Усі системи відліку ділять на інерційні та неінерційні. Інерційна система відліку є основою механіки Ньютона. Вона характеризує рівномірне прямолінійний рухта стан спокою. Неінерційна система відліку пов'язана з прискореним рухом різною траєкторією. Цей рух визначається по відношенню до інерційних систем відліку. Неінерційна система відліку пов'язана з такими ефектами, як сила інерції, відцентрова та сила Коріоліса.

Всі ці процеси виникають у результаті руху, а чи не взаємодії між тілами. Закони Ньютона в неінерційних системах відліку часто не працюють. У таких випадках до класичних законів механіки додаються виправлення. Сили, зумовлені неінерційним рухом, враховуються розробки технічних виробів і механізмів, зокрема тих, де є обертання. У житті ми стикаємося з ними, переміщаючись у ліфті, катаючись на каруселі, спостерігаючи за погодою та течією річок. Їх враховують і під час розрахунку руху космічних апаратів.

Інерційні та неінерційні системи відліку

Для опису руху тіл інерційні системи відліку підходять який завжди. У фізиці виділяють 2 види систем відліку: інерційні та неінерційні системи відліку. Згідно з механікою Ньютона, будь-яке тіло може бути у стані спокою чи рівномірного і прямолінійного руху, крім випадків, коли на тіло виявляється зовнішнє вплив. Таке рівномірний рухназивають рухом за інерцією.

Інерційний рух (інерційні системи відліку) становить основу механіки Ньютона та праць Галілея. Якщо вважати зірки нерухомими об'єктами (що насправді не зовсім так), то будь-які об'єкти, що рухаються щодо них рівномірно та прямолінійно, утворюватимуть інерційні системи відліку.

На відміну від інерційних систем відліку, неінерційна система переміщається по відношенню до зазначеної з певним прискоренням. При цьому використання законів Ньютона вимагає додаткових змінних, інакше вони неадекватно описуватимуть систему. Щоб відповісти на запитання, які системи відліку називаються неінерційними, варто розглянути приклад неінерційного руху. Таким рухом є обертання нашої та інших планет.

Рух у неінерційних системах відліку

Коперник першим показав, наскільки складним може бути рух, якщо в ньому бере участь кілька сил. До нього вважалося, що Земля рухається сама собою, відповідно до законами Ньютона, і тому її рух є інерційним. Однак Коперник довів, що Земля звертається навколо Сонця, тобто здійснює прискорений рух стосовно умовно нерухомого об'єкта, яким може бути зірка.

Отже, є різні системи відліку. Неінерційними називають лише ті, де є прискорений рух, що визначається по відношенню до інерційної системи.

Земля як система відліку

Неінерційна система відліку, приклади існування якої можна зустріти практично скрізь, типова для тіл зі складною траєкторією руху. Земля обертається навколо Сонця, що створює прискорений рух, притаманний неінерційних систем відліку. Однак у повсякденній практиці все, з чим ми стикаємося на Землі, цілком узгоджується з постулатами Ньютона. Вся справа в тому, що поправки на неінерційний рух для пов'язаних із Землею систем відліку дуже незначні і великої ролі для нас не відіграють. І рівняння Ньютона з цієї причини виявляються загалом справедливі.

Маятник Фуко

Втім, у деяких випадках без поправок не обійтись. Наприклад, відомий у всьому світі маятник Фуко в соборі Санкт-Петербурга здійснює не тільки лінійні коливання, а й повільно повертається. Цей поворот обумовлений неінерційністю руху Землі у космічному просторі.

Вперше про це стало відомо в 1851 після досвідів французького вченого Л. Фуко. Сам експеримент проводився над Петербурзі, а Парижі, у величезному за розмірами залі. Вага кулі маятника була близько 30 кг, а протяжність сполучної нитки - 67 метрів.

У тих випадках, коли для опису руху недостатньо лише формул Ньютона для інерційної системи відліку, додають так звані сили інерції.

Властивості неінерційної системи відліку

Неінерційна система відліку здійснює різні рухи щодо інерційної. Це може бути поступальний рух, обертання, складні комбіновані рухи. У літературі наводиться і такий найпростіший прикладнеінерційної системи відліку, як прискорено рухається ліфт. Саме через його прискорений рух ми відчуваємо, як нас притискає до підлоги, або, навпаки, виникає відчуття, близьке до невагомості. Закони механіки Ньютона таке явище не можуть пояснити. Якщо слідувати знаменитому фізику, то будь-якої миті на людину в ліфті буде діяти одна і та ж сила тяжіння, а значить і відчуття повинні бути однакові, проте, в реальності все інакше. Тому до законів Ньютона необхідно додати додаткову силу, яка називається силою інерції.

Сила інерції

Сила інерції є реальною чинною силою, хоч і відрізняється за природою від сил, пов'язаних із взаємодією між тілами у просторі. Вона враховується розробки технічних конструкцій і апаратів, і грає значної ролі у роботі. Сили інерції вимірюються у різний спосібнаприклад, за допомогою пружинного динамометра. Неінерційні системи відліку є замкнутими, оскільки сили інерції вважаються зовнішніми. Сили інерції є об'єктивними фізичними факторамиі не залежать від волі та думки спостерігача.

Інерційні та неінерційні системи відліку, приклади прояву яких можна знайти у підручниках фізики - це дія сили інерції, відцентрова сила, сила Коріоліса, передача імпульсу від одного тіла до іншого та інші.

Рух у ліфті

Неінерційні системи відліку, сили інерції добре проявляють себе при прискореному підйомі чи спуску. Якщо ліфт з прискоренням рухається вгору, то сила інерції, що виникає, прагне притиснути людину до підлоги, а при гальмуванні тіло, навпаки, починає здаватися легшим. За проявами сила інерції у разі схожа силу тяжкості, але вона має зовсім іншу природу. Сила тяжіння – це гравітація, яка пов'язана із взаємодією між тілами.

Відцентрові сили

Сили в неінерційних системах відліку можуть бути відцентровими. Вводити таку силу необхідно з тієї ж причини, як і силу інерції. Яскравий прикладдії відцентрових сил – обертання на каруселі. Тоді як крісло прагне утримати людину на своїй «орбіті», сила інерції призводить до того, що тіло притискається до зовнішньої спинки крісла. Це протиборство і виявляється у появі такого явища, як відцентрова сила.

Сила Коріоліса

Дія цієї сили добре відома на прикладі обертання Землі. Назвати її силою можна лише умовно, оскільки вона не є. Суть її дії полягає в тому, що при обертанні (наприклад, Землі) кожна точка сферичного тіла рухається по колу, тоді як об'єкти, відірвані від Землі, в ідеалі переміщаються прямолінійно (як, наприклад, тіло, що вільно летить у космосі). Оскільки лінія широти є траєкторією обертання точок. земної поверхні, і має вигляд кільця, будь-які тіла, відірвані від неї і спочатку рухаються вздовж цієї лінії, переміщаючись лінійно, починають все більше відхилятися від неї в напрямку нижчих широт.

Інший варіант - коли тіло запущено в меридіональному напрямку, але через обертання Землі, з погляду земного спостерігача, рух тіла вже не буде меридіональним.

Сила Коріоліса надає великий впливв розвитку атмосферних процесів. Під її впливом вода сильніше вдаряє в східний берег річок, що тече в меридіональному напрямку, поступово розмиваючи його, що призводить до появи обривів. На західному ж, навпаки, відкладаються опади, тому він пологіший і часто заливається водою при паводках. Правда, це не єдина причина, що призводить до того, що один берег річки вище за інший, але в багатьох випадках вона є домінуючою.

Сила Коріоліса має й експериментальне підтвердження. Воно було отримано німецьким фізиком Ф. Райхом. В експерименті тіла падали з висоти 158 м. Усього було проведено 106 таких дослідів. При падінні тіла відхилялися від прямолінійної (з погляду земного спостерігача) траєкторії приблизно 30 мм.

Інерційні системи відліку та теорія відносності

Спеціальна теорія відносності Ейнштейна створювалася стосовно інерційним системам відліку. Так звані релятивістські ефекти, згідно з цією теорією, мають виникати у разі дуже великих швидкостей руху тіла щодо «нерухомого» спостерігача. Усі формули спеціальної теоріївідносності також розписані для рівномірного руху, властивого інерційної системи відліку. Перший постулат цієї теорії стверджує рівноцінність будь-яких інерційних систем відліку, тобто постулюється відсутність спеціальних виділених систем.

Однак це ставить під сумнів можливість перевірки релятивістських ефектів (як і сам факт їхньої наявності), що призвело до появи таких явищ як парадокс близнюків. Оскільки системи відліку, пов'язані з ракетою та Землею, принципово рівноправні, то й ефекти уповільнення часу в парі "Земля - ​​ракета" залежатимуть лише від того, де знаходиться спостерігач. Так, для спостерігача на ракеті, час на Землі має йти повільніше, а для людини, яка знаходиться на нашій планеті, навпаки, вона повинна йти повільніше на ракеті. У результаті близнюк, що залишився на Землі, побачить свого прибулого брата молодшим, а той, хто був у ракеті, прилетівши, повинен побачити молодший за того, хто залишився на Землі. Зрозуміло, що фізично таке неможливе.

Отже, щоб спостерігати релятивістські ефекти, потрібна якась особлива виділена система відліку. Наприклад, передбачається, що ми спостерігаємо релятивістське збільшення часу життя мюонів, якщо вони рухаються з навколосвітньою швидкістю щодо Землі. Це означає, що Земля повинна (причому, безальтернативно) мати властивості пріоритетної, базової системи відліку, що суперечить першому постулату СТО. Пріоритет можливий лише у випадку, якщо Земля є центром всесвіту, що узгоджується лише з первісною картиною світу та суперечить фізиці.

Неінерційні системи відліку як невдалий спосіб пояснення парадоксу близнюків

Спроби пояснити пріоритет "земної" системи відліку не витримують жодної критики. Деякі вчені такий пріоритет пов'язують саме з фактором інерційності однієї та неінерційності іншої системи відліку. При цьому систему відліку, пов'язану із спостерігачем на Землі, вважають інерційною, при тому, що в фізичної наукивона офіційно визнана неінерційною (Детлаф, Яворський, курс фізики, 2000). Це перше. Друге - це той самий принцип рівноправності будь-яких систем отсчёта. Так, якщо космічний корабельйде від Землі з прискоренням, то з погляду спостерігача на самому кораблі, він статичний, а Земля, навпаки, відлітає від нього зі зростаючою швидкістю.

Виходить, що сама Земля є особливою системою відліку або ефекти, що спостерігаються, мають інше (не релятивістське) пояснення. Можливо, процеси пов'язані з особливостями постановки чи інтерпретації експериментів, або з іншими фізичними механізмами явищ, що спостерігаються.

Висновок

Таким чином, неінерційні системи відліку призводять до появи сил, які не знайшли свого місця у законах механіки Ньютона. При розрахунках для неінерційних систем облік цих сил є обов'язковим, зокрема, розробки технічних виробів.

З найдавніших часів рух матеріальних тілне переставало хвилювати уми вчених. Так, наприклад, сам Аристотель вважав, що якщо на тіло не діють жодні сили, то таке тіло завжди перебуватиме у спокої.

І лише через 2000 років італійський вчений Галілео Галілей зміг виключити з формулювання Арістотеля слово «завжди». Галілей зрозумів, що перебування тіла у стані спокою не є єдиним наслідком відсутності зовнішніх сил.

Тоді Галілей заявив: тіло, на яке не діють жодні сили, буде перебувати в спокої, або рухатися рівномірно прямолінійно. Тобто, рух з однаковою швидкістю прямою траєкторією, з погляду фізики, рівнозначний стану спокою.

Що таке стан спокою?

У житті цей факт спостерігати дуже складно, оскільки завжди має місце сила тертя, яка не дає предметам та речам залишати свої місця. Але якщо уявити нескінченно довгу, абсолютно слизьку і гладку ковзанку, на якій стоїть тіло, то стане очевидно, що якщо надати тілу імпульсу, то тіло рухатиметься нескінченно довго і по одній прямій.

І справді, на тіло діють лише дві сили: сила тяжіння і сила реакції опори. Але вони розташовані на одній прямій і спрямовані один проти одного. Таким чином, за принципом суперпозиції ми маємо, що загальна сила, що діє на таке тіло дорівнює нулю.

Однак це ідеальний випадок. У житті сила тертя поводиться майже завжди. Галілей зробив важливе відкриття, прирівнявши стан спокою та рух із постійною швидкістю по прямій лінії. Але цього було замало. Виявилося, що ця умова виконується не у всіх випадках.

Ясність у це питання вніс Ісаак Ньютон, який узагальнив дослідження Галілея і таким чином сформулював Перший Закон Ньютона.

Перший закон Ньютона: формулюємо самі

Існують два формулювання першого закону Ньютона сучасне і формулювання самого Ісака Ньютона. У вихідному варіанті перший закон Ньютона дещо неточний, а сучасний варіанту спробах виправити цю неточність виявився дуже заплутаним і тому невдалим. Ну а оскільки істина завжди десь поряд, то спробуємо знайти це «поряд» і розібратися, що ж є даний закон.

Сучасне формулюваннязвучить так: «Існують такі системи відліку, звані інерціальними, щодо яких матеріальна точка за відсутності зовнішніх впливів зберігає величину та напрямок своєї швидкості необмежено довго».

Інерційні системи відліку

Інерційними називають системи відліку, у яких виконується закон інерції. Закон інерції полягає в тому, що тіла зберігають свою швидкість незмінною, якщо на них не діють інші тіла. Виходить дуже незручно, малозрозуміло і нагадує комічну ситуацію, коли на запитання: "Де це "тут"?" відповідають: "Це тут", а на наступне логічне запитання: "А де це "тут"?" відповідають: "Це тут". Олія олійна. Замкнуте коло.

Формулювання самого Ньютонатака: «Будь-яке тіло продовжує утримуватися в стані спокою або рівномірного і прямолінійного руху, поки і оскільки воно не спонукається докладеними силами змінити цей стан».

Проте практично цей закон виконується який завжди. Переконатися у цьому можна просто. Коли людина стоїть, не тримаючись за поручні, в автобусі, що рухається, і автобус різко гальмує, то людина починає рухатися вперед щодо автобуса, хоча його не примушує до цього жодна видима сила.

Тобто щодо автобуса перший закон Ньютона у початковому формулюванні не виконується. Очевидно, що він потребує уточнення. Уточненням і є запровадження інерційних систем відліку. Тобто таких систем відліку, в яких перший закон Ньютона виконується. Це не зовсім зрозуміло, тому спробуємо перекласти все це людською мовою.

Інерційні та неінерційні системи відліку

Властивість інерції будь-якого тіла така, що доки тіло залишається ізольованим від інших тіл, воно зберігатиме свій стан спокою або рівномірного прямолінійного руху. «Ізольованим» - це означає не пов'язаним, нескінченно віддаленим від інших тіл.

На практиці це означає, що якщо в нашому прикладі за систему відліку прийняти не автобус, а якусь зірку на околиці Галактики, то перший закон Ньютона абсолютно точно виконуватиметься для безтурботного пасажира, який не тримається за поручні. При гальмуванні автобуса він продовжуватиме свій рівномірний рух, доки на нього не вплинуть інші тіла.

Ось такі системи відліку, які ніяк не пов'язані з тілом, що розглядається, і які ніяк не впливають на інертність тіла, називаються інерційними. Для таких систем відліку перший закон Ньютона у його вихідному формулюванні абсолютно справедливий.

Тобто закон можна сформулювати так: у системах відліку, абсолютно не пов'язаних з тілом, швидкість тіла за відсутності стороннього впливу залишається незмінною. У такому вигляді перший закон Ньютона легко доступний розуміння.

Проблема у тому, що практично дуже складно розглядати рух конкретного тіла щодо таких систем отсчета. Ми не можемо переміститися на нескінченно далеку зірку і здійснювати звідти будь-які досліди на Землі.

Тому за таку систему відліку умовно часто приймають Землю, хоча вона і пов'язана з тілами, що знаходяться на ній, і впливає на характеристики їх руху. Для багатьох розрахунків таке наближення виявляється достатнім. Тому прикладами інерційних систем відліку можна вважати Землю для розташованих на ній тіл, Сонячну системудля її планет і таке інше.

Перший закон Ньютона не описується будь-якою фізичною формулою, проте за допомогою нього виводяться інші поняття та визначення. По суті цей закон постулює інертність тіл. І так виходить, що для інерційних систем відліку закон інерції і є перший закон Ньютона.

Ще приклади інерційних систем та першого закону Ньютона

Так, наприклад, якщо візок з кулею буде їхати спочатку рівною поверхнею, з постійною швидкістю, а потім заїде на піщану поверхню, то куля всередині візка почне прискорений рух, хоча ніякі сили на нього не діють (насправді, діють, але їх сума дорівнює нулю).

Відбувається це від того, що система відліку (в даному випадку візок) в момент попадання на піщану поверхню стає неінерційною, тобто перестає рухатися з постійною швидкістю.

Перший Закон Ньютона вносить важливе розмежування між інерційними та неінерційними системами відліку. Також важливим наслідком цього закону є той факт, що прискорення, у певному сенсі, важливіше за швидкість тіла.

Оскільки рух із постійною швидкістю по прямій лінії суть перебування у стані спокою. Тоді як рух із прискоренням явно свідчать, що або сума сил, прикладених до тіла, не дорівнює нулю, або сама система відліку, в якій знаходиться тіло, є неінерційною, тобто рухається з прискоренням.

Причому прискорення то, можливо як позитивним (тіло прискорюється), і негативним (тіло сповільнюється).

Потрібна допомога у навчанні?

Попередня тема: Відносність руху: поняття та приклади
Наступний тема: Другий закон Ньютона: формула та визначення + маленький досвід

Стародавні філософи намагалися зрозуміти суть руху, виявити вплив зірок та Сонця на людину. Крім того, люди завжди намагалися виявити ті сили, які діють на матеріальну точку у процесі її руху, а також у момент спокою.

Аристотель вважав, що за відсутності руху на тіло не впливають будь-які сили. Спробуємо з'ясувати, які системи відліку називають інерційними, наведемо їх приклади.

Стан спокою

У повсякденному життіважко виявити такий стан. Практично у всіх видах механічного рухупередбачається присутність сторонніх сил. Причиною є сила тертя, яка дає багатьом предметам залишати своє початкове становище, виходити зі стану спокою.

Розглядаючи приклади інерційної системи відліку, відзначимо, що вони відповідають 1 закону Ньютона. Тільки після його відкриття вдалося пояснити стан спокою, вказувати сили, які у цьому стані тіло.

Формулювання 1 закону Ньютона

У сучасній інтерпретації він пояснює існування систем координат, щодо яких можна розглядати відсутність на матеріальну точку зовнішніх сил. З погляду Ньютона, інерційними називаються системи відліку, які дозволяють розглядати збереження швидкості тіла протягом тривалого часу.

Визначення

Які системи відліку є інерційними? Приклади їх вивчаються в шкільному курсіфізики. Інерційними вважають такі системи відліку, щодо яких матеріальна точка пересувається із постійною швидкістю. Ньютон уточнював, що будь-яке тіло може перебувати в подібному стані доти, доки немає необхідності прикладати до нього сили, здатні змінювати такий стан.

Насправді закон інерції виконується не завжди. Аналізуючи приклади інерційних і неінерційних систем відліку, розглянемо людину, що тримається за поручні в транспорті, що пересувається. При різкому гальмуванні машини людина автоматично пересувається щодо транспорту, незважаючи на відсутність зовнішньої сили.

Виходить, що не приклади інерційної системи відліку відповідають формулюванню 1 закону Ньютона. Для уточнення закону інерції було запроваджено уточнене відліку, у яких він бездоганно виконується.

Види систем відліку

Які системи відліку називають інерційними? Скоро це стане зрозумілим. «Наведіть приклади інерційних систем відліку, в яких виконується 1 закон Ньютона» - подібне завдання пропонують школярам, ​​які вибрали фізику як екзамен у дев'ятому класі. Для того щоб впоратися з поставленим завданням, необхідно мати уявлення про інерційні та неінерційні системи відліку.

Інерція передбачає збереження спокою чи рівномірного прямолінійного руху тіла до того часу, поки тіло перебуває у ізоляції. "Ізольованими" вважають тіла, які не пов'язані, не взаємодіють, віддалені один від одного.

Розглянемо деякі приклади інерційної системи відліку. Якщо вважати системою відліку зірку в Галактиці, а не автобус, виконання закону інерції для пасажирів, які тримаються за поручні, буде бездоганним.

Під час гальмування це транспортний засібпродовжуватиме рівномірний прямолінійний рух доти, доки на нього не впливатимуть інші тіла.

Які приклади інерційної системи відліку можна навести? Вони повинні мати зв'язку з аналізованим тілом, проводити його інертність.

Саме таких систем виконується 1 закон Ньютона. У реального життяважко розглядати рух тіла щодо інерційних систем відліку. Неможливо потрапити на далеку зірку, щоб із нею проводити земні експерименти.

В якості умовних системвідліку приймають Землю, незважаючи на те, що вона пов'язана з предметами, розміщеними на ній.

Розрахувати прискорення в інерційній системі відліку можна, якщо вважати як систему відліку поверхню Землі. У фізиці немає математичного запису 1 закону Ньютона, але він є основою виведення багатьох фізичних термінів і термінів.

Приклади інерційних систем відліку

Школярам іноді важко зрозуміти фізичні явища. Дев'ятикласникам пропонується завдання наступного змісту: Які системи відліку називаються інерційними? Наведіть приклади таких систем». Припустимо, що візок із кулею спочатку рухається по рівній поверхні, маючи постійну швидкість. Далі вона пересувається по піску, в результаті куля приводиться в прискорений рух, незважаючи на те, що на нього не діють інші сили (їх сумарний вплив дорівнює нулю).

Суть того, що відбувається, можна пояснити тим, що під час руху піщаною поверхнею система перестає бути інерційною, вона має постійну швидкість. Приклади інерційних та неінерційних систем відліку свідчать про те, що у певний проміжок часу відбувається їх перехід.

При розгоні тіла прискорення має позитивну величину, а при гальмуванні цей показник стає негативним.

Криволінійний рух

Щодо зірок та Сонця рух Землі здійснюється по криволінійній траєкторії, що має форму еліпса. Та система відліку, у якій центр поєднується із Сонцем, а осі спрямовані певні зірки, вважатиметься інерційною.

Зазначимо, що будь-яка система відліку, яка прямолінійно і рівномірно пересуватиметься щодо геліоцентричної системи, є інерційною. Криволінійне рух здійснюється з деяким прискоренням.

Враховуючи той факт, що Земля здійснює рух навколо своєї осі, система відліку, яка пов'язана з її поверхнею, щодо геліоцентричної рухається з деяким прискоренням. У подібній ситуації можна зробити висновок, що система відліку, яка пов'язана з поверхнею Землі, пересувається з прискоренням щодо геліоцентричної, тому її не можна вважати інерційною. Але значення прискорення такої системи настільки мало, що у багатьох випадках істотно впливає специфіку механічних явищ, що розглядаються щодо неї.

Щоб вирішувати практичні завдання технічного характеру, прийнято вважати інерційною систему відліку, яка жорстко пов'язана з поверхнею Землі.

Відносність Галілея

Усі інерційні системи відліку мають важлива властивість, Який описується принципом відносності. Суть його полягає в тому, що будь-яке механічне явище за однакових початкових умов здійснюється однаково незалежно від системи відліку, що вибирається.

Рівноправність ISO за принципом відносності виражається у таких положеннях:

• У таких системах однакові, тому будь-яке рівняння, яке описується ними, виражається через координати та час, залишається незмінним.
• Результати механічних дослідів, що проводяться, дозволяють встановлювати, чи буде система відліку спочивати, або вона здійснює прямолінійний рівномірний рух. Будь-яка система умовно може бути визнана нерухомою, якщо інша при цьому здійснює щодо неї рух із деякою швидкістю.
• Рівняння механіки залишаються незмінними стосовно перетворенням координат у разі переходу від однієї системи до другої. Можна описати те саме явище в різних системах, але їх фізична природа при цьому змінюватися не буде.

Вирішення задач

Перший приклад.

Визначте, чи є інерційною системою відліку: а) штучний супутникЗемлі; б) дитячий атракціон.

Відповідь.У першому випадку не йде мовипро інерційну систему відліку, оскільки супутник пересувається орбітою під впливом сили земного тяжінняОтже, рух відбувається з деяким прискоренням.

Другий приклад.

Система звіту міцно пов'язана із ліфтом. У яких ситуаціях її можна називати інерційною? Якщо ліфт: а) падає донизу; б) пересувається рівномірно нагору; в) прискорено піднімається; г) поступово прямує вниз.

Відповідь.а) При вільному падінні з'являється прискорення, тому система відліку, що пов'язана з ліфтом, не буде інерційною.

б) При рівномірному пересуванні ліфта система є інерційною.

в) Під час руху з деяким прискоренням систему відліку вважають інерційною.

г) Ліфт пересувається повільно, має негативне прискорення, тому не можна назвати систему відліку інерційною.

Висновок

Протягом усього часу свого існування людство намагається зрозуміти явища, що відбуваються у природі. Спроби пояснити відносність руху були ще Галілео Галілеєм. Ісааку Ньютону вдалося вивести закон інерції, який стали використовувати як основний постулат при проведенні обчислень у механіці.

Нині систему визначення положення тіла включають тіло, прилад визначення часу, і навіть систему координат. Залежно від цього, рухомим чи нерухомим є тіло, можна дати характеристику становища певного об'єкта у потрібний проміжок часу.

Інерційна система відліку (ІСО)- система відліку, у якій справедливий закон інерції: все вільні тіла(Тобто такі, на які не діють зовнішні сили або дія цих сил компенсується) рухаються в них прямолінено і рівномірно або спочивають в них.

Неінерційна система відліку- довільна система відліку, що не є інерційною. Будь-яка система відліку, що рухається з прискоренням щодо інерційної, є неінерційною.

Перший закон Ньютона -існують інерційні системи відліку, тобто такі системи відліку, в яких тіло рухається рівномірно і прямолінійно, якщо інші тіла на нього не діють. Основна роль цього закону – підкреслити, що у цих системах відліку всі прискорення, які набувають тіла, є наслідками взаємодій тіл. Подальший опис руху слід проводити лише в інерційних системах відліку.

 Другий закон Ньютонастверджує, що причина прискорення тіла – взаємодія тіл, характеристикою якого є сила. Цей закон дає основне рівняння динаміки, що дозволяє в принципі знаходити закон руху тіла, якщо відомі сили, що діють на нього. Цей закон може бути сформульований в такий спосіб (рис. 100):

прискорення точкового тіла (матеріальної точки) прямо пропорційно сумі сил, що діють на тіло, і обернено пропорційно масі тіла :

тут F− результуюча сила, тобто векторна сума всіх сил, що діють на тіло. На перший погляд, рівняння (1) є іншою формою запису визначення сили, даної у попередньому розділі. Однак, це не зовсім так. По-перше, закон Ньютона стверджує, що у рівняння (1) входить сума всіх сил, які діють тіло, чого немає у визначенні сили. По-друге, другий закон Ньютона однозначно наголошує, що сила є причиною прискорення тіла, а не навпаки.  

 Третій закон Ньютонанаголошує, що причиною прискорення є взаємна дія тіл один на одного. Тому сили, що діють на ті тіла, що взаємодіють, є характеристиками однієї й тієї ж взаємодії. З цього погляду немає нічого дивного в третьому законі Ньютона (рис. 101):

точкові тіла (матеріальні точки) взаємодіють із силами, рівними за величиною і протилежними за напрямом і спрямованими вздовж прямої, що з'єднує ці тіла:

де F 12 − сила, що діє на перше тіло з боку другого, a F 21 − сила, що діє на друге тіло з боку першого. Вочевидь, що це сили мають однакову природу. Цей закон є узагальненням численних експериментальних фактів. Звернімо увагу, що саме цей закон є основою визначення маси тіл, даного у попередньому розділі.  

Рівняння руху матеріальної точки в неінерційній системі відліку може бути подане у вигляді :

де - масатіла, , - прискорення та швидкість тіла щодо неінерційної системи відліку, - сума всіх зовнішніх сил, що діють на тіло, - переносне прискореннятіла, - коріолісове прискореннятіла, - кутова швидкість обертального руху неінерційної системи відліку навколо миттєвої осі, що проходить через початок координат, - швидкість руху початку координат неінерційної системи відліку щодо будь-якої інерційної системи відліку.

Це рівняння може бути записано у звичній формі другого закону Ньютона, якщо ввести сили інерції:

У неінерційних системах відліку з'являються сили інерції. Поява цих сил є ознакою неінерційності системи відліку.

Перший закон механіки, або закон інерції ( інерція– це властивість тіл зберігати свою швидкість за відсутності на нього інших тіл ), як його часто називають, було встановлено ще Галілеєм. Але строге формулювання цього закону дав і включив його до основних законів механіки Ньютон. Закон інерції відноситься до найпростішого випадку руху - руху тіла, на яке не впливають інші тіла. Такі тіла називаються вільними тілами.

Відповісти питанням, як рухаються вільні тіла, не звертаючись до досвіду, не можна. Однак не можна поставити жодного досвіду, який би в чистому вигляді показав, як рухається тіло, що ні з чим не взаємодіє, оскільки таких тіл немає. Як же бути?

Є лише один вихід. Треба створити для тіла умови, за яких вплив зовнішніх впливів можна робити меншим і меншим, і спостерігати, до чого це веде. Можна, наприклад, спостерігати за рухом гладкого каменю на горизонтальній поверхні після того, як йому повідомлено деяку швидкість. (Притягання каменю до землі врівноважується дією поверхні, яку він спирається, і швидкість його руху впливає лише тертя.) При цьому легко виявити, що чим гладкішою є поверхня, тим повільніше буде зменшуватися швидкість каменя. На гладкому льоду камінь ковзає дуже довго, не змінюючи швидкість. Тертя можна зменшити до мінімуму за допомогою повітряної подушки - струмінь повітря, що підтримує тіло над твердою поверхнею, вздовж якої відбувається рух. Цей принцип використовується у водному транспорті (судна на повітряній подушці). На основі подібних спостережень можна укласти: якби поверхня була ідеально гладкою, то за відсутності опору повітря (у вакуумі) камінь зовсім не змінював своєї швидкості. Саме такого висновку вперше дійшов Галілей.

З іншого боку, неважко помітити, що коли швидкість тіла змінюється, завжди виявляється вплив на нього інших тіл. Звідси можна дійти висновку, що тіло, досить віддалене від інших тіл і тому не взаємодіє з ними, рухається з постійною швидкістю.

Рух відносно, тому має сенс говорити лише про рух тіла по відношенню до системи відліку, пов'язаної з іншим тілом. Відразу виникає питання: чи вільне тіло рухатиметься з постійною швидкістю по відношенню до будь-якого іншого тіла? Відповідь, звичайно, негативна. Так, якщо по відношенню до Землі вільне тіло рухається прямолінійно і рівномірно, то по відношенню до каруселі, що обертається, тіло свідомо так рухатися не буде.

Спостереження за рухами тіл і роздуми про характер цих рухів приводять нас до висновку про те, що вільні тіла рухаються з постійною швидкістю, принаймні по відношенню до певних тіл і пов'язаних з ними систем відліку. Наприклад, стосовно Землі. У цьому полягає головний зміст закону інерції.

Тому перший закон Ньютона може бути сформульований так:

існують такі системи відліку, щодо яких тіло (матеріальна точка) за відсутності на неї зовнішніх впливів (або їх взаємної компенсації) зберігає стан спокою або рівномірного прямолінійного руху.

Інерційна система відліку

Перший закон Ньютона стверджує (це з тим чи іншим ступенем точності можна перевірити на досвіді) про те, що інерційні системи існують насправді. Цей закон механіки ставить у особливе, привілейоване становище інерційні системи відліку.

Системи відліку, у яких виконується перший закон Ньютона, називають інерційними.

Інерційні системи відліку- Це системи, щодо яких матеріальна точка за відсутності на неї зовнішніх впливів або їх взаємної компенсації лежить або рухається рівномірно і прямолінійно.

Інерційних систем існує нескінченна безліч. Система відліку, пов'язана з поїздом, що йде з постійною швидкістю прямолінійною ділянкою колії, – теж інерційна система (приблизно), як і система, пов'язана з Землею. Усі інерційні системи відліку утворюють клас систем, які рухаються одна щодо одної рівномірно і прямолінійно. Прискорення будь-якого тіла у різних інерційних системах однакові.

Як встановити, що ця система відліку є інерційною? Це можна зробити лише досвідченим шляхом. Спостереження показують, що дуже високим ступенемточності можна вважати інерційною системою відліку геліоцентричну систему, у якої початок координат пов'язаний із Сонцем, а осі спрямовані на певні «нерухомі» зірки. Системи відліку, жорстко пов'язані з поверхнею Землі, строго кажучи, є інерційними, оскільки Земля рухається орбітою навколо Сонця і навіть обертається навколо своєї осі. Однак при описі рухів, що не мають глобального (тобто всесвітнього) масштабу, системи відліку, пов'язані із Землею, можна з достатньою точністю вважати інерційними.

Інерційними є системи відліку, які рухаються рівномірно та прямолінійно щодо будь-якої інерційної системи відліку.

Галілей встановив, що ніякими механічними дослідами, поставленими всередині інерційної системи відліку, неможливо встановити, чи спочиває ця система або рухається рівномірно і прямолінійно. Це твердження має назву принципу відносності Галілея або механічного принципу відносності.

Цей принцип був згодом розвинений А. Ейнштейном і є одним із постулатів спеціальної теорії відносності. Інерційні системи відліку відіграють у фізиці виключно важливу роль, оскільки, згідно з принципом відносності Ейнштейна, математичний виразбудь-яким законом фізики має однаковий вигляду кожній інерційній системі відліку. Надалі ми користуватимемося лише інерційними системами (не згадуючи про це щоразу).

Системи відліку, у яких перший закон Ньютона не виконується, називають неінерційнимі.

До таких систем належить будь-яка система відліку, що рухається з прискоренням щодо інерційної системи відліку.

У механіці Ньютона закони взаємодії тіл формулюються для класу інерційних систем відліку.

Прикладом механічного експерименту, в якому проявляється неінерційність системи, пов'язаної із Землею, є поведінка. маятника Фуко. Так називається масивна куля, підвішена на досить довгій нитці і здійснює малі коливання біля положення рівноваги. Якби система, пов'язана із Землею, була інерційною, площина хитань маятника Фуко залишалася б незмінною щодо Землі. Насправді площина хитання маятника внаслідок обертання Землі повертається, і проекція траєкторії маятника на поверхню Землі має вигляд розетки (рис. 1).

Мал. 2

1. Література
2. Відкрита фізика 2.5 (http://college.ru/physics/) Фізика: Механіка. 10 кл.: Навч. дляфізики/М.М. Балашов, А.І. Гомонова, А.Б. Долицький та ін; За ред. Г.Я. М'якішева. - М.: Дрофа, 2002. - 496 с.