Koji se referentni sustav naziva inercijalna fizika. Inercijalni referentni sustavi

Prvi Newtonov zakon postulira prisutnost takvog fenomena kao što je inercija tijela. Stoga je također poznat kao zakon inercije. Inercija - ovo je pojava da tijelo zadržava svoju brzinu gibanja (i po veličini i po smjeru) kada na tijelo ne djeluju nikakve sile. Za promjenu brzine gibanja potrebno je na tijelo djelovati određenom silom. Naravno, rezultat djelovanja sila jednake veličine na različita tijela bit će različit. Stoga se kaže da tijela imaju inerciju. Tromost je svojstvo tijela da se odupiru promjenama u trenutnom stanju. Količina inercije karakterizirana je tjelesnom težinom.

Inercijalni referentni okvir

Prvi Newtonov zakon kaže (koji se može eksperimentalno potvrditi s različitim stupnjevima točnosti) da inercijski sustavi stvarno postoje. Ovaj zakon mehanike stavlja inercijalne referentne sustave u poseban, privilegiran položaj.

Referentni okviri u kojima je zadovoljen prvi Newtonov zakon nazivaju se inercijski.

Inercijski sustavi odbrojavanje- to su sustavi u odnosu na koje materijalna točka, u nedostatku vanjskih utjecaja na nju ili njihove međusobne kompenzacije, miruje ili se giba jednoliko i pravocrtno.

Postoji beskonačan broj inercijskih sustava. Referentni sustav povezan s vlakom koji se kreće stalnom brzinom duž ravnog dijela pruge također je inercijski sustav (približno), poput sustava povezanog sa Zemljom. Svi inercijski referentni sustavi tvore klasu sustava koji se međusobno gibaju jednoliko i pravocrtno. Akceleracije svakog tijela u različitim inercijskim sustavima su iste.

Kako instalirati što ovaj sustav je referentna točka inercijalna? To se može učiniti samo iskustvom. Promatranja pokazuju da se, s vrlo visokim stupnjem točnosti, heliocentrični sustav može smatrati inercijskim referentnim sustavom, u kojem je ishodište koordinata povezano sa Suncem, a osi su usmjerene na određene "fiksne" zvijezde. Referentni sustavi čvrsto povezani sa Zemljinom površinom, strogo govoreći, nisu inercijalni, jer se Zemlja kreće po orbiti oko Sunca i istovremeno rotira oko svoje osi. Međutim, kada se opisuju kretanja koja nemaju globalnu (tj. svjetsku) ljestvicu, referentni sustavi povezani sa Zemljom mogu se smatrati inercijalnim s dovoljnom točnošću.

Inercijalni su i referentni sustavi koji se gibaju jednoliko i pravocrtno u odnosu na neki inercijalni referentni sustav.

Galileo je utvrdio da se nikakvim mehaničkim eksperimentima koji se provode unutar inercijalnog referentnog sustava ne može utvrditi da li taj sustav miruje ili se giba jednoliko i pravocrtno. Ova se tvrdnja naziva Galilejevim principom relativnosti ili mehaničkim principom relativnosti.

Ovo je načelo kasnije razvio A. Einstein i jedan je od postulata posebne teorije relativnosti. Inercijalni referentni okviri igraju izuzetno važnu ulogu u fizici, budući da, prema Einsteinovom principu relativnosti, matematički izraz bilo kojeg zakona fizike ima isti oblik u svakom inercijalnom referentnom okviru. U nastavku ćemo koristiti samo inercijalne sustave (ne spominjući to svaki put).

Referentni okviri u kojima nije zadovoljen prvi Newtonov zakon nazivaju se neinercijalnim.

Takvi sustavi uključuju bilo koji referentni sustav koji se ubrzano kreće u odnosu na inercijalni referentni sustav.

U Newtonovoj mehanici, zakoni međudjelovanja tijela formulirani su za klasu inercijalnih referentnih sustava.

Primjer mehaničkog eksperimenta u kojem se očituje neinercijalnost sustava povezanog sa Zemljom je ponašanje Foucaultovog njihala. Ovo je naziv za masivnu kuglu obješenu na prilično dugačku nit koja izvodi male oscilacije oko ravnotežnog položaja. Kad bi sustav povezan sa Zemljom bio inercijalan, ravnina njihanja Foucaultovog njihala ostala bi nepromijenjena u odnosu na Zemlju. Naime, ravnina ljuljanja njihala rotira zbog rotacije Zemlje, a projekcija putanje njihala na Zemljinu površinu ima oblik rozete (slika 1).

O tome da tijelo teži održavanju ne bilo kakvog, već pravocrtnog kretanja, dokazuje, primjerice, sljedeće iskustvo (sl. 2). Lopta koja se kreće pravocrtno duž ravne vodoravne površine, sudarajući se s preprekom zakrivljenog oblika, prisiljena je kretati se u luku pod utjecajem te prepreke. Međutim, kada lopta dođe do ruba prepreke, prestaje se kretati krivuljasto i ponovno se kreće pravocrtno. Rezimirajući rezultate gore navedenih (i sličnih) opažanja, možemo zaključiti da ako na određeno tijelo ne djeluju druga tijela ili se njihova djelovanja međusobno kompenziraju, to tijelo miruje ili brzina njegovog gibanja ostaje nepromijenjena relativna na referentni okvir, čvrsto povezan s površinom Zemlje.

Pitanje #6:

Predstavljamo vam video lekciju posvećenu temi "Inercijalni referentni sustavi. Prvi Newtonov zakon", koji je uključen u školski predmet fizike u 9. razredu. Na početku sata nastavnik će vas podsjetiti na važnost odabranog referentnog okvira. Zatim će govoriti o ispravnosti i značajkama odabranog referentnog sustava, te objasniti pojam "tromost".

U prethodnoj lekciji govorili smo o važnosti odabira referentnog okvira. Podsjetimo, putanja, prijeđena udaljenost i brzina ovisit će o tome kako izaberemo CO. Postoji niz drugih značajki povezanih s izborom referentnog sustava i o njima ćemo govoriti.

Riža. 1. Ovisnost putanje padajućeg tereta o izboru referentnog sustava

U sedmom ste razredu učili pojmove "inercija" i "inercija".

Inercija - Ovo fenomen, u kojem tijelo nastoji održati svoje prvobitno stanje. Ako se tijelo kretalo, onda bi trebalo težiti održavanju brzine tog kretanja. A ako je mirovao, nastojat će održati stanje mirovanja.

Inercija - Ovo imovine tijela održavaju stanje gibanja. Svojstvo inercije karakterizira takva količina kao što je masa. Težina – mjera tromosti tijela. Što je tijelo teže, to ga je teže pomaknuti ili, obrnuto, zaustaviti.

Imajte na umu da su ovi koncepti izravno povezani s konceptom " inercijski referentni okvir"(ISO), o čemu će biti riječi u nastavku.

Promotrimo gibanje tijela (ili stanje mirovanja) u slučaju kada na tijelo ne djeluju druga tijela. Zaključak o tome kako će se tijelo ponašati u odsutnosti djelovanja drugih tijela prvi je predložio Rene Descartes (slika 2), a nastavio se u eksperimentima Galileja (slika 3).

Riža. 2. Rene Descartes

Riža. 3. Galileo Galilei

Ako se tijelo giba, a druga tijela ne djeluju na njega, tada će se gibanje održati, ostat će pravocrtno i jednoliko. Ako druga tijela ne djeluju na tijelo, a tijelo miruje, tada će se stanje mirovanja održati. No poznato je da je stanje mirovanja povezano s referentnim sustavom: u jednom referentnom sustavu tijelo miruje, au drugom se kreće prilično uspješno i ubrzano. Rezultati pokusa i razmišljanja dovode do zaključka da se neće u svim referentnim sustavima tijelo gibati pravocrtno i jednoliko ili mirovati ako na njega ne djeluju druga tijela.

Slijedom toga, za rješavanje glavnog problema mehanike važno je odabrati sustav izvještavanja u kojem je još uvijek zadovoljen zakon tromosti, u kojem je jasan razlog koji je uzrokovao promjenu gibanja tijela. Ako se tijelo giba pravocrtno i jednoliko bez djelovanja drugih tijela, takav će referentni okvir za nas biti poželjniji, a nazvat ćemo ga inercijski referentni sustav(ISO).

Aristotelov pogled na uzrok gibanja

Inercijalni referentni okvir je prikladan model opisati gibanje tijela i razloge koji uzrokuju to gibanje. Ovaj se koncept prvi put pojavio zahvaljujući Isaacu Newtonu (slika 5).

Riža. 5. Isaac Newton (1643.-1727.)

Stari Grci su potpuno drugačije zamišljali kretanje. Upoznat ćemo se s aristotelovskim stajalištem o gibanju (sl. 6).

Riža. 6. Aristotel

Prema Aristotelu, postoji samo jedan inercijalni referentni okvir - referentni okvir povezan sa Zemljom. Svi ostali referentni sustavi, prema Aristotelu, su sekundarni. Prema tome, sva se kretanja mogu podijeliti u dvije vrste: 1) prirodna, to jest ona koja priopćava Zemlja; 2) prisilni, odnosno svi ostali.

Najjednostavniji primjer prirodnog gibanja je slobodan pad tijela na Zemlju, budući da Zemlja u tom slučaju tijelu daje brzinu.

Pogledajmo primjer prisilnog kretanja. Ovo je situacija kada konj vuče kola. Dok konj djeluje silom, kola se kreću (slika 7). Čim je konj stao, stala su i kola. Nema snage - nema brzine. Prema Aristotelu, sila je ta koja objašnjava prisutnost brzine u tijelu.

Riža. 7. Prisilno kretanje

Do sada, neki obični ljudi smatraju Aristotelovo gledište pravednim. Na primjer, pukovnik Friedrich Kraus von Zillergut iz “Pustolovina dobrog vojnika Švejka tijekom svjetskog rata” pokušao je ilustrirati načelo “Nema snage - nema brzine”: “Kad je nestalo benzina”, rekao je pukovnik, “ auto je bio prisiljen stati. Vidio sam ovo jučer. I nakon toga još pričaju o inerciji gospodo. Ne miče se, stoji tu, ne miče se. Nema benzina! Nije li smiješno?"

Kao iu modernom show businessu, gdje ima obožavatelja, uvijek će biti i kritičara. Aristotel je također imao svoje kritičare. Predložili su mu da napravi sljedeći eksperiment: pusti tijelo i ono će pasti točno ispod mjesta gdje smo ga pustili. Navedimo primjer kritike Aristotelove teorije, sličan primjerima njegovih suvremenika. Zamislite da avion koji leti baca bombu (slika 8). Hoće li bomba pasti točno ispod mjesta gdje smo je pustili?

Riža. 8. Ilustracija za primjer

Naravno da ne. Ali ovo je prirodno kretanje - kretanje koje je priopćila Zemlja. Što onda tjera ovu bombu naprijed? Aristotel je ovako odgovorio: činjenica je da prirodno kretanje koje daje Zemlja pada ravno prema dolje. Ali kada se kreće u zraku, bomba je odnesena svojom turbulencijom, a čini se da te turbulencije guraju bombu naprijed.

Što se događa ako se ukloni zrak i stvori vakuum? Uostalom, ako nema zraka, onda bi, prema Aristotelu, bomba trebala pasti točno ispod mjesta gdje je bačena. Aristotel je tvrdio da ako nema zraka, onda je takva situacija moguća, ali zapravo u prirodi nema praznine, nema vakuuma. A ako nema vakuuma, nema problema.

I tek je Galileo Galilei formulirao princip inercije u obliku na koji smo navikli. Razlog promjene brzine je djelovanje drugih tijela na tijelo. Ako druga tijela ne djeluju na tijelo ili se to djelovanje kompenzira, tada se brzina tijela neće promijeniti.

U vezi s inercijskim referentnim okvirom mogu se iznijeti sljedeći argumenti. Zamislimo situaciju kada se automobil kreće, zatim vozač ugasi motor, a zatim se automobil kreće po inerciji (slika 9). Ali ovo je netočna izjava iz jednostavnog razloga što će se automobil s vremenom zaustaviti kao rezultat trenja. Dakle, u ovom slučaju neće biti ravnomjernog gibanja - nedostaje jedan od uvjeta.

Riža. 9. Brzina automobila se mijenja uslijed trenja

Razmotrimo još jedan slučaj: sa stalna brzina Kreće veliki, veliki traktor, dok ispred vuče veliki teret s kašikom. Takvo kretanje možemo smatrati pravocrtnim i jednolikim, jer se u tom slučaju sve sile koje djeluju na tijelo kompenziraju i međusobno uravnotežuju (slika 10). To znači da se referentni okvir povezan s ovim tijelom može smatrati inercijskim.

Riža. 10. Traktor se kreće ravnomjerno i pravocrtno. Djelovanje svih tijela je kompenzirano

Može postojati mnogo inercijalnih referentnih sustava. U stvarnosti, takav referentni sustav još uvijek je idealiziran, jer nakon detaljnijeg ispitivanja takvih referentnih sustava u punom smislu nema. ISO je vrsta idealizacije koja vam omogućuje učinkovitu simulaciju stvarnih fizičkih procesa.

Za inercijalne referentne sustave vrijedi Galileova formula za zbrajanje brzina. Također napominjemo da se svi referentni sustavi o kojima smo prije govorili mogu smatrati inercijalnima do neke aproksimacije.

Zakon posvećen ISO-u prvi je formulirao Isaac Newton. Newtonova zasluga leži u tome što je prvi znanstveno pokazao da se brzina tijela u gibanju ne mijenja trenutno, već kao rezultat nekog djelovanja tijekom vremena. Ta je činjenica bila temelj za stvaranje zakona koji nazivamo prvim Newtonovim zakonom.

Newtonov prvi zakon : postoje takvi referentni sustavi u kojima se tijelo giba pravocrtno i jednoliko ili miruje ako na tijelo ne djeluju sile ili su sve sile koje djeluju na tijelo kompenzirane. Takvi referentni sustavi nazivaju se inercijski.

Na drugi način, ponekad kažu ovo: inercijalni referentni okvir je sustav u kojem su zadovoljeni Newtonovi zakoni.

Zašto je Zemlja neinercijalni CO? Foucaultovo njihalo

U velike količine problema, potrebno je razmatrati gibanje tijela u odnosu na Zemlju, dok Zemlju smatramo inercijskim referentnim okvirom. Ispostavilo se da ova izjava nije uvijek točna. Ako uzmemo u obzir kretanje Zemlje u odnosu na njezinu os ili u odnosu na zvijezde, tada se to kretanje događa s određenim ubrzanjem. CO, koji se giba s određenim ubrzanjem, ne može se smatrati inercijskim u punom smislu.

Zemlja se okreće oko svoje osi, što znači da sve točke koje leže na njezinoj površini neprestano mijenjaju smjer svoje brzine. Brzina - vektorska količina. Ako se njegov smjer promijeni, tada se pojavljuje neko ubrzanje. Stoga Zemlja ne može biti ispravan ISO. Ako izračunamo ovo ubrzanje za točke koje se nalaze na ekvatoru (točke koje imaju maksimalno ubrzanje u odnosu na točke bliže polovima), tada će njegova vrijednost biti . Indeks pokazuje da je ubrzanje centripetalno. U usporedbi s ubrzanjem gravitacije, ubrzanje se može zanemariti i Zemlja se može smatrati inercijskim referentnim okvirom.

Međutim, tijekom dugotrajnih promatranja ne smije se zaboraviti na rotaciju Zemlje. To je uvjerljivo pokazao francuski znanstvenik Jean Bernard Leon Foucault (Sl. 11).

Riža. 11. Jean Bernard Leon Foucault (1819.-1868.)

Foucaultovo njihalo(Sl. 12) - to je masivan uteg obješen o vrlo dugačku nit.

Riža. 12. Model Foucaultovog njihala

Ako se Foucaultovo njihalo izvede iz ravnoteže, ono će opisati sljedeću putanju koja nije ravna linija (slika 13). Pomak njihala uzrokovan je rotacijom Zemlje.

Riža. 13. Oscilacije Foucaultovog njihala. Pogled odozgo.

Rotacija Zemlje uzrokovana je nizom drugih Zanimljivosti. Na primjer, u rijekama sjeverna hemisfera, u pravilu je desna obala strmija, a lijeva ravnija. U rijekama Južna polutka- obrnuto. Sve je to upravo zbog rotacije Zemlje i rezultirajuće Coriolisove sile.

O pitanju formulacije prvog Newtonovog zakona

Newtonov prvi zakon: ako na neko tijelo ne djeluju tijela ili je njihovo djelovanje međusobno uravnoteženo (kompenzirano), tada će to tijelo mirovati ili se gibati jednoliko i pravocrtno.

Razmotrimo situaciju koja će nam ukazati da ovu formulaciju prvog Newtonovog zakona treba ispraviti. Zamislite vlak sa zastrtim prozorima. U takvom vlaku putnik gledajući predmete izvana ne može utvrditi kreće li se vlak ili ne. Razmotrimo dva referentna sustava: FR povezan s putnikom Volodjom i FR povezan s promatračem na platformi Katya. Vlak počinje ubrzavati, njegova brzina se povećava. Što će biti s jabukom koja je na stolu? Inercijom će se kotrljati u suprotnu stranu. Za Katju će biti očito da se jabuka kreće po inerciji, ali za Volodju će to biti neshvatljivo. Ne vidi da je vlak krenuo, a odjednom se prema njemu počne kotrljati jabuka koja leži na stolu. Kako to može biti? Uostalom, prema prvom Newtonovom zakonu, jabuka mora mirovati. Stoga je potrebno unaprijediti definiciju prvog Newtonovog zakona.

Riža. 14. Primjer ilustracije

Točna formulacija prvog Newtonovog zakona zvuči ovako: postoje referentni sustavi u kojima se tijelo giba pravocrtno i jednoliko ili miruje ako na tijelo ne djeluju sile ili su sve sile koje djeluju na tijelo kompenzirane.

Volodja je u neinercijalnom referentnom okviru, a Katja u inercijalnom.

Većina sustava, stvarnih referentnih sustava, su neinercijalni. Razmotrimo jednostavan primjer: dok sjedite u vlaku, stavite neko tijelo (na primjer, jabuku) na stol. Kad vlak krene, uočit ćemo sljedeću zanimljivu sliku: jabuka će se kretati, kotrljati u smjeru suprotnom od kretanja vlaka (slika 15). U tom slučaju nećemo moći odrediti koja tijela djeluju i tjeraju jabuku da se kreće. U tom slučaju se kaže da je sustav neinercijalan. Ali možete izaći iz ove situacije ulaskom sila inercije.

Riža. 15. Primjer neinercijalnog FR

Drugi primjer: kada se tijelo kreće zakrivljenom cestom (slika 16), javlja se sila koja uzrokuje odstupanje tijela od ravnog smjera kretanja. U ovom slučaju također moramo uzeti u obzir neinercijalni referentni okvir, no, kao i u prethodnom slučaju, iz situacije možemo izaći i uvođenjem tzv. sile inercije.

Riža. 16. Sile tromosti pri kretanju po zaobljenoj putanji

Zaključak

Postoji beskonačan broj referentnih sustava, ali većina njih su oni koje ne možemo smatrati inercijalnim referentnim sustavima. Inercijalni referentni okvir je idealizirani model. Usput, s takvim referentnim sustavom možemo prihvatiti referentni sustav povezan sa Zemljom ili nekim udaljenim objektima (na primjer, sa zvijezdama).

Bibliografija

1. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizika: Udžbenik za 9. razred Srednja škola. - M.: Prosvjeta.
2. Peryshkin A.V., Gutnik E.M. Fizika. 9. razred: udžbenik za općeobraz. ustanove / A. V. Peryshkin, E. M. Gutnik. - 14. izd., stereotip. - M.: Bustard, 2009. - 300.
3. Sokolovich Yu.A., Bogdanova G.S. Fizika: priručnik s primjerima rješavanja problema. - 2. izdanje, revizija. - X.: Vesta: Izdavačka kuća Ranok, 2005. - 464 str.

1. Internet portal “physics.ru” ()
2. Internet portal “ens.tpu.ru” ()
3. Internet portal “prosto-o-slognom.ru” ()

Domaća zadaća

1. Formulirajte definicije inercijalnih i neinercijalnih referentnih sustava. Navedite primjere takvih sustava.
2. Navedite prvi Newtonov zakon.
3. U ISO tijelo miruje. Odredite kolika je vrijednost njegove brzine u ISO-u, koja se brzinom kreće u odnosu na prvi referentni okvir v?

Svaki referentni sustav koji se giba translatorno, jednoliko i pravocrtno u odnosu na inercijalni referentni sustav također je inercijalni referentni sustav. Stoga, teoretski, može postojati bilo koji broj inercijalnih referentnih okvira.

U stvarnosti je referentni sustav uvijek povezan s nekim određenim tijelom u odnosu na koje se proučava kretanje različitih objekata. Budući da se sva stvarna tijela gibaju jednom ili onom akceleracijom, bilo koji stvarni referentni sustav može se smatrati inercijskim referentnim sustavom samo uz određeni stupanj aproksimacije. S visokim stupnjem točnosti, heliocentrični sustav povezan sa središtem mase može se smatrati inercijalnim Sunčev sustav i sa sjekirama usmjerenim prema trima udaljenim zvijezdama. Takav inercijalni referentni sustav koristi se uglavnom u problemima nebeske mehanike i astronautike. Za rješavanje većine tehničkih problema, referentni sustav kruto povezan sa Zemljom može se smatrati inercijalnim.

Galilejevo načelo relativnosti

Inercijalni referentni okviri imaju važno svojstvo koje opisuje Galilejevo načelo relativnosti:

• svaka mehanička pojava pod istim početnim uvjetima odvija se na isti način u bilo kojem inercijalnom referentnom okviru.

Jednakost inercijalnih referentnih sustava utvrđena načelom relativnosti izražava se u sljedećem:

1. zakoni mehanike u inercijskim referentnim okvirima su isti. To znači da će jednadžba koja opisuje određeni zakon mehanike, izražena kroz koordinate i vrijeme bilo kojeg drugog inercijalnog referentnog sustava, imati isti oblik;
2. prema rezultatima mehanički pokusi nemoguće je ustanoviti da li određeni referentni okvir miruje ili se giba jednoliko i pravocrtno. Zbog toga se nijedan od njih ne može izdvojiti kao dominantan sustav čijoj brzini kretanja bi se dalo apsolutno značenje. Fizičko značenje ima samo koncept relativne brzine kretanja sustava, tako da se svaki sustav može smatrati uvjetno nepomičnim, a drugi - koji se kreće u odnosu na njega određenom brzinom;
3. jednadžbe mehanike su nepromijenjene u odnosu na transformacije koordinata pri prelasku iz jednog inercijalnog referentnog sustava u drugi, tj. isti se fenomen može opisati na dva načina različitim sustavima računajući prema van drugačije, ali fizička priroda pojava ostaje nepromijenjena.

Primjeri rješavanja problema

PRIMJER 1

PRIMJER 2

Drevni filozofi pokušavali su shvatiti bit kretanja, identificirati utjecaj zvijezda i Sunca na čovjeka. Osim toga, ljudi su oduvijek pokušavali identificirati sile koje djeluju na materijalnu točku tijekom njezina kretanja, kao iu trenutku mirovanja.

Aristotel je vjerovao da u nedostatku kretanja na tijelo ne djeluju nikakve sile. Pokušajmo saznati koji se referentni sustavi nazivaju inercijskim i dati primjere za njih.

Stanje mirovanja

U Svakidašnjica teško je identificirati takvo stanje. Gotovo sve vrste mehaničko kretanje pretpostavlja se prisutnost vanjskih sila. Razlog je sila trenja, koja sprječava mnoge predmete da napuste svoj prvobitni položaj i izađu iz stanja mirovanja.

Razmatrajući primjere inercijalnog referentnog sustava, napominjemo da su svi u skladu s 1. Newtonovim zakonom. Tek nakon njegovog otkrića bilo je moguće objasniti stanje mirovanja i naznačiti sile koje u tom stanju djeluju na tijelo.

Izjava 1. Newtonovog zakona

U modernoj interpretaciji objašnjava postojanje koordinatnih sustava, u odnosu na koje se može smatrati odsutnost utjecaja vanjskih sila na materijalnu točku. S Newtonove točke gledišta, referentni sustavi nazivaju se inercijski, koji nam omogućuju da razmotrimo očuvanje brzine tijela tijekom dugog vremena.

Definicije

Koji su referentni sustavi inercijalni? Njihovi primjeri proučavaju se u školskom tečaju fizike. Inercijskim sustavima smatraju se oni referentni sustavi u odnosu na koje se materijalna točka giba konstantnom brzinom. Newton je pojasnio da svako tijelo može biti u sličnom stanju sve dok nema potrebe da se na njega primjenjuju sile koje mogu promijeniti takvo stanje.

U stvarnosti, zakon inercije nije zadovoljen u svim slučajevima. Analizirajući primjere inercijalnih i neinercijalnih referentnih sustava, razmotrite osobu koja se drži za rukohvate u vozilu koje se kreće. Kada automobil naglo koči, osoba se automatski pomiče u odnosu na vozilo, unatoč odsutnosti vanjske sile.

Ispada da svi primjeri inercijalnog referentnog sustava ne odgovaraju formulaciji 1. Newtonovog zakona. Da bi se pojasnio zakon inercije, uvedena je profinjena referenca, u kojoj je on besprijekorno ispunjen.

Vrste referentnih sustava

Koji se referentni sustavi nazivaju inercijskim? To će uskoro postati jasno. "Navedite primjere inercijalnih referentnih sustava u kojima je zadovoljen 1. Newtonov zakon" - sličan zadatak nudi se učenicima koji su odabrali fiziku kao ispit u devetom razredu. Za rješavanje zadatka potrebno je poznavati inercijalne i neinercijalne referentne sustave.

Inercija uključuje održavanje mirovanja ili ravnomjernog pravocrtnog gibanja tijela sve dok je tijelo izolirano. “Izoliranim” se smatraju tijela koja nisu povezana, ne djeluju međusobno i udaljena su jedno od drugog.

Pogledajmo neke primjere inercijalnih referentnih sustava. Ako referentnim okvirom smatramo zvijezdu u Galaksiji, a ne autobus u pokretu, ispunjenje zakona inercije za putnike koji se drže za rukohvate bit će besprijekorno.

Tijekom kočenja ovo vozilo nastavit će jednoliko pravocrtno gibanje sve dok na njega ne djeluju druga tijela.

Koji su neki od primjera inercijalnog referentnog okvira? Ne bi smjeli imati veze s tijelom koje se analizira niti utjecati na njegovu inerciju.

Za takve sustave je zadovoljen 1. Newtonov zakon. U stvaran život teško je razmatrati kretanje tijela u odnosu na inercijalne referentne okvire. Nemoguće je doći do daleke zvijezde kako bi se s nje izvodili zemaljski eksperimenti.

Kao uvjetni sustavi Zemlja je uzeta kao referenca, unatoč činjenici da je povezana s objektima koji se nalaze na njoj.

Ubrzanje u inercijalnom referentnom sustavu može se izračunati ako se Zemljina površina smatra referentnim okvirom. U fizici ne postoji matematički prikaz 1. Newtonovog zakona, ali je temelj za izvođenje mnogih fizikalnih definicija i pojmova.

Primjeri inercijalnih referentnih okvira

Učenicima je ponekad teško razumjeti fizikalne pojave. Učenicima devetih razreda nudi se zadatak sljedećeg sadržaja: „Koji se referentni sustavi nazivaju inercijskim? Navedite primjere takvih sustava." Pretpostavimo da se kolica s loptom u početku kreću po ravnoj površini konstantnom brzinom. Zatim se kreće po pijesku, kao rezultat toga lopta se ubrzano kreće, unatoč činjenici da na nju ne djeluju druge sile (njihov ukupni učinak je nula).

Bit onoga što se događa može se objasniti činjenicom da dok se kreće duž pješčane površine, sustav prestaje biti inercijalan, ima konstantnu brzinu. Primjeri inercijalnih i neinercijalnih referentnih sustava pokazuju da se njihov prijelaz događa u određenom vremenskom razdoblju.

Kad se tijelo ubrzava, njegovo ubrzanje ima pozitivnu vrijednost, a kod kočenja ovaj pokazatelj postaje negativan.

Krivocrtno kretanje

U odnosu na zvijezde i Sunce, kretanje Zemlje odvija se duž zakrivljene putanje, koja ima oblik elipse. Inercijskim ćemo smatrati referentni sustav u kojem je središte usmjereno prema Suncu, a osi usmjerene prema određenim zvijezdama.

Imajte na umu da je svaki referentni sustav koji se giba pravocrtno i jednoliko u odnosu na heliocentrični sustav inercijalan. Krivocrtno kretanje provedeno s određenim ubrzanjem.

S obzirom na to da se Zemlja kreće oko svoje osi, referentni okvir koji je povezan s njezinom površinom, u odnosu na heliocentrični, kreće se s određenim ubrzanjem. U takvoj situaciji možemo zaključiti da se referentni okvir, koji je povezan s površinom Zemlje, giba ubrzano u odnosu na heliocentrični, pa se ne može smatrati inercijskim. Ali vrijednost ubrzanja takvog sustava je toliko mala da u mnogim slučajevima značajno utječe na specifičnosti mehaničkih pojava koje se u vezi s njim razmatraju.

Da bi se riješili praktični problemi tehničke prirode, uobičajeno je referentni okvir koji je kruto povezan s površinom Zemlje smatrati inercijalnim.

Galileijeva relativnost

Svi inercijski referentni sustavi imaju važno svojstvo, koje je opisano principom relativnosti. Njegova bit leži u činjenici da se svaka mehanička pojava pod istim početnim uvjetima odvija na isti način, bez obzira na odabrani referentni sustav.

Jednakost ISO-a prema načelu relativnosti izražena je u sljedećim odredbama:

• U takvim sustavima oni su isti, stoga svaka jednadžba koja je njima opisana, izražena koordinatama i vremenom, ostaje nepromijenjena.
• Rezultati provedenih mehaničkih eksperimenata omogućuju da se utvrdi hoće li referentni sustav mirovati ili će izvoditi pravocrtni jednoliko kretanje. Bilo koji sustav može se uvjetno prepoznati kao stacionarni ako se neki drugi sustav kreće u odnosu na njega određenom brzinom.
• Jednadžbe mehanike ostaju nepromijenjene s obzirom na koordinatne transformacije u slučaju prijelaza iz jednog sustava u drugi. Moguće je opisati isti fenomen u različitim sustavima, ali se njihova fizička priroda neće promijeniti.

Rješavanje problema

Prvi primjer.

Odredite je li inercijalni referentni okvir: a) umjetni satelit Zemlja; b) dječja privlačnost.

Odgovor. U prvom slučaju ne govori se o inercijalnom referentnom okviru, budući da se satelit kreće u orbiti pod utjecajem sile gravitacije, dakle, kretanje se događa s određenim ubrzanjem.

Drugi primjer.

Sustav javljanja je čvrsto povezan s dizalom. U kojim se situacijama može nazvati inercijskim? Ako dizalo: a) padne; b) giba se jednoliko prema gore; c) brzo raste; d) ravnomjerno usmjeren prema dolje.

Odgovor. a) Kada slobodan pad pojavljuje se ubrzanje, tako da referentni sustav povezan s dizalom neće biti inercijalan.

b) Kada se dizalo giba jednoliko, sustav je inercijalan.

c) Kada se giba s nekim ubrzanjem, referentni sustav se smatra inercijskim.

d) Dizalo se giba sporo i ima negativnu akceleraciju, pa se referentni sustav ne može nazvati inercijskim.

Zaključak

Tijekom svog postojanja čovječanstvo je pokušavalo razumjeti fenomene koji se događaju u prirodi. Pokušaje objasniti relativnost gibanja učinio je Galileo Galilei. Isaac Newton uspio je izvesti zakon inercije, koji se počeo koristiti kao glavni postulat pri izvođenju proračuna u mehanici.

Trenutno sustav za određivanje položaja tijela uključuje tijelo, uređaj za određivanje vremena i koordinatni sustav. Ovisno o tome kreće li se tijelo ili miruje, moguće je karakterizirati položaj određenog objekta u željenom vremenskom razdoblju.

Tečaj opće fizike

Uvod.

Fizika (grč. od physis - priroda), znanost o prirodi, koja proučava najjednostavnije, a ujedno i naj opća svojstva materijalni svijet (obrasci prirodnih pojava, svojstva i građa materije i zakonitosti njezina gibanja). Koncepti fizike i njezini zakoni temelj su svih prirodnih znanosti. Fizika spada u egzaktne znanosti i proučava kvantitativne zakonitosti pojava. Stoga je, prirodno, jezik fizike matematika.

Materija može postojati u dva glavna oblika: supstancija i polje. One su međusobno povezane.

Primjeri: B više – čvrste tvari, tekućine, plazma, molekule, atomi, elementarne čestice itd.

Polje– elektromagnetsko polje (kvanti (dijelovi) polja – fotoni);

gravitacijsko polje (kvanti polja – gravitoni).

Odnos materije i polja– anihilacija para elektron-pozitron.

Fizika je svakako svjetonazorska znanost, a poznavanje njezinih osnova to jest neophodan element bilo obrazovanje, kultura modernog čovjeka.

Istovremeno, fizika ima ogroman primijenjeni značaj. Njoj duguje apsolutnu većinu tehničkih, informacijskih i komunikacijskih dostignuća čovječanstva.

Štoviše, posljednjih desetljeća fizikalne metode istraživanje se sve više koristi u znanostima koje se čine daleko od fizike, poput sociologije i ekonomije.

Klasična mehanika.

Mehanika je grana fizike koja proučava najjednostavniji oblik gibanje materije – kretanje tijela u prostoru i vremenu.

U početku je osnovne principe (zakone) mehanike kao znanosti formulirao I. Newton u obliku triju zakona, koji su dobili njegovo ime.

Koristeći vektorsku metodu opisa, brzina se može definirati kao derivacija radijus vektora točke ili tijela , a masa ovdje djeluje kao koeficijent proporcionalnosti.

1. Kada dva tijela međusobno djeluju, svako od njih djeluje na drugo tijelo silom jednake vrijednosti, ali suprotnog smjera.

Ovi zakoni dolaze iz iskustva. Na njima je izgrađena sva klasična mehanika. Dugo vremena vjerovalo se da se sve vidljive pojave mogu opisati ovim zakonima. Međutim, s vremenom su se granice ljudskih mogućnosti proširile, a iskustvo je pokazalo da Newtonovi zakoni nisu uvijek valjani, pa klasična mehanika, posljedično, ima određene granice primjenjivosti.

Osim toga, nešto kasnije ćemo se okrenuti klasičnoj mehanici iz nešto drugačijeg kuta - temeljenog na zakonima očuvanja, koji su u neku ruku općenitiji zakoni fizike od Newtonovih zakona.

1.2. Granice primjenjivosti klasične mehanike.

Prvo ograničenje odnosi se na brzine dotičnih objekata. Iskustvo je pokazalo da Newtonovi zakoni ostaju valjani samo ako , gdje je brzina svjetlosti u vakuumu ( ). Pri tim brzinama, linearna mjerila i vremenski intervali ne mijenjaju se pri prelasku iz jednog referentnog sustava u drugi. Zato prostor i vrijeme su apsolutni u klasičnoj mehanici.

Dakle, klasična mehanika opisuje gibanje malim relativnim brzinama, tj. Ovo je nerelativistička fizika. Ograničenje velikih brzina je prvo ograničenje primjene klasične Newtonove mehanike.

Osim toga, iskustvo pokazuje da je primjena zakona Newtonove mehanike neprikladna za opis mikroobjekata: molekula, atoma, jezgri, elementarne čestice itd. Počevši od veličina

(), adekvatan opis promatranih pojava daju drugi

zakoni - kvantni. One su te koje treba koristiti kada se karakteristična veličina koja opisuje sustav i ima dimenziju , usporediv je s Planckovom konstantom, recimo, za elektron smješten u atomu imamo . Tada je veličina koja ima dimenziju kutne količine gibanja jednaka: .

Svaki fizički fenomen je slijed događaja. Događaj naziva se ono što se događa u određenoj točki prostora u određenom trenutku vremena.

Za opis događaja, unesite prostor i vrijeme– kategorije koje označavaju glavne oblike postojanja materije. Prostor izražava red postojanja pojedinih predmeta, a vrijeme red promjene pojava. Prostor i vrijeme moraju biti označeni. Označavanje se provodi uvođenjem referentnih tijela i referentnih (mjernih) tijela.

Referentni okviri. Inercijalni referentni sustavi.

Za opisivanje gibanja tijela ili korištenog modela može se koristiti materijalna točka vektorska metoda opisi kada se položaj objekta koji nas zanima zadaje pomoću radijus vektora segment usmjeren od referentnog tijela do točke koja nas zanima, čiji se položaj u prostoru može mijenjati tijekom vremena. Geometrijsko mjesto krajeva radijus vektora naziva se putanja pokretna točka.

2.1. Koordinatni sustavi.

Drugi način da se opiše kretanje tijela je Koordinirati, u kojem je određeni koordinatni sustav kruto povezan s referentnim tijelom.

U mehanici, i općenito u fizici, pogodan je za korištenje u raznim zadacima raznih sustava koordinate Najčešće se koriste tzv Kartezijanski, cilindrični i sferni koordinatni sustavi.

1) Kartezijev koordinatni sustav: upisuju se tri međusobno okomite osi s navedenim mjerilima duž sve tri osi (ravnala). Referentna točka za sve osi uzima se iz referentnog tijela. Granice promjene za svaku od koordinata od do .

Radijus vektor koji definira položaj točke određen je preko njenih koordinata kao

. (2.1)

Mali volumen u Kartezijanski sustav:

,

ili u infinitezimalnim koracima:

(2.2)

2) Cilindrični koordinatni sustav: odabrane varijable su udaljenost od osi, kut rotacije od x-osi i visina duž osi od referentnog tijela.

3) Sferni koordinatni sustav: unesite udaljenost od referentnog tijela do točke interesa i kutove

rotacija i , mjereno od osi i , redom.

Radijus vektor – funkcija varijabli

,

granice promjena koordinata:

Kartezijeve koordinate povezane su sa sfernim koordinatama sljedećim relacijama

(2.6)

Element volumena u sfernim koordinatama:

(2.7)

2.2. Referentni sustav.

Da bi se konstruirao referentni sustav, koordinatni sustav kruto povezan s referentnim tijelom mora biti dopunjen satom. Satovi se mogu nalaziti na različitim točkama u prostoru pa ih je potrebno sinkronizirati. Sinkronizacija sata se vrši pomoću signala. Neka je vrijeme propagacije signala od točke gdje se događaj dogodio do točke promatranja jednako . Tada bi naš sat trebao pokazivati ​​vrijeme u trenutku kada se signal pojavi , ako sat na točki događaja u trenutku njegovog događanja pokazuje vrijeme. Takve satove ćemo smatrati sinkroniziranim.

Ako je udaljenost od točke u prostoru gdje se događaj dogodio do točke promatranja , a brzina prijenosa signala , tada . U klasičnoj mehanici prihvaćeno je da brzina širenja signala . Stoga je u cijelom prostoru uveden jedan sat.

Totalitet referentna tijela, koordinatni sustavi i satovi oblik Referentni okvir(TAKO).

Postoji beskonačan broj referentnih sustava. Iskustvo pokazuje da su brzine ipak male u usporedbi s brzinom svjetlosti , linearna mjerila i vremenski intervali se ne mijenjaju pri prelasku iz jednog referentnog sustava u drugi.

Drugim riječima, u klasičnoj mehanici prostor i vrijeme su apsolutni.

Ako , tada mjerila i vremenski intervali ovise o izboru referentnih podataka, tj. prostor i vrijeme postaju relativni pojmovi. Ovo je već područje relativistička mehanika.

2.3.Inercijalni referentni sustavi(ISO).

Dakle, nalazimo se pred izborom referentnog sustava u kojem bismo mogli rješavati probleme mehanike (opisati gibanje tijela i utvrditi razloge koji ga uzrokuju). Ispostavilo se da nisu svi referentni sustavi jednaki, ne samo u formalnom opisu problema, već, što je mnogo važnije, različito predstavljaju razloge koji uzrokuju promjenu stanja tijela.

Referentni okvir u kojem su zakoni mehanike formulirani najjednostavnije nam omogućuje da uspostavimo prvi Newtonov zakon, koji postulira postojanje inercijski referentni sustavi– ISO.

Prvi zakon klasične mehanike – Galileo-Newtonov zakon tromosti.

Postoji referentni sustav u kojem će se materijalna točka, ako isključimo njezino međudjelovanje sa svim drugim tijelima, gibati po inerciji, tj. održavati stanje mirovanja ili jednolikog pravocrtnog gibanja.

Ovo je inercijalni referentni sustav (IRS).

U ISO je promjena gibanja materijalne točke (ubrzanje) uzrokovana samo njezinim međudjelovanjem s drugim tijelima, ali ne ovisi o svojstvima samog referentnog sustava.