Minden referenciarendszer inerciális és nem inerciális rendszerre van felosztva. Az inerciális vonatkoztatási rendszer a newtoni mechanika alapja. Egyenruhát jellemez egyenes vonalú mozgásés nyugalmi állapot. A nem inerciális referenciakeret egy másik pálya mentén gyorsított mozgáshoz kapcsolódik. Ezt a mozgást az inerciális referenciakeretekhez viszonyítva határozzuk meg. A nem inerciális vonatkoztatási rendszer olyan hatásokhoz kapcsolódik, mint a tehetetlenségi erő, a centrifugális erő és a Coriolis-erő.

Mindezek a folyamatok mozgás eredményeként jönnek létre, nem pedig a testek közötti interakcióból. A Newton-törvények gyakran nem működnek nem inerciális vonatkoztatási rendszerben. Ilyen esetekben a mechanika klasszikus törvényeihez módosításokat egészítenek ki. A nem inerciális mozgás által okozott erőket figyelembe veszik a műszaki termékek és mechanizmusok kidolgozásakor, beleértve azokat is, ahol a forgás jelen van. Az életben találkozunk velük, liftben mozgunk, körhintán ülünk, nézzük az időjárást és a folyók folyását. Ezeket az űrhajók mozgásának kiszámításakor is figyelembe veszik.

Inerciális és nem inerciális referenciarendszerek

Az inerciális vonatkoztatási rendszerek nem mindig alkalmasak a testek mozgásának leírására. A fizikában kétféle referenciarendszer létezik: inerciális és nem inerciális referenciarendszer. A newtoni mechanika szerint bármely test lehet nyugalmi állapotban vagy egyenletes és lineáris mozgásban, kivéve azokat az eseteket, amikor külső hatás éri a testet. Ez egyenletes mozgás tehetetlenségi mozgásnak nevezzük.

Az inerciális mozgás (inerciális vonatkoztatási keretek) képezi Newton mechanikájának és Galilei munkáinak alapját. Ha a csillagokat álló objektumoknak tekintjük (ami valójában nem teljesen igaz), akkor a hozzájuk képest egyenletesen és egyenesen mozgó objektumok inerciális vonatkoztatási rendszereket alkotnak.

Ellentétben az inerciális referenciarendszerekkel, a nem inerciális keret bizonyos gyorsulással mozog a megadotthoz képest. Ráadásul a Newton-törvények alkalmazása további változókat igényel, különben nem írják le megfelelően a rendszert. Annak a kérdésnek a megválaszolásához, hogy mely vonatkoztatási rendszereket nevezzük nem inerciálisnak, érdemes megfontolni egy példát a nem inerciális mozgásra. Ez a mozgás a mi és más bolygóink forgása.

Mozgás nem inerciális vonatkoztatási rendszerekben

Kopernikusz volt az első, aki megmutatta, milyen bonyolult lehet a mozgás, ha több erő is részt vesz benne. Előtte azt hitték, hogy a Föld önmagában mozog, a Newton-törvényeknek megfelelően, ezért mozgása tehetetlen. Kopernikusz azonban bebizonyította, hogy a Föld a Nap körül kering, vagyis felgyorsult mozgáson megy keresztül egy feltételesen álló objektumhoz képest, amely lehet csillag is.

Tehát különböző referenciakeretek léteznek. Nem inerciálisnak csak azokat nevezzük, ahol gyorsított mozgás van, ami a tehetetlenségi rendszerhez képest meghatározott.

A Föld mint referenciakeret

Az összetett mozgáspályájú testekre jellemző egy nem inerciális vonatkoztatási rendszer, amelynek létezésére szinte mindenhol találunk példát. A Föld a Nap körül forog, ami a nem inerciális vonatkoztatási rendszerekre jellemző gyorsított mozgást hoz létre. A mindennapi gyakorlatban azonban minden, amivel a Földön találkozunk, teljesen összhangban van Newton posztulátumaival. A helyzet az, hogy a Földhöz kapcsolódó referenciarendszerek nem tehetetlenségi mozgásának korrekciói nagyon jelentéktelenek, és nem játszanak nagy szerepet számunkra. És ugyanezen okból kiderül, hogy a Newton-egyenletek általánosan érvényesek.

Foucault-inga

Bizonyos esetekben azonban nem lehet elkerülni a módosításokat. A szentpétervári székesegyházban például a világhírű Foucault-inga nemcsak lineárisan oszcillál, hanem lassan forog is. Ez a forgás a Föld nem tehetetlenségi mozgásának köszönhető a világűrben.

Ez először 1851-ben vált ismertté L. Foucault francia tudós kísérletei után. Magát a kísérletet nem Szentpéterváron hajtották végre, hanem Párizsban, egy hatalmas teremben. Az ingagolyó súlya körülbelül 30 kg, az összekötő szál hossza pedig 67 méter.

Azokban az esetekben, amikor a Newton-képletek egy tehetetlenségi vonatkoztatási rendszerre önmagukban nem elegendőek a mozgás leírásához, úgynevezett tehetetlenségi erőket adnak hozzájuk.

Nem inerciális referenciakeret tulajdonságai

A nem inerciális vonatkoztatási rendszer különféle mozgásokat hajt végre az inerciálishoz képest. Ez lehet transzlációs mozgás, forgás, összetett kombinált mozgások. A szakirodalomban is van ilyen legegyszerűbb példa nem inerciális referenciakeret, mint egy gyorsított felvonó. Felgyorsult mozgása miatt érezzük, hogy a padlóhoz nyomnak bennünket, vagy éppen ellenkezőleg, súlytalansághoz közeli érzés támad. Newton mechanikai törvényei nem tudják megmagyarázni ezt a jelenséget. Ha követi a híres fizikust, akkor bármelyik pillanatban ugyanaz a gravitációs erő hat egy személyre a liftben, ami azt jelenti, hogy az érzéseknek azonosaknak kell lenniük, azonban a valóságban minden más. Ezért a Newton-törvényekhez egy további erőt kell hozzáadni, amelyet tehetetlenségi erőnek neveznek.

Tehetetlenségi erő

A tehetetlenségi erő valóságos ható erő, bár természetében különbözik a térben lévő testek közötti kölcsönhatáshoz kapcsolódó erőktől. A műszaki szerkezetek, eszközök fejlesztésénél figyelembe veszik, és ezek működésében fontos szerepet játszik. A tehetetlenségi erőket mérjük különböző utak például rugós fékpad segítségével. A nem inerciális referenciarendszerek nem zártak, mivel a tehetetlenségi erőket külsőnek tekintjük. A tehetetlenségi erők objektívek fizikai tényezőkés ne függjenek a megfigyelő akaratától és véleményétől.

Az inerciális és nem inerciális vonatkoztatási rendszerek, amelyek megnyilvánulására a fizika tankönyvekben találhatók példák, a tehetetlenségi erő, a centrifugális erő, a Coriolis-erő, a lendület egyik testről a másikra történő átadása és mások.

Mozgás a liftben

A nem inerciális vonatkoztatási rendszerek és a tehetetlenségi erők jól megmutatkoznak gyorsított emelkedés vagy süllyedés során. Ha a lift felfelé gyorsul, akkor a keletkező tehetetlenségi erő hajlamos az embert a padlóra szorítani, és fékezéskor a test éppen ellenkezőleg, könnyebbnek tűnik. Megnyilvánulásait tekintve a tehetetlenségi erő ebben az esetben hasonló a gravitációs erőhöz, de teljesen más jellegű. A gravitáció a gravitáció, amely a testek közötti kölcsönhatáshoz kapcsolódik.

Centrifugális erők

A nem inerciális referenciarendszerekben az erők centrifugálisak is lehetnek. Ugyanabból az okból kell ilyen erőt bevezetni, mint a tehetetlenségi erőt. Feltűnő példa centrifugális erők hatásai - forgás a körhintán. Míg a szék arra törekszik, hogy az embert a „pályáján” tartsa, a tehetetlenségi erő hatására a test a szék külső háttámlájához nyomódik. Ez a konfrontáció egy olyan jelenség megjelenésében fejeződik ki, mint a centrifugális erő.

Coriolis erő

Ennek az erőnek a hatása jól ismert a Föld forgásának példájából. Erőnek csak feltételesen lehet nevezni, hiszen nem az. Működésének lényege, hogy forgás közben (például a Föld) egy gömbtest minden pontja körben mozog, míg a Földtől elválasztott tárgyak ideális esetben egyenes vonalban mozognak (például egy test szabadon). repülés az űrben). Mivel a szélességi vonal a pontok forgásának pályája a Föld felszíne, és gyűrű alakú, akkor a róla leszakadt és kezdetben ezen a vonalon haladó, lineárisan mozgó testek kezdenek egyre jobban eltérni tőle az alacsonyabb szélességi fokok irányába.

Egy másik lehetőség, amikor a testet meridionális irányba indítják, de a Föld forgása miatt a földi szemlélő szemszögéből a test mozgása már nem lesz szigorúan meridionális.

A Coriolis erő kifejti nagy befolyást a légköri folyamatok alakulásáról. Hatása alatt a víz erősebben éri a meridionális irányban folyó folyók keleti partját, fokozatosan erodálva azt, ami sziklák megjelenéséhez vezet. A nyugati oldalon ezzel szemben lerakódik a csapadék, így laposabb, árvizek idején gyakran elönti a víz. Igaz, nem ez az egyetlen oka annak, hogy a folyó egyik partja magasabban van, mint a másik, de sok esetben domináns.

A Coriolis-erőnek kísérleti megerősítése is van. F. Reich német fizikus szerezte meg. A kísérlet során 158 m magasságból zuhantak le a testek, összesen 106 ilyen kísérletet végeztek. A testek zuhanáskor megközelítőleg 30 mm-rel tértek el egy egyenes vonalú (földi szemlélő szempontjából) pályától.

Inerciális vonatkoztatási rendszerek és a relativitáselmélet

Einstein speciális relativitáselmélete az inerciális referenciarendszerekkel kapcsolatban született. Az úgynevezett relativisztikus hatásoknak ezen elmélet szerint a testnek egy „álló” megfigyelőhöz viszonyított nagyon nagy mozgási sebessége esetén kell fellépniük. Minden képlet speciális elmélet A relativitáselmélet egy inerciális referenciakeretre jellemző egyenletes mozgásra is le van írva. Ennek az elméletnek az első posztulátuma bármely inerciális referenciarendszer ekvivalenciáját állítja, vagyis a speciális, megkülönböztetett rendszerek hiányát feltételezi.

Ez azonban kétségbe vonja a relativisztikus hatások tesztelésének lehetőségét (valamint létezésük tényét), ami olyan jelenségek megjelenéséhez vezetett, mint az ikerparadoxon. Mivel a rakétához és a Földhöz kapcsolódó referenciarendszerek alapvetően egyenlőek, a Föld-rakéta páros idődilatáció hatása csak attól függ, hogy a megfigyelő hol helyezkedik el. Tehát egy rakétán tartózkodó megfigyelő számára a földi időnek lassabban kell telnie, a bolygónkon élő embernek pedig éppen ellenkezőleg, lassabban kell telnie egy rakétán. Ennek eredményeként a Földön maradt iker fiatalabbnak fogja látni az érkező testvérét, aki pedig a rakétában volt, annak fiatalabbnak kell látnia, mint aki a Földön maradt. Nyilvánvaló, hogy ez fizikailag lehetetlen.

Ez azt jelenti, hogy a relativisztikus hatások megfigyeléséhez valamilyen speciális, dedikált referenciarendszerre van szükségünk. Például feltételezzük, hogy a müonok élettartamának relativisztikus növekedését figyeljük meg, ha a Földhöz képest közel fénysebességgel mozognak. Ez azt jelenti, hogy a Földnek (alternatíva nélkül) rendelkeznie kell egy prioritási, alapvető referenciarendszer tulajdonságaival, ami ellentmond az STR első posztulátumának. Az elsőbbség csak akkor lehetséges, ha a Föld a világegyetem középpontja, ami csak a világ primitív képével van összhangban, és ellentmond a fizikának.

A nem inerciális vonatkoztatási rendszerek, mint az ikerparadoxon megmagyarázásának sikertelen módja

A „földi” vonatkoztatási rendszer prioritásának magyarázatára tett kísérletek nem bírják a kritikát. Egyes tudósok ezt a prioritást pontosan az egyik referenciarendszer tehetetlenségének, egy másik referenciarendszer tehetetlenségi tényezőjével társítják. Ebben az esetben a földi megfigyelőhöz társított referenciarendszert inerciálisnak tekintjük, annak ellenére, hogy in fizikai tudomány hivatalosan nem inerciálisnak ismerik el (Dettlaff, Yavorsky, fizikatanfolyam, 2000). Ez az első. A második a referenciarendszerek egyenlőségének elve. Tehát, ha űrhajó gyorsulással elhagyja a Földet, majd magán a hajón lévő megfigyelő szemszögéből statikus, és a Föld éppen ellenkezőleg, növekvő sebességgel repül el tőle.

Kiderül, hogy maga a Föld egy speciális vonatkoztatási rendszer, vagy a megfigyelt hatásoknak más (nem relativisztikus) magyarázata van. Talán a folyamatok összefüggésbe hozhatók a kísérletek felállításának, értelmezésének sajátosságaival, vagy a megfigyelt jelenségek egyéb fizikai mechanizmusaival.

Következtetés

Így a nem inerciális vonatkoztatási rendszerek olyan erők megjelenéséhez vezetnek, amelyek nem találták meg a helyüket Newton mechanikai törvényeiben. A nem inerciális rendszerekre vonatkozó számítások elvégzésekor ezen erők figyelembevétele kötelező, beleértve a műszaki termékek fejlesztését is.

Ősidők óta a mozgás anyagi testek soha nem szűnt fel izgatni a tudósok elméjét. Például maga Arisztotelész úgy gondolta, hogy ha egy testre semmilyen erő nem hat, akkor az ilyen test mindig nyugalomban lesz.

És csak 2000 évvel később, Galileo Galilei olasz tudósnak sikerült kizárnia a „mindig” szót Arisztotelész megfogalmazásából. Galilei rájött, hogy a test nyugalmi állapotában való jelenléte nem az egyetlen következménye a távollétnek külső erők.

Majd Galilei kijelentette: az a test, amelyre semmilyen erő nem hat, vagy nyugalomban lesz, vagy egyenletesen, egyenes vonalban mozog. Vagyis az azonos sebességgel, egyenes úton történő mozgás a fizika szempontjából egyenértékű a nyugalmi állapottal.

Mi a nyugalmi állapot?

Az életben ezt a tényt nagyon nehéz megfigyelni, mivel mindig van egy súrlódási erő, amely megakadályozza, hogy tárgyak és dolgok elhagyják a helyüket. De ha elképzelünk egy végtelenül hosszú, abszolút csúszós és sima görgőt, amelyen a test áll, nyilvánvalóvá válik, hogy ha a testnek adunk egy impulzust, a test korlátlanul és egy egyenes vonalban fog mozogni.

Valójában csak két erő hat a testre: a gravitáció és a talajreakció erő. De ugyanazon az egyenes vonalon helyezkednek el, és egymás ellen irányulnak. Így a szuperpozíció elve szerint az ilyen testre ható összerő nulla.

Ez azonban ideális eset. Az életben a súrlódási erő szinte minden esetben megnyilvánul. Galilei fontos felfedezést tett azáltal, hogy egyenlőségjelet tett a nyugalmi állapot és az állandó sebességű, egyenes vonalú mozgás között. De ez nem volt elég. Kiderült, hogy ez a feltétel nem minden esetben teljesül.

Ezt a kérdést Isaac Newton tisztázta, aki összefoglalta Galilei kutatásait, és így fogalmazta meg Newton első törvényét.

Newton első törvénye: mi magunk fogalmazzuk meg

Newton első törvényének két megfogalmazása létezik: a modern és maga Isaac Newton megfogalmazása. Az eredeti változatban Newton első törvénye némileg pontatlan, és modern változat a pontatlanság kijavítására tett kísérletek során ez nagyon zavarónak bizonyult, és ezért sikertelennek bizonyult. Nos, mivel az igazság mindig valahol a közelben van, megpróbáljuk megtalálni a „közelben”, és kitaláljuk, mi ez a törvény.

Modern készítményígy hangzik: "Léteznek olyan referenciarendszerek, amelyeket inerciálisnak neveznek, és amelyekhez képest egy anyagi pont külső hatások hiányában korlátlanul megtartja sebességének nagyságát és irányát.".

Inerciális referenciarendszerek

Az inerciális referenciarendszerek azok, amelyekben teljesül a tehetetlenségi törvény. A tehetetlenség törvénye az, hogy a testek változatlanul tartják sebességüket, ha más testek nem hatnak rájuk. Nagyon emészthetetlennek, érthetetlennek és egy komikus helyzetre emlékeztetőnek bizonyul, amikor felteszik a kérdést: "Hol van ez az "itt"?" Azt válaszolják: "Itt van", és a következő logikus kérdésre: "Hol van "itt"?" Azt válaszolják: „Itt van”. Vaj olaj. Ördögi kör.

Newton saját megfogalmazása ez: "Minden test továbbra is nyugalmi állapotban vagy egyenletes és egyenes vonalú mozgásban van mindaddig, amíg az alkalmazott erők rá nem kényszerítik az állapot megváltoztatására.".

A gyakorlatban azonban ezt a törvényt nem mindig tartják be. Ezt könnyen ellenőrizheti. Amikor egy személy a korlátok megtartása nélkül áll a mozgó buszon, és a busz hirtelen lefékez, az illető elkezd előrehaladni a buszhoz képest, bár semmilyen látható erő nem kényszeríti erre.

Vagyis a busz tekintetében Newton első törvénye eredeti megfogalmazásában nem teljesül. Nyilvánvalóan tisztázni kell. Egy pontosítás az inerciális referenciarendszerek bevezetése. Vagyis olyan referenciarendszerek, amelyekben teljesül Newton első törvénye. Ez nem teljesen világos, ezért próbáljuk meg mindezt emberi nyelvre lefordítani.

Inerciális és nem inerciális referenciarendszerek

Bármely test tehetetlenségi tulajdonsága olyan, hogy mindaddig, amíg a test elszigetelt marad más testektől, megőrzi nyugalmi állapotát vagy egyenletes lineáris mozgását. Az „elszigetelt” azt jelenti, hogy semmilyen módon nem kapcsolódik egymáshoz, végtelenül távol van más testektől.

Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy ha példánkban nem egy buszt veszünk referenciarendszernek, hanem valami csillagot a Galaxis peremén, akkor Newton első törvénye teljesen pontosan teljesül egy óvatlan utas számára, aki nem kapaszkodik a helyére. kapaszkodók. Amikor egy busz fékez, egyenletes mozgását folytatja, amíg más testek nem lépnek rá.

Az ilyen vonatkoztatási rendszereket, amelyek semmilyen módon nem kapcsolódnak a vizsgált testhez, és semmilyen módon nem befolyásolják a test tehetetlenségét, inerciálisnak nevezzük. Az ilyen referenciarendszerekre Newton első törvénye az eredeti megfogalmazásában abszolút érvényes.

Ez a törvény így is megfogalmazható: a testhez abszolút nem kapcsolódó referenciarendszerekben a test sebessége külső hatás hiányában változatlan marad. Ebben a formában Newton első törvénye könnyen érthető.

A probléma az, hogy a gyakorlatban nagyon nehéz figyelembe venni egy adott test mozgását az ilyen referenciarendszerekhez képest. Nem mozdulhatunk el egy végtelenül távoli csillaghoz, és onnan nem végezhetünk kísérleteket a Földön.

Ezért a Földet hagyományosan gyakran tekintik referenciarendszernek, bár kapcsolatban áll a rajta elhelyezkedő testekkel, és befolyásolja azok mozgásának jellemzőit. De sok számításhoz ez a közelítés elegendő. Ezért az inerciális referenciarendszerek példái a Földnek tekinthetők a rajta elhelyezkedő testek számára, Naprendszer bolygóira és így tovább.

Newton első törvényét nem írja le semmilyen fizikai képlet, hanem segítségével más fogalmak és definíciók származnak. Lényegében ez a törvény a testek tehetetlenségét feltételezi. Így kiderül, hogy az inerciális vonatkoztatási rendszerek esetében a tehetetlenség törvénye Newton első törvénye.

További példák inerciarendszerekre és Newton első törvényére

Tehát például, ha egy golyóval ellátott kocsi először sík felületen, állandó sebességgel mozog, majd homokos felületre hajt, akkor a kocsiban lévő labda gyorsulni kezd, bár semmilyen erő nem hat rá. valójában igen, de az összeg nulla).

Ez azért van így, mert a referenciarendszer (jelen esetben a kocsi) abban a pillanatban, amikor a homokos felületre ütközik, inerciálissá válik, azaz állandó sebességgel megáll.

Newton első törvénye fontos különbséget tesz az inerciális és a nem inerciális vonatkoztatási rendszerek között. Ennek a törvénynek egy másik fontos következménye az a tény, hogy a gyorsulás bizonyos értelemben fontosabb, mint a test sebessége.

Mert az egyenes vonalban állandó sebességgel haladva nyugalomban lenni. Míg a gyorsulással járó mozgás egyértelműen azt jelzi, hogy vagy a testre ható erők összege nem egyenlő nullával, vagy maga a vonatkoztatási rendszer, amelyben a test található, nem tehetetlen, azaz gyorsulással mozog.

Ezenkívül a gyorsulás lehet pozitív (a test felgyorsul) vagy negatív (a test lelassul).

Segítségre van szüksége a tanulmányaihoz?

Előző téma: A mozgás relativitása: fogalom és példák
Következő téma:   Newton második törvénye: képlet és definíció + kevés tapasztalat

Az ókori filozófusok megpróbálták megérteni a mozgás lényegét, azonosítani a csillagok és a Nap emberre gyakorolt ​​hatását. Ezenkívül az emberek mindig megpróbálták azonosítani azokat az erőket, amelyek egy anyagi pontra hatnak annak mozgása során, valamint a nyugalom pillanatában.

Arisztotelész úgy gondolta, hogy mozgás hiányában a testre semmilyen erő nem hat. Próbáljuk meg kideríteni, hogy mely referenciarendszereket nevezzük inerciálisnak, és mondjunk rájuk példákat.

Nyugalmi állapot

BAN BEN Mindennapi élet nehéz azonosítani egy ilyen állapotot. Szinte minden típus mechanikus mozgás külső erők jelenlétét feltételezzük. Ennek oka a súrlódási erő, amely megakadályozza, hogy sok tárgy elhagyja eredeti helyzetét és nyugalmi állapotot hagyjon ki.

Figyelembe véve az inerciális referenciarendszer példáit, megjegyezzük, hogy mindegyik megfelel Newton 1. törvényének. Csak a felfedezése után lehetett megmagyarázni a nyugalmi állapotot és jelezni az ebben az állapotban lévő testre ható erőket.

Newton 1. törvényének állítása

A modern értelmezésben megmagyarázza a koordinátarendszerek létezését, amelyekkel kapcsolatban úgy tekinthetjük, hogy a külső erők nem befolyásolják az anyagi pontot. Newton szemszögéből a vonatkoztatási rendszereket inerciálisnak nevezzük, ami lehetővé teszi egy test sebességének hosszú időn keresztüli megmaradását.

Definíciók

Mely referenciarendszerek inerciálisak? Példákat tanulmányozunk ezekre iskolai tanfolyam fizika. Inerciarendszernek azokat a vonatkoztatási rendszereket tekintjük, amelyekhez képest egy anyagi pont állandó sebességgel mozog. Newton tisztázta, hogy bármely test lehet hasonló állapotban, amíg nincs szükség olyan erők alkalmazására, amelyek megváltoztathatják az ilyen állapotot.

A valóságban a tehetetlenségi törvény nem minden esetben teljesül. Az inerciális és nem inerciális referenciarendszerek példáinak elemzésekor vegyünk egy személyt, aki a korlátokat tartja egy mozgó járműben. Amikor egy autó élesen fékez, egy személy automatikusan elmozdul a járműhöz képest, annak ellenére, hogy nincs külső erő.

Kiderült, hogy az inerciális vonatkoztatási rendszer nem minden példája felel meg Newton 1. törvényének. A tehetetlenség törvényének tisztázására egy finomított hivatkozást vezettek be, melyben az kifogástalanul teljesül.

A referenciarendszerek típusai

Milyen referenciarendszereket nevezünk inerciálisnak? Ez hamarosan kiderül. „Adjon példákat inerciális referenciarendszerekre, amelyekben teljesül Newton 1. törvénye” - hasonló feladatot kínálnak azoknak az iskolásoknak, akik a fizikát választották vizsgának a kilencedik osztályban. A feladattal való megbirkózás érdekében az inerciális és nem inerciális referenciarendszerek ismerete szükséges.

A tehetetlenség magában foglalja a nyugalom vagy a test egyenletes lineáris mozgásának fenntartását mindaddig, amíg a test elszigetelt. Az „elszigetelt” olyan testek, amelyek nem kapcsolódnak egymáshoz, nem lépnek kölcsönhatásba és távol vannak egymástól.

Nézzünk néhány példát az inerciális referenciarendszerekre. Ha a referenciakeretet a Galaxis csillagának tekintjük, és nem egy mozgó busznak, akkor a kapaszkodókban kapaszkodó utasok tehetetlenségi törvényének teljesítése hibátlan lesz.

Fékezés közben ezt jármű egyenletes egyenes vonalú mozgást folytat, amíg más testek nem lépnek rá.

Milyen példák vannak az inerciális vonatkoztatási rendszerre? Nem lehetnek kapcsolatban az elemzett testtel, és nem befolyásolhatják annak tehetetlenségét.

Az ilyen rendszerekre teljesül Newton 1. törvénye. BAN BEN való élet nehéz figyelembe venni a test mozgását az inerciális vonatkoztatási rendszerekhez képest. Lehetetlen eljutni egy távoli csillaghoz, hogy földi kísérleteket hajtsunk végre rajta.

Mint feltételes rendszerek a Földet tekintjük referenciaként annak ellenére, hogy kapcsolatban áll a rajta elhelyezett tárgyakkal.

Az inerciális referenciakeretben a gyorsulás kiszámítható, ha a Föld felszínét tekintjük referenciarendszernek. A fizikában nincs matematikai reprezentációja Newton 1. törvényének, de ez az alapja számos fizikai definíció és kifejezés levezetésének.

Példák inerciális referenciarendszerekre

A tanulóknak néha nehéz megérteni fizikai jelenségek. A kilencedikesek a következő tartalmú feladatot kapják: „Mely referenciarendszereket nevezzük inerciálisnak? Mondjon példákat ilyen rendszerekre." Tételezzük fel, hogy a labdát tartalmazó kocsi kezdetben egy sík felületen, állandó sebességgel mozog. Ezután a homokon halad, ennek eredményeként a labda gyorsított mozgásba kerül, annak ellenére, hogy semmilyen más erő nem hat rá (az összhatásuk nulla).

A történések lényege azzal magyarázható, hogy a homokos felület mentén haladva a rendszer megszűnik tehetetlen lenni, állandó sebességgel rendelkezik. Az inerciális és nem inerciális referenciarendszerek példái azt mutatják, hogy átmenetük egy bizonyos időn belül megtörténik.

Amikor egy karosszéria gyorsul, a gyorsulása pozitív értékű, fékezéskor ez a mutató negatívvá válik.

Görbe vonalú mozgás

A csillagokhoz és a Naphoz viszonyítva a Föld mozgása görbe vonalú pálya mentén történik, amely ellipszis alakú. Az a referenciarendszer, amelyben a középpont egy vonalban van a Nappal, és a tengelyek bizonyos csillagokra irányulnak, inerciálisnak tekintendők.

Vegye figyelembe, hogy minden referenciarendszer, amely egyenes vonalúan és egyenletesen mozog a heliocentrikus rendszerhez képest, inerciális. A görbe vonalú mozgást némi gyorsulással hajtják végre.

Figyelembe véve, hogy a Föld a tengelye körül mozog, a felszínéhez tartozó referenciakeret a heliocentrikushoz képest némi gyorsulással mozog. Ilyen helyzetben arra a következtetésre juthatunk, hogy a Föld felszínéhez tartozó referenciakeret a heliocentrikushoz képest gyorsulással mozog, így nem tekinthető inerciálisnak. De egy ilyen rendszer gyorsulásának értéke olyan kicsi, hogy sok esetben jelentősen befolyásolja a vele kapcsolatban vizsgált mechanikai jelenségek sajátosságait.

A technikai jellegű gyakorlati problémák megoldásához a Föld felszínéhez mereven kapcsolódó vonatkoztatási rendszert szokás inerciálisnak tekinteni.

Galilei relativitáselmélete

Minden inerciális vonatkoztatási rendszer rendelkezik fontos tulajdon, amelyet a relativitás elve ír le. Lényege abban rejlik, hogy minden mechanikai jelenség azonos kezdeti feltételek mellett ugyanúgy történik, függetlenül a választott referenciarendszertől.

Az ISO relativitás elve szerinti egyenlőségét a következő rendelkezések fejezik ki:

• Az ilyen rendszerekben ugyanazok, ezért minden általuk leírt egyenlet, koordinátákkal és idővel kifejezve, változatlan marad.
• Az elvégzett mechanikai kísérletek eredményei lehetővé teszik annak meghatározását, hogy a referenciarendszer nyugalomban lesz-e, vagy egyenes vonalú egyenletes mozgást végez. Bármely rendszer feltételesen felismerhető állónak, ha egy másik rendszer egy bizonyos sebességgel mozog hozzá képest.
• A mechanika egyenletei változatlanok maradnak a koordinátatranszformációk tekintetében az egyik rendszerből a másodikba való átmenet esetén. Lehetséges ugyanazt a jelenséget különböző rendszerekben leírni, de ezek fizikai természete nem változik.

Problémamegoldás

Első példa.

Határozza meg, hogy az inerciális vonatkoztatási rendszer: a) Mesterséges műhold Föld; b) gyermeki vonzalom.

Válasz. Az első esetben nem van beszéd az inerciális referenciakeretről, mivel a műhold erő hatására kering a pályán gravitáció, ezért a mozgás némi gyorsulással történik.

Második példa.

A jelentési rendszer szorosan kapcsolódik a lifthez. Milyen helyzetekben nevezhető inerciálisnak? Ha a lift: a) leesik; b) egyenletesen mozog felfelé; c) gyorsan emelkedik; d) egyenletesen lefelé irányítva.

Válasz. a) A szabadesés során megjelenik a gyorsulás, így a felvonóhoz tartozó vonatkoztatási rendszer nem lesz tehetetlen.

b) Amikor a felvonó egyenletesen mozog, a rendszer inerciális.

c) Némi gyorsulással történő mozgáskor a referenciarendszert inerciálisnak tekintjük.

d) A felvonó lassan mozog és negatív gyorsulású, ezért a referenciakeret nem nevezhető inerciálisnak.

Következtetés

Létezése során az emberiség megpróbálta megérteni a természetben előforduló jelenségeket. Galileo Galilei próbálta megmagyarázni a mozgás relativitását. Isaac Newtonnak sikerült levezetnie a tehetetlenségi törvényt, amelyet a mechanika számításai során fő posztulátumként kezdtek használni.

Jelenleg a testhelyzet-meghatározó rendszer egy testet, egy időmeghatározó eszközt és egy koordinátarendszert tartalmaz. Attól függően, hogy a test mozgó vagy álló helyzetben van-e, lehet jellemezni egy adott tárgy helyzetét a kívánt időtartamban.

Inerciális referenciarendszer (IRS)- referenciarendszer, amelyben érvényes a tehetetlenségi törvény: minden szabad testek(vagyis azok, amelyekre nem hatnak külső erők, vagy ezek hatását kiegyenlítik) egyenesen és egyenletesen mozognak bennük, vagy nyugalomban vannak.

Nem inerciális referenciakeret- tetszőleges referenciarendszer, amely nem inerciális. Bármely referenciarendszer, amely egy inerciálishoz képest gyorsulással mozog, nem inerciális.

Newton első törvénye vannak inerciális vonatkoztatási rendszerek, vagyis olyan referenciarendszerek, amelyekben egy test egyenletesen és egyenes vonalúan mozog, ha más testek nem hatnak rá. Ennek a törvénynek a fő szerepe annak hangsúlyozása, hogy ezekben a vonatkoztatási rendszerekben a testek által elért összes gyorsulás a testek kölcsönhatásainak következménye. A mozgás további leírását csak inerciális referenciarendszerekben szabad elvégezni.

 Newton második törvénye kimondja, hogy egy test gyorsulásának oka a testek kölcsönhatása, melynek jellemzője az erő. Ez a törvény adja meg a dinamika alapegyenletét, amely elvileg lehetővé teszi egy test mozgástörvényének megtalálását, ha ismertek a rá ható erők. Ez a törvény a következőképpen fogalmazható meg (100. ábra):

egy ponttest (anyagi pont) gyorsulása egyenesen arányos a testre ható erők összegével, és fordítottan arányos a test tömegével:

Itt F− eredő erő, vagyis a testre ható összes erő vektorösszege. Első pillantásra az (1) egyenlet egy másik formája az erő előző részben megadott definíciójának megírásának. Ez azonban nem egészen igaz. Először is, Newton törvénye kimondja, hogy az (1) egyenlet tartalmazza a testre ható összes erő összegét, ami nem az erő definíciója. Másodszor, Newton második törvénye egyértelműen hangsúlyozza, hogy az erő a test gyorsulásának oka, és nem fordítva.

 Newton harmadik törvénye hangsúlyozza, hogy a gyorsulás oka a testek egymásra gyakorolt ​​kölcsönös hatása. Ezért a kölcsönható testekre ható erők ugyanannak a kölcsönhatásnak a jellemzői. Ebből a szempontból nincs semmi meglepő Newton harmadik törvényében (101. ábra):

ponttestek (anyagi pontok) egyenlő nagyságú és ellentétes irányú erőkkel lépnek kölcsönhatásba, amelyek a testeket összekötő egyenes mentén irányulnak:

Ahol F 12 − az első testre a másodikból ható erő, a F 21 − az elsőtől a második testre ható erő. Nyilvánvaló, hogy ezek az erők azonos természetűek. Ez a törvény számos kísérleti tény általánosítása is. Vegyük észre, hogy valójában ez a törvény az alapja a testek tömegének az előző részben megadott meghatározásának.

Egy anyagi pont mozgásegyenlete egy nem inerciális vonatkoztatási rendszerben a következőképpen ábrázolható :

Ahol - súly test, , - a test gyorsulása és sebessége egy nem inerciális vonatkoztatási rendszerhez képest, - a testre ható összes külső erő összege, - hordozható gyorsítás test, - Coriolis gyorsulás test, - a nem inerciális vonatkoztatási rendszernek a koordináták origóján átmenő pillanatnyi tengely körüli forgási szögsebessége, - a nem inerciális vonatkoztatási rendszer kezdőpontjának mozgási sebessége bármely tehetetlenségi vonatkoztatási rendszerhez viszonyítva.

Ez az egyenlet a szokásos formában írható fel Newton második törvénye, ha belépsz tehetetlenségi erők:

A nem inerciális vonatkoztatási rendszerekben tehetetlenségi erők keletkeznek. Ezen erők megjelenése a referenciarendszer tehetetlenségének jele.

A mechanika első törvénye vagy a tehetetlenség törvénye ( tehetetlenség- ez a testek azon tulajdonsága, hogy megtartsák sebességüket, ha más testek nem hatnának rá ), ahogyan gyakran nevezik, Galilei hozta létre. Newton azonban szigorúan megfogalmazta ezt a törvényt, és bevette a mechanika alapvető törvényei közé. A tehetetlenség törvénye a mozgás legegyszerűbb esetére vonatkozik - egy olyan test mozgására, amelyet nem befolyásolnak más testek. Az ilyen testeket szabad testeknek nevezzük.

Lehetetlen válaszolni arra a kérdésre, hogy hogyan mozognak a szabad testek anélkül, hogy a tapasztalatra hivatkoznánk. Lehetetlen azonban egyetlen olyan kísérletet végrehajtani, amely tiszta formájában megmutatná, hogyan mozog egy test, amely nem lép kölcsönhatásba semmivel, mivel ilyen testek nincsenek. Hogyan legyen?

Csak egy kiút van. Olyan feltételeket kell teremteni a szervezet számára, amelyek mellett a külső hatások befolyása egyre kevésbé tehető, és figyelni kell, hogy ez mire vezet. Megfigyelheti például egy sima kő mozgását vízszintes felületen, miután bizonyos sebességet kapott. (A kő talajhoz való vonzódását kiegyenlíti annak a felületnek a hatása, amelyen nyugszik, mozgásának sebességét pedig csak a súrlódás befolyásolja.) Könnyen megállapítható, hogy minél simább a felület, annál lassabban lép fel a felszín. a kő sebessége csökkenni fog. A sima jégen a kő nagyon hosszú ideig csúszik anélkül, hogy észrevehetően változtatna a sebességén. A súrlódás minimálisra csökkenthető légpárnával - olyan légsugarak használatával, amelyek a testet egy szilárd felület felett tartják, amely mentén mozgás történik. Ezt az elvet a vízi közlekedésben (légpárnás) alkalmazzák. Ilyen megfigyelések alapján megállapíthatjuk: ha a felület tökéletesen sima lenne, akkor légellenállás hiányában (vákuumban) a kő egyáltalán nem változtatna sebességén. Erre a következtetésre jutott először Galilei.

Másrészt könnyen észrevehető, hogy amikor egy test sebessége megváltozik, mindig észlelhető más testek rá gyakorolt ​​hatása. Ebből arra a következtetésre juthatunk, hogy az a test, amely kellően távol van más testektől, és emiatt nem lép kölcsönhatásba velük, állandó sebességgel mozog.

A mozgás relatív, ezért van értelme csak egy test mozgásáról beszélni egy másik testhez kapcsolódó vonatkoztatási rendszerhez képest. Rögtön felmerül a kérdés: vajon egy szabad test állandó sebességgel fog mozogni bármely más testhez képest? A válasz természetesen nemleges. Tehát, ha a Földhöz képest egy szabad test egyenesen és egyenletesen mozog, akkor egy forgó körhintahoz képest a test biztosan nem fog így mozogni.

A testek mozgásának megfigyelése és e mozgások természetére vonatkozó reflexiók arra a következtetésre vezetnek, hogy a szabad testek állandó sebességgel mozognak, legalábbis bizonyos testekhez és a hozzájuk tartozó vonatkoztatási rendszerekhez képest. Például a Földdel kapcsolatban. Ez a tehetetlenségi törvény fő tartalma.

Ezért Newton első törvénye így is megfogalmazható:

Vannak olyan referenciarendszerek, amelyekhez képest egy test (anyagi pont) külső hatások hiányában (vagy azok kölcsönös kompenzálásával) nyugalmi állapotot vagy egyenletes egyenes vonalú mozgást tart fenn.

Inerciális referenciakeret

Newton első törvénye azt állítja (ez kísérletileg különböző pontossággal igazolható), hogy valóban léteznek inerciarendszerek. Ez a mechanikai törvény különleges, kitüntetett helyzetbe hozza az inerciális vonatkoztatási rendszereket.

Referenciarendszerek, amelyben Newton első törvénye teljesül, inerciálisnak nevezzük.

Inerciális referenciarendszerek- ezek olyan rendszerek, amelyekhez képest egy anyagi pont külső hatások vagy azok kölcsönös kompenzációja hiányában nyugalomban van, vagy egyenletesen és egyenes vonalúan mozog.

Léteznek inerciális rendszerek végtelen halmaz. Az egyenes pályaszakaszon állandó sebességgel haladó vonathoz tartozó referenciarendszer is inerciarendszer (körülbelül), mint a Földhöz kapcsolódó rendszer. Minden inerciális vonatkoztatási rendszer a rendszerek egy osztályát alkotja, amelyek egymáshoz képest egyenletesen és egyenes vonalúan mozognak. Bármely test gyorsulása a különböző inerciarendszerekben azonos.

Hogyan állapítható meg, hogy egy adott referenciarendszer inerciális? Ezt csak tapasztalat útján lehet megtenni. A megfigyelések azt mutatják, hogy nagyon magas fokozat A pontosság inerciális vonatkoztatási rendszernek tekinthető, mint heliocentrikus rendszer, amelyben a koordináták origója a Naphoz kapcsolódik, a tengelyek pedig bizonyos „rögzített” csillagokra irányulnak. A Föld felszínéhez mereven kapcsolódó referenciarendszerek szigorúan véve nem tehetetlenek, mivel a Föld a Nap körüli pályán mozog, és egyúttal forog a tengelye körül. A globális (vagyis világméretű) léptékkel nem rendelkező mozgások leírásánál azonban a Földhöz kapcsolódó referenciarendszerek kellő pontossággal tehetetlennek tekinthetők.

Az inerciális referenciarendszerek azok, amelyek egyenletesen és egyenes vonalúan mozognak valamilyen inerciális referenciarendszerhez képest..

Galilei ezt találta inerciális referenciarendszeren belül végzett mechanikai kísérletek nem tudják megállapítani, hogy ez a rendszer nyugalomban van-e, vagy egyenletesen és egyenesen mozog. Ezt az állítást ún Galilei relativitás elve vagy mechanikai relativitáselmélet.

Ezt az elvet később A. Einstein dolgozta ki, és a speciális relativitáselmélet egyik posztulátuma. Az inerciális vonatkoztatási rendszerek rendkívül fontos szerepet játszanak a fizikában, mivel Einstein relativitáselve szerint matematikai kifejezés a fizika bármely törvénye rendelkezik ugyanaz a tekintet minden inerciális vonatkoztatási rendszerben. A továbbiakban csak inerciarendszereket fogunk használni (anélkül, hogy ezt minden alkalommal megemlítené).

Olyan vonatkoztatási kereteket hívunk meg, amelyekben Newton első törvénye nem áll fenn nem inerciálisÉs.

Az ilyen rendszerek magukban foglalják az inerciális referenciarendszerhez képest gyorsulással mozgó referenciarendszereket.

A newtoni mechanikában a testek kölcsönhatásának törvényei az inerciális vonatkoztatási rendszerek egy osztályára vannak megfogalmazva.

Példa egy mechanikai kísérletre, amelyben a Földhöz kapcsolódó rendszer tehetetlensége nyilvánul meg, a viselkedés Foucault-inga. Ez a neve egy masszív golyónak, amely egy meglehetősen hosszú szálon függ, és az egyensúlyi helyzet körül kis oszcillációkat hajt végre. Ha a Földhöz kapcsolódó rendszer inercia lenne, akkor a Foucault-inga lengéssíkja változatlan maradna a Földhöz képest. Valójában az inga lengéssíkja a Föld forgása miatt forog, és az inga pályájának a Föld felszínére vetülete rozetta alakú (1. ábra). Rizs. 2

Irodalom

1. Open Physics 2.5 (http://college.ru/physics/)
2. Fizika: mechanika. 10. évfolyam: Tankönyv. Mert elmélyült tanulmányozása fizikusok / M.M. Balashov, A.I. Gomonova, A.B. Dolitsky és mások; Szerk. G.Ya. Myakisheva. – M.: Túzok, 2002. – 496 p.