinflusst.

Um praktische Probleme technischer Art zu lösen, ist es üblich, das starr mit der Erdoberfläche verbundene Bezugssystem als träge zu betrachten.

Relativitätstheorie Galileo

Alle Trägheitsbezugsrahmen haben wichtige Eigenschaft, die durch das Relativitätsprinzip beschrieben wird. Sein Wesen liegt darin, dass jedes mechanische Phänomen unter denselben Anfangsbedingungen unabhängig vom gewählten Bezugsrahmen auf die gleiche Weise ausgeführt wird.

Die Gleichheit von ISO nach dem Relativitätsprinzip kommt in folgenden Bestimmungen zum Ausdruck:

• In solchen Systemen sind sie gleich, sodass jede Gleichung, die durch sie beschrieben wird, ausgedrückt in Form von Koordinaten und Zeit, unverändert bleibt.
• Die Ergebnisse der laufenden mechanischen Experimente ermöglichen es festzustellen, ob das Bezugssystem ruht oder ob es eine geradlinige, gleichförmige Bewegung ausführt. Jedes System kann bedingt als bewegungslos erkannt werden, wenn sich das andere gleichzeitig relativ zu ihm mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegt.
• Die Gleichungen der Mechanik bleiben bezüglich Koordinatentransformationen beim Übergang von einem System in ein anderes unverändert. Es ist möglich, dasselbe Phänomen in verschiedenen Systemen zu beschreiben, aber ihre physikalische Natur wird sich nicht ändern.

Probleme lösen

Erstes Beispiel.

Bestimmen Sie, ob es sich um ein Inertialbezugssystem handelt: a) künstlicher Satellit Erde; b) Kinderattraktion.

Antworten. Im ersten Fall nicht es wird geredet um das Trägheitsbezugssystem, da sich der Satellit unter dem Einfluss einer Kraft im Orbit bewegt Schwere, daher erfolgt die Bewegung mit einer gewissen Beschleunigung.

Zweites Beispiel.

Das Meldesystem ist fest mit dem Aufzug verbunden. In welchen Situationen kann es als Trägheit bezeichnet werden? Wenn der Aufzug: a) herunterfällt; b) bewegt sich gleichmäßig nach oben; c) steigt schnell an d) gleichmäßig nach unten gerichtet.

Antworten. a) Im freien Fall tritt eine Beschleunigung auf, sodass der Referenzrahmen, der dem Aufzug zugeordnet ist, nicht träge ist.

b) Bei gleichförmiger Bewegung des Höhenruders ist das System träge.

c) Bei einer Bewegung mit etwas Beschleunigung wird das Bezugssystem als träge betrachtet.

d) Der Aufzug bewegt sich langsam, hat eine negative Beschleunigung, daher kann das Bezugssystem nicht als träge bezeichnet werden.

Fazit

Seit jeher versucht die Menschheit, die in der Natur vorkommenden Phänomene zu verstehen. Versuche, die Relativität der Bewegung zu erklären, wurden von Galileo Galilei unternommen. Isaac Newton gelang es, das Trägheitsgesetz abzuleiten, das als Hauptpostulat in Berechnungen in der Mechanik verwendet wurde.

Das System zur Bestimmung der Position des Körpers umfasst derzeit den Körper, die Vorrichtung zur Bestimmung der Zeit sowie das Koordinatensystem. Je nachdem, ob der Körper beweglich oder stationär ist, ist es möglich, die Position eines bestimmten Objekts im gewünschten Zeitraum zu charakterisieren.

Trägheitsreferenzsystem (ISO)- ein Bezugsrahmen, in dem das Trägheitsgesetz gilt: Alle freien Körper (also solche, auf die äußere Kräfte nicht einwirken oder deren Wirkung kompensiert wird) bewegen sich in ihnen geradlinig und gleichförmig oder ruhen in ihnen.

Nicht-Trägheits-Bezugssystem- ein willkürlicher Bezugsrahmen, der nicht träge ist. Jeder Bezugsrahmen, der sich mit Beschleunigung relativ zur Trägheit bewegt, ist nicht träge.

Newtons erstes Gesetz - es gibt inertiale Bezugssysteme, also solche Bezugssysteme, in denen sich der Körper gleichmäßig und geradlinig bewegt, wenn andere Körper nicht auf ihn einwirken. Die Hauptaufgabe dieses Gesetzes besteht darin, zu betonen, dass in diesen Bezugsrahmen alle Beschleunigungen, die von Körpern erworben werden, Folgen der Wechselwirkungen von Körpern sind. Die weitere Beschreibung der Bewegung sollte nur in Inertialbezugssystemen erfolgen.

 Newtons zweites Gesetz besagt, dass die Ursache der Körperbeschleunigung die Wechselwirkung von Körpern ist, deren Merkmal Kraft ist. Dieses Gesetz liefert die Grundgleichung der Dynamik, die es im Prinzip ermöglicht, das Bewegungsgesetz eines Körpers zu finden, wenn die auf ihn einwirkenden Kräfte bekannt sind. Dieses Gesetz lässt sich wie folgt formulieren (Abb. 100):

Die Beschleunigung eines Punktkörpers (materieller Punkt) ist direkt proportional zur Summe der auf den Körper wirkenden Kräfte und umgekehrt proportional zur Masse des Körpers:

hier F− die resultierende Kraft, also die Vektorsumme aller auf den Körper wirkenden Kräfte. Auf den ersten Blick ist Gleichung (1) eine andere Schreibweise der im vorigen Abschnitt gegebenen Definition der Kraft. Dies ist jedoch nicht ganz richtig. Erstens besagt das Newtonsche Gesetz, dass Gleichung (1) die Summe aller auf den Körper wirkenden Kräfte enthält, was nicht in der Definition von Kraft enthalten ist. Zweitens betont das zweite Newtonsche Gesetz eindeutig, dass die Kraft die Ursache für die Beschleunigung des Körpers ist und nicht umgekehrt.

 Newtons drittes Gesetz betont, dass die Ursache der Beschleunigung die gegenseitige Einwirkung von Körpern aufeinander ist. Daher sind die auf wechselwirkende Körper wirkenden Kräfte Merkmale derselben Wechselwirkung. Aus dieser Sicht überrascht Newtons drittes Gesetz (Abb. 101) nicht:

Punktkörper (materielle Punkte) interagieren mit Kräften gleicher Größe und entgegengesetzter Richtung, die entlang der geraden Linie gerichtet sind, die diese Körper verbindet:

wo F 12 − Kraft, die vom zweiten auf den ersten Körper wirkt, a F 21 ist die Kraft, die vom ersten auf den zweiten Körper wirkt. Offensichtlich sind diese Kräfte von derselben Natur. Auch dieses Gesetz ist eine Verallgemeinerung zahlreicher experimenteller Tatsachen. Beachten wir, dass dieses Gesetz tatsächlich die Grundlage für die Bestimmung der im vorherigen Abschnitt angegebenen Masse von Körpern ist.

Die Bewegungsgleichung eines materiellen Punktes in einem nicht inertialen Bezugssystem kann dargestellt werden als :

wo - Last Körper, , - Beschleunigung und Geschwindigkeit des Körpers relativ zum nicht trägen Bezugssystem, - die Summe aller auf den Körper wirkenden äußeren Kräfte, - tragbare Beschleunigung Körper - Coriolis-Beschleunigung Körper, - die Winkelgeschwindigkeit der Rotationsbewegung des nicht trägen Bezugssystems um die durch den Ursprung verlaufende Momentanachse, - die Geschwindigkeit des Ursprungs des nicht trägen Bezugssystems relativ zu einem beliebigen trägen Bezugssystem.

Diese Gleichung kann in der üblichen Form geschrieben werden Newtons zweites Gesetz, wenn Sie eintreten Trägheitskräfte:

In nicht trägen Bezugsrahmen treten Trägheitskräfte auf. Das Auftreten dieser Kräfte ist ein Zeichen für ein nicht träges Bezugssystem.

Das erste Gesetz der Mechanik oder das Trägheitsgesetz ( Trägheit- Dies ist die Eigenschaft von Körpern, ihre Geschwindigkeit beizubehalten, wenn keine anderen Körper darauf einwirken ), wie es oft genannt wird, wurde von Galileo gegründet. Aber Newton hat dieses Gesetz streng formuliert und es zu den Grundgesetzen der Mechanik gezählt. Das Trägheitsgesetz bezieht sich auf den einfachsten Fall von Bewegung – die Bewegung eines Körpers, der nicht von anderen Körpern beeinflusst wird. Solche Körper nennt man freie Körper.

Die Frage, wie sich freie Körper bewegen, ist ohne Erfahrung nicht zu beantworten. Es ist jedoch unmöglich, ein einziges Experiment aufzustellen, das in seiner reinen Form zeigen würde, wie sich ein Körper bewegt, der mit nichts interagiert, da es solche Körper nicht gibt. Wie sein?

Es gibt nur einen Ausweg. Es ist notwendig, Bedingungen für den Körper zu schaffen, unter denen der Einfluss äußerer Einflüsse immer kleiner werden kann, und zu beobachten, wozu dies führt. Es ist zum Beispiel möglich, die Bewegung eines glatten Steins auf einer horizontalen Oberfläche zu beobachten, nachdem ihm eine bestimmte Geschwindigkeit verliehen wurde. (Die Anziehungskraft eines Steins auf den Boden wird durch die Wirkung der Oberfläche ausgeglichen, auf der er ruht, und nur die Reibung beeinflusst seine Geschwindigkeit.) Es ist jedoch leicht festzustellen, dass die Geschwindigkeit des Steins umso langsamer abnimmt, je glatter die Oberfläche ist. Auf glattem Eis gleitet der Stein sehr lange, ohne dass sich die Geschwindigkeit merklich ändert. Die Reibung kann durch die Verwendung eines Luftkissens auf ein Minimum reduziert werden - Luftstrahlen, die den Körper über einer festen Oberfläche stützen, entlang derer Bewegungen stattfinden. Dieses Prinzip wird im Wassertransport (Hovercraft) verwendet. Aus solchen Beobachtungen können wir schließen, dass der Stein bei einer vollkommen glatten Oberfläche ohne Luftwiderstand (im Vakuum) seine Geschwindigkeit überhaupt nicht ändern würde. Galileo kam zuerst zu diesem Schluss.

Andererseits ist leicht einzusehen, dass bei einer Änderung der Geschwindigkeit eines Körpers immer auch der Einfluss anderer Körper auf ihn erkannt wird. Daraus lässt sich schließen Ein Körper, der weit genug von anderen Körpern entfernt ist und aus diesem Grund nicht mit ihnen interagiert, bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit.

Bewegung ist relativ, daher ist es sinnvoll, nur von der Bewegung eines Körpers in Bezug auf ein Bezugssystem zu sprechen, das einem anderen Körper zugeordnet ist. Es stellt sich sofort die Frage: Wird sich ein freier Körper in Bezug auf einen anderen Körper mit konstanter Geschwindigkeit bewegen? Die Antwort ist natürlich nein. Bewegt sich also ein freier Körper relativ zur Erde geradlinig und gleichförmig, dann bewegt sich der Körper relativ zu einem rotierenden Karussell sicher nicht so.

Beobachtungen der Bewegungen von Körpern und Reflexionen über die Natur dieser Bewegungen führen uns zu dem Schluss, dass sich freie Körper mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegen, zumindest in Bezug auf bestimmte Körper und die ihnen zugeordneten Bezugsrahmen. Zum Beispiel in Bezug auf die Erde. Dies ist der Hauptinhalt des Trägheitsgesetzes.

So Newtons erstes Gesetz lässt sich so formulieren:

es gibt solche Bezugsrahmen, in Bezug auf die der Körper (materieller Punkt) in Abwesenheit äußerer Einflüsse auf ihn (oder mit ihrer gegenseitigen Kompensation) einen Ruhezustand oder eine gleichmäßige geradlinige Bewegung beibehält.

Trägheitsbezugssystem

Newtons erstes Gesetz behauptet (dies kann experimentell mit unterschiedlicher Genauigkeit verifiziert werden), dass Inertialsysteme tatsächlich existieren. Dieses Gesetz der Mechanik stellt Trägheitsbezugssysteme in eine besondere, privilegierte Position.

Bezugssysteme, in denen das erste Newtonsche Gesetz erfüllt ist, werden als Trägheitskräfte bezeichnet.

Trägheitsbezugssystem- Dies sind Systeme, bei denen ein materieller Punkt ohne äußere Einflüsse auf ihn oder deren gegenseitige Kompensation ruht oder sich gleichmäßig und geradlinig bewegt.

Es gibt Inertialsysteme unendlicher Satz. Der Bezugsrahmen eines Zuges, der sich mit konstanter Geschwindigkeit auf einem geraden Streckenabschnitt bewegt, ist (ungefähr) ebenfalls ein Trägheitsrahmen, wie der Rahmen, der der Erde zugeordnet ist. Alle Trägheitsreferenzrahmen bilden eine Klasse von Rahmen, die sich relativ zueinander gleichmäßig und geradlinig bewegen. Die Beschleunigungen jedes Körpers in verschiedenen Inertialsystemen sind gleich.

Wie stellt man fest, dass ein gegebener Bezugssystem inertial ist? Dies kann nur durch Erfahrung geschehen. Beobachtungen zeigen das sehr ein hohes Maß Genauigkeit können wir das heliozentrische Bezugssystem als ein Trägheitsbezugssystem betrachten, in dem der Ursprung der Sonne zugeordnet ist und die Achsen auf bestimmte "feste" Sterne gerichtet sind. Starr mit der Erdoberfläche verbundene Bezugssysteme sind streng genommen nicht inertial, da sich die Erde auf einer Umlaufbahn um die Sonne bewegt und sich gleichzeitig um ihre eigene Achse dreht. Bei der Beschreibung von Bewegungen, die keinen globalen (d. h. weltweiten) Maßstab haben, können mit der Erde verbundene Bezugssysteme jedoch mit ausreichender Genauigkeit als inertial angesehen werden.

Trägheitsbezugsrahmen sind solche, die sich relativ zu jedem Trägheitsbezugsrahmen gleichförmig und geradlinig bewegen..

Galileo hat das festgestellt Ohne mechanische Experimente, die in einem Trägheitsbezugssystem aufgebaut sind, ist es unmöglich festzustellen, ob dieses System ruht oder sich gleichförmig und geradlinig bewegt. Diese Aussage heißt Galileis Relativitätsprinzip oder mechanisches relativitätsprinzip.

Dieses Prinzip wurde später von A. Einstein entwickelt und ist eines der Postulate der speziellen Relativitätstheorie. Inertialbezugssysteme spielen in der Physik eine äußerst wichtige Rolle, da nach Einsteins Relativitätsprinzip mathematischer Ausdruck jedes Gesetz der Physik hat das gleiche aussehen in jedem Trägheitsbezugssystem. In Zukunft werden wir nur noch Inertialsysteme verwenden (ohne dies jedes Mal zu erwähnen).

Bezugssysteme, in denen das erste Newtonsche Gesetz nicht gilt, werden aufgerufen nicht träge und.

Solche Systeme umfassen jeden Bezugsrahmen, der sich mit Beschleunigung relativ zu dem Trägheitsbezugsrahmen bewegt.

In der Newtonschen Mechanik werden die Wechselwirkungsgesetze von Körpern für die Klasse der Trägheitsbezugssysteme formuliert.

Ein Beispiel für ein mechanisches Experiment, in dem sich die Nichtträgheit eines mit der Erde verbundenen Systems manifestiert, ist das Verhalten Foucaultsches Pendel. So nennt man eine massive Kugel, die an einem ausreichend langen Faden aufgehängt ist und kleine Schwingungen um die Gleichgewichtslage ausführt. Wenn das mit der Erde verbundene System inertial wäre, würde die Schwingungsebene des Foucault-Pendels relativ zur Erde unverändert bleiben. Tatsächlich dreht sich die Schwungebene des Pendels aufgrund der Erdrotation, und die Projektion der Pendelbahn auf die Erdoberfläche sieht aus wie eine Rosette (Abb. 1). Reis. 2

Literatur

1. Offene Physik 2.5 (http://college.ru/physics/)
2. Physik: Mechanik. Klasse 10: Proc. für Vertiefungsstudium Physik / M.M. Balaschow, A.I. Gomonova, A.B. Dolitsky und andere; Ed. G. Ya. Myakishev. – M.: Trappe, 2002. – 496 S.