Qual sistema de referência é chamado de física inercial. Sistemas de referência inerciais

A primeira lei de Newton postula a presença de um fenômeno como a inércia dos corpos. Por isso também é conhecida como Lei da Inércia. Inércia - este é o fenômeno de um corpo manter sua velocidade de movimento (tanto em magnitude quanto em direção) quando nenhuma força atua sobre o corpo. Para alterar a velocidade do movimento, uma certa força deve ser aplicada ao corpo. Naturalmente, o resultado da ação de forças de igual magnitude em corpos diferentes será diferente. Assim, diz-se que os corpos têm inércia. A inércia é propriedade dos corpos de resistir às mudanças em seu estado atual. A quantidade de inércia é caracterizada pelo peso corporal.

Quadro de referência inercial

A primeira lei de Newton afirma (que pode ser verificada experimentalmente com vários graus de precisão) que os sistemas inerciais realmente existem. Esta lei da mecânica coloca os sistemas de referência inerciais numa posição especial e privilegiada.

Os referenciais nos quais a primeira lei de Newton é satisfeita são chamados de inerciais.

Sistemas inerciais contagem regressiva- são sistemas em relação aos quais um ponto material, na ausência de influências externas sobre ele ou de sua compensação mútua, está em repouso ou se move de maneira uniforme e retilínea.

Existe um número infinito de sistemas inerciais. O sistema de referência associado a um trem movendo-se a uma velocidade constante ao longo de uma seção reta da via também é um sistema inercial (aproximadamente), como o sistema associado à Terra. Todos os referenciais inerciais formam uma classe de sistemas que se movem uns em relação aos outros de maneira uniforme e retilínea. As acelerações de qualquer corpo em diferentes sistemas inerciais são as mesmas.

Como instalar o que este sistema ponto de referência é inercial? Isso só pode ser feito através da experiência. As observações mostram que, com um grau de precisão muito elevado, um sistema heliocêntrico pode ser considerado um sistema de referência inercial, em que a origem das coordenadas está associada ao Sol, e os eixos são direcionados para determinadas estrelas “fixas”. Os sistemas de referência rigidamente conectados à superfície da Terra, a rigor, não são inerciais, uma vez que a Terra se move em órbita ao redor do Sol e ao mesmo tempo gira em torno de seu eixo. No entanto, ao descrever movimentos que não possuem escala global (ou seja, mundial), os sistemas de referência associados à Terra podem ser considerados inerciais com precisão suficiente.

Os sistemas de referência que se movem de maneira uniforme e retilínea em relação a algum sistema de referência inercial também são inerciais.

Galileu estabeleceu que nenhum experimento mecânico realizado dentro de um sistema de referência inercial pode estabelecer se este sistema está em repouso ou se move de maneira uniforme e retilínea. Esta afirmação é chamada de princípio da relatividade de Galileu ou princípio mecânico da relatividade.

Este princípio foi posteriormente desenvolvido por A. Einstein e é um dos postulados da teoria da relatividade especial. Os referenciais inerciais desempenham um papel extremamente importante na física, uma vez que, de acordo com o princípio da relatividade de Einstein, a expressão matemática de qualquer lei da física tem a mesma forma em cada referencial inercial. A seguir usaremos apenas sistemas inerciais (sem mencionar isso todas as vezes).

Os referenciais nos quais a primeira lei de Newton não é satisfeita são chamados de não inerciais.

Tais sistemas incluem qualquer sistema de referência que se mova com aceleração relativa a um sistema de referência inercial.

Na mecânica newtoniana, as leis de interação dos corpos são formuladas para uma classe de sistemas de referência inerciais.

Um exemplo de experimento mecânico em que se manifesta a não inercialidade de um sistema associado à Terra é o comportamento do pêndulo de Foucault. Este é o nome de uma bola enorme suspensa por um fio bastante longo e realizando pequenas oscilações em torno da posição de equilíbrio. Se o sistema associado à Terra fosse inercial, o plano de oscilação do pêndulo de Foucault permaneceria inalterado em relação à Terra. Na verdade, o plano de oscilação do pêndulo gira devido à rotação da Terra, e a projeção da trajetória do pêndulo na superfície da Terra tem a forma de uma roseta (Fig. 1).

O fato de o corpo tender a manter não um movimento qualquer, mas um movimento retilíneo, é evidenciado, por exemplo, pela seguinte experiência (Fig. 2). Uma bola movendo-se retilíneamente ao longo de uma superfície plana horizontal, colidindo com um obstáculo de forma curva, é forçada a se mover em arco sob a influência desse obstáculo. Porém, quando a bola atinge a borda do obstáculo, ela para de se mover curvilínea e volta a se mover em linha reta. Resumindo os resultados das observações acima (e semelhantes), podemos concluir que se um determinado corpo não sofre a ação de outros corpos ou suas ações são mutuamente compensadas, este corpo está em repouso ou a velocidade de seu movimento permanece inalterada em relação ao referencial, firmemente conectado à superfície da Terra.

Pergunta nº 6:

Apresentamos a sua atenção uma videoaula dedicada ao tema “Sistemas de referência inerciais. Primeira lei de Newton", que está incluída no curso de física do 9º ano. No início da aula, o professor irá lembrá-lo da importância do referencial escolhido. E a seguir falará sobre a correção e as características do sistema de referência escolhido, e também explicará o termo “inércia”.

Na lição anterior falamos sobre a importância de escolher um referencial. Lembramos que a trajetória, a distância percorrida e a velocidade dependerão de como escolhermos o CO. Existem vários outros recursos associados à escolha do sistema de referência e falaremos sobre eles.

Arroz. 1. Dependência da trajetória de queda de carga na escolha do sistema de referência

Na sétima série, você estudou os conceitos de “inércia” e “inércia”.

Inércia - Esse fenômeno, em que o corpo tende a manter seu estado original. Se o corpo estivesse em movimento, ele deveria se esforçar para manter a velocidade desse movimento. E se estava em repouso, esforçar-se-á por manter o seu estado de repouso.

Inércia - Esse propriedade os corpos mantêm um estado de movimento. A propriedade da inércia é caracterizada por uma quantidade como a massa. Peso – medida da inércia do corpo. Quanto mais pesado o corpo, mais difícil é movê-lo ou, inversamente, pará-lo.

Observe que esses conceitos estão diretamente relacionados ao conceito de " referencial inercial"(ISO), que será discutido abaixo.

Consideremos o movimento de um corpo (ou estado de repouso) no caso em que o corpo não sofre a ação de outros corpos. A conclusão sobre como um corpo se comportará na ausência da ação de outros corpos foi proposta pela primeira vez por René Descartes (Fig. 2) e continuada nos experimentos de Galileu (Fig. 3).

Arroz. 2. René Descartes

Arroz. 3. Galileu Galilei

Se um corpo se move e outros corpos não atuam sobre ele, então o movimento será mantido, permanecerá retilíneo e uniforme. Se outros corpos não atuarem sobre o corpo e o corpo estiver em repouso, o estado de repouso será mantido. Mas sabe-se que o estado de repouso está associado a um sistema de referência: em um referencial o corpo está em repouso e no outro se move com bastante sucesso e em ritmo acelerado. Os resultados dos experimentos e do raciocínio levam à conclusão de que nem em todos os sistemas de referência o corpo se moverá de maneira retilínea e uniforme ou ficará em repouso na ausência da ação de outros corpos sobre ele.

Conseqüentemente, para resolver o problema principal da mecânica, é importante escolher um sistema de relatório onde a lei da inércia ainda seja satisfeita, onde seja claro o motivo que causou a mudança no movimento do corpo. Se o corpo se move retilínea e uniformemente na ausência da ação de outros corpos, tal quadro de referência será preferível para nós, e será chamado sistema de referência inercial(ISO).

A visão de Aristóteles sobre a causa do movimento

O referencial inercial é modelo confortável descrever o movimento de um corpo e as razões que causam tal movimento. Este conceito apareceu pela primeira vez graças a Isaac Newton (Fig. 5).

Arroz. 5. Isaac Newton (1643-1727)

Os antigos gregos imaginavam o movimento de forma completamente diferente. Conheceremos o ponto de vista aristotélico sobre o movimento (Fig. 6).

Arroz. 6. Aristóteles

De acordo com Aristóteles, existe apenas um referencial inercial - o referencial associado à Terra. Todos os outros sistemas de referência, segundo Aristóteles, são secundários. Assim, todos os movimentos podem ser divididos em dois tipos: 1) naturais, ou seja, aqueles comunicados pela Terra; 2) forçado, ou seja, todos os demais.

O exemplo mais simples de movimento natural é a queda livre de um corpo na Terra, uma vez que a Terra, neste caso, transmite velocidade ao corpo.

Vejamos um exemplo de movimento forçado. Esta é uma situação de cavalo puxando uma carroça. Enquanto o cavalo exerce força, a carroça se move (Fig. 7). Assim que o cavalo parou, a carroça também parou. Sem força - sem velocidade. Segundo Aristóteles, é a força que explica a presença da velocidade em um corpo.

Arroz. 7. Movimento forçado

Até agora, algumas pessoas comuns consideram o ponto de vista de Aristóteles justo. Por exemplo, o Coronel Friedrich Kraus von Zillergut de “As Aventuras do Bom Soldado Schweik durante a Guerra Mundial” tentou ilustrar o princípio “Sem força - sem velocidade”: “Quando toda a gasolina acabou”, disse o coronel, “o carro foi forçado a parar. Eu mesmo vi isso ontem. E depois disso ainda falam em inércia, senhores. Não vai, fica parado, não se move. Sem gasolina! Não é engraçado?

Como no show business moderno, onde há fãs, sempre haverá críticos. Aristóteles também teve seus críticos. Sugeriram que ele fizesse o seguinte experimento: solte o corpo e ele cairá exatamente no local onde o soltamos. Damos um exemplo de crítica à teoria de Aristóteles, semelhante aos exemplos de seus contemporâneos. Imagine que um avião voador está lançando uma bomba (Fig. 8). A bomba cairá exatamente no local onde a lançamos?

Arroz. 8. Ilustração, por exemplo

Claro que não. Mas este é um movimento natural – um movimento que foi comunicado pela Terra. Então o que faz esta bomba avançar? Aristóteles respondeu desta forma: o fato é que o movimento natural que a Terra transmite é cair em linha reta. Mas ao se mover no ar, a bomba é levada pela turbulência, e essas turbulências parecem empurrar a bomba para frente.

O que acontece se o ar for removido e for criado um vácuo? Afinal, se não há ar, então, segundo Aristóteles, a bomba deveria cair exatamente no local onde foi lançada. Aristóteles argumentou que se não houver ar, então tal situação é possível, mas na verdade não existe vazio na natureza, não existe vácuo. E se não houver vácuo, não há problema.

E só Galileu Galilei formulou o princípio da inércia na forma a que estamos habituados. A razão para a mudança na velocidade é a ação de outros corpos sobre o corpo. Se outros corpos não atuarem sobre o corpo ou se esta ação for compensada, a velocidade do corpo não mudará.

Os seguintes argumentos podem ser feitos em relação ao referencial inercial. Imagine uma situação em que um carro está em movimento, o motorista desliga o motor e o carro se move por inércia (Fig. 9). Mas esta é uma afirmação incorreta pela simples razão de que com o tempo o carro irá parar devido ao atrito. Portanto, neste caso não haverá movimento uniforme - falta uma das condições.

Arroz. 9. A velocidade do carro muda como resultado do atrito

Consideremos outro caso: com velocidade constante Um grande trator está se movendo, enquanto na frente arrasta uma grande carga com uma caçamba. Tal movimento pode ser considerado retilíneo e uniforme, pois neste caso todas as forças que atuam sobre o corpo são compensadas e se equilibram (Fig. 10). Isso significa que o referencial associado a este corpo pode ser considerado inercial.

Arroz. 10. O trator se move de maneira uniforme e em linha reta. A ação de todos os órgãos é compensada

Pode haver muitos sistemas de referência inerciais. Na realidade, tal sistema de referência ainda é idealizado, uma vez que, após uma análise mais detalhada, não existem tais sistemas de referência no sentido pleno. ISO é um tipo de idealização que permite simular efetivamente processos físicos reais.

Para sistemas de referência inerciais, a fórmula de Galileu para somar velocidades é válida. Notamos também que todos os sistemas de referência de que falamos antes podem ser considerados inerciais até alguma aproximação.

A lei dedicada à ISO foi formulada pela primeira vez por Isaac Newton. O mérito de Newton reside no fato de ter sido o primeiro a mostrar cientificamente que a velocidade de um corpo em movimento não muda instantaneamente, mas como resultado de alguma ação ao longo do tempo. Este facto serviu de base para a criação da lei que chamamos de primeira lei de Newton.

A primeira lei de Newton : existem sistemas de referência nos quais o corpo se move retilínea e uniformemente ou está em repouso se nenhuma força atuar sobre o corpo ou todas as forças que atuam sobre o corpo forem compensadas. Esses sistemas de referência são chamados de inerciais.

Por outro lado, às vezes dizem o seguinte: um referencial inercial é um sistema no qual as leis de Newton são satisfeitas.

Por que a Terra é um CO não inercial? Pêndulo de Foucault

EM grandes quantidades problemas, é necessário considerar o movimento de um corpo em relação à Terra, enquanto consideramos a Terra um referencial inercial. Acontece que esta afirmação nem sempre é verdadeira. Se considerarmos o movimento da Terra em relação ao seu eixo ou em relação às estrelas, então esse movimento ocorre com alguma aceleração. O CO, que se move com certa aceleração, não pode ser considerado inercial no sentido pleno.

A Terra gira em torno de seu eixo, o que significa que todos os pontos situados em sua superfície mudam continuamente a direção de sua velocidade. Velocidade - grandeza vetorial. Se sua direção mudar, aparecerá alguma aceleração. Portanto, a Terra não pode ser um ISO correto. Se calcularmos esta aceleração para pontos localizados no equador (pontos que têm aceleração máxima em relação aos pontos mais próximos dos pólos), então seu valor será . O índice mostra que a aceleração é centrípeta. Em comparação com a aceleração da gravidade, a aceleração pode ser desprezada e a Terra pode ser considerada um referencial inercial.

No entanto, durante observações de longo prazo não se pode esquecer a rotação da Terra. Isso foi demonstrado de forma convincente pelo cientista francês Jean Bernard Leon Foucault (Fig. 11).

Arroz. 11. Jean Bernard Léon Foucault (1819-1868)

Pêndulo de Foucault(Fig. 12) - é um peso enorme suspenso por um fio muito longo.

Arroz. 12. Modelo de pêndulo de Foucault

Se o pêndulo de Foucault for desequilibrado, ele descreverá a seguinte trajetória diferente de uma linha reta (Fig. 13). O deslocamento do pêndulo é causado pela rotação da Terra.

Arroz. 13. Oscilações do pêndulo de Foucault. Vista de cima.

A rotação da Terra é causada por uma série de outras fatos interessantes. Por exemplo, em rios hemisfério norte, via de regra, a margem direita é mais íngreme e a margem esquerda é mais plana. Nos rios hemisfério sul- vice-versa. Tudo isso se deve justamente à rotação da Terra e à força de Coriolis resultante.

Sobre a questão da formulação da primeira lei de Newton

A primeira lei de Newton: se nenhum corpo atuar sobre um corpo ou sua ação for mutuamente equilibrada (compensada), então este corpo estará em repouso ou se moverá de maneira uniforme e retilínea.

Consideremos uma situação que nos indicará que esta formulação da primeira lei de Newton precisa ser corrigida. Imagine um trem com janelas com cortinas. Nesse tipo de trem, o passageiro não pode determinar se o trem está em movimento ou não olhando para os objetos externos. Consideremos dois sistemas de referência: FR associado ao passageiro Volodya e FR associado ao observador na plataforma Katya. O trem começa a acelerar, sua velocidade aumenta. O que acontecerá com a maçã que está na mesa? Ele rolará por inércia para o lado oposto. Para Katya será óbvio que a maçã se move por inércia, mas para Volodya será incompreensível. Ele não percebe que o trem começou a se mover e, de repente, uma maçã sobre a mesa começa a rolar em sua direção. Como isso pode ser? Afinal, segundo a primeira lei de Newton, a maçã deve permanecer em repouso. Portanto, é necessário melhorar a definição da primeira lei de Newton.

Arroz. 14. Exemplo de ilustração

Formulação correta da primeira lei de Newton soa assim: existem sistemas de referência nos quais o corpo se move retilínea e uniformemente ou está em repouso se nenhuma força atuar sobre o corpo ou todas as forças que atuam sobre o corpo forem compensadas.

Volodya está em um referencial não inercial e Katya está em um referencial inercial.

A maioria dos sistemas, sistemas de referência reais, são não inerciais. Vejamos um exemplo simples: enquanto você está sentado em um trem, você coloca algum corpo (por exemplo, uma maçã) sobre a mesa. Quando o trem começar a se mover, observaremos a seguinte imagem interessante: a maçã se moverá, rolará na direção oposta ao movimento do trem (Fig. 15). Nesse caso, não conseguiremos determinar quais corpos agem e fazem a maçã se mover. Neste caso o sistema é dito não inercial. Mas você pode sair dessa situação entrando força de inércia.

Arroz. 15. Exemplo de FR não inercial

Outro exemplo: quando um corpo se move ao longo de uma estrada curva (Fig. 16), surge uma força que faz com que o corpo se desvie da direção reta do movimento. Neste caso devemos considerar também referencial não inercial, mas, como no caso anterior, também podemos sair da situação introduzindo o chamado. forças de inércia.

Arroz. 16. Forças de inércia ao mover-se ao longo de uma trajetória arredondada

Conclusão

Há um número infinito de sistemas de referência, mas a maioria deles são aqueles que não podemos considerar como sistemas de referência inerciais. Um referencial inercial é um modelo idealizado. A propósito, com tal sistema de referência podemos aceitar um sistema de referência associado à Terra ou a alguns objetos distantes (por exemplo, estrelas).

Bibliografia

1. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Física: livro didático para o 9º ano ensino médio. - M.: Iluminismo.
2. Peryshkin A.V., Gutnik E.M. Física. 9º ano: livro didático para o ensino geral. instituições / A. V. Peryshkin, E. M. Gutnik. - 14ª ed., estereótipo. - M.: Abetarda, 2009. - 300.
3. Sokolovich Yu.A., Bogdanova G.S. Física: um livro de referência com exemplos de resolução de problemas. - 2ª edição, revisão. - X.: Vesta: Editora Ranok, 2005. - 464 p.

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

Trabalho de casa

1. Formule as definições de sistemas de referência inerciais e não inerciais. Dê exemplos de tais sistemas.
2. Enuncie a primeira lei de Newton.
3. Na ISO o corpo está em repouso. Determine qual é o valor de sua velocidade no ISO, que se move em relação ao primeiro referencial com velocidade v?

Qualquer sistema de referência que se mova de forma translacional, uniforme e retilínea em relação a um sistema de referência inercial também é um sistema de referência inercial. Portanto, teoricamente, qualquer número de referenciais inerciais pode existir.

Na realidade, o sistema de referência está sempre associado a algum corpo específico em relação ao qual se estuda o movimento de vários objetos. Como todos os corpos reais se movem com uma ou outra aceleração, qualquer referencial real pode ser considerado um referencial inercial apenas com um certo grau de aproximação. Com alto grau de precisão, o sistema heliocêntrico associado ao centro de massa pode ser considerado inercial sistema solar e com eixos direcionados para três estrelas distantes. Tal sistema de referência inercial é usado principalmente em problemas de mecânica celeste e astronáutica. Para resolver a maioria dos problemas técnicos, um sistema de referência rigidamente conectado à Terra pode ser considerado inercial.

Princípio da relatividade de Galileu

Os referenciais inerciais têm uma propriedade importante que descreve Princípio da relatividade de Galileu:

• qualquer fenômeno mecânico sob as mesmas condições iniciais procede da mesma maneira em qualquer referencial inercial.

A igualdade dos referenciais inerciais estabelecida pelo princípio da relatividade é expressa da seguinte forma:

1. as leis da mecânica em referenciais inerciais são as mesmas. Isto significa que a equação que descreve uma determinada lei da mecânica, sendo expressa através das coordenadas e do tempo de qualquer outro sistema de referência inercial, terá a mesma forma;
2. de acordo com os resultados experimentos mecânicosé impossível estabelecer se um determinado referencial está em repouso ou se se move de maneira uniforme e retilínea. Por isso, nenhum deles pode ser apontado como sistema predominante, cuja velocidade de movimento poderia receber um significado absoluto. Significado físico possui apenas o conceito de velocidade relativa de movimento dos sistemas, de forma que qualquer sistema pode ser considerado condicionalmente imóvel, e outro - movendo-se em relação a ele com uma certa velocidade;
3. as equações da mecânica permanecem inalteradas em relação às transformações de coordenadas ao passar de um sistema de referência inercial para outro, ou seja, o mesmo fenômeno pode ser descrito de duas maneiras sistemas diferentes contando externamente de forma diferente, mas natureza física o fenômeno permanece inalterado.

Exemplos de resolução de problemas

EXEMPLO 1

EXEMPLO 2

Os filósofos antigos tentaram compreender a essência do movimento, para identificar o impacto das estrelas e do Sol nos humanos. Além disso, as pessoas sempre procuraram identificar as forças que atuam sobre um ponto material durante seu movimento, bem como no momento de repouso.

Aristóteles acreditava que, na ausência de movimento, o corpo não é afetado por nenhuma força. Vamos tentar descobrir quais sistemas de referência são chamados de inerciais e dar exemplos deles.

Estado de repouso

EM Vida cotidianaé difícil identificar tal condição. Quase todos os tipos movimento mecânico a presença de forças externas é assumida. O motivo é a força de atrito, que impede que muitos objetos saiam de sua posição original e saiam do estado de repouso.

Considerando exemplos de sistemas de referência inerciais, notamos que todos eles cumprem a 1ª lei de Newton. Somente após sua descoberta foi possível explicar o estado de repouso e indicar as forças que atuam sobre o corpo nesse estado.

Declaração da 1ª lei de Newton

Na interpretação moderna, explica a existência de sistemas de coordenadas, em relação aos quais se pode considerar a ausência de influência de forças externas sobre um ponto material. Do ponto de vista de Newton, os sistemas de referência são chamados de inerciais, o que nos permite considerar a conservação da velocidade de um corpo ao longo de um longo tempo.

Definições

Quais sistemas de referência são inerciais? Exemplos deles são estudados no curso de física escolar. Os sistemas inerciais são considerados aqueles referenciais em relação aos quais um ponto material se move a uma velocidade constante. Newton esclareceu que qualquer corpo pode estar em um estado semelhante, desde que não haja necessidade de aplicar forças que possam alterar tal estado.

Na realidade, a lei da inércia não é satisfeita em todos os casos. Analisando exemplos de sistemas de referência inerciais e não inerciais, considere uma pessoa segurando os corrimãos de um veículo em movimento. Quando um carro freia bruscamente, uma pessoa se move automaticamente em relação ao veículo, apesar da ausência de força externa.

Acontece que nem todos os exemplos de sistema de referência inercial correspondem à formulação da 1ª lei de Newton. Para esclarecer a lei da inércia, foi introduzida uma referência refinada, na qual ela é cumprida de forma impecável.

Tipos de sistemas de referência

Quais sistemas de referência são chamados de inerciais? Isto logo ficará claro. “Dê exemplos de sistemas de referência inerciais nos quais a 1ª lei de Newton é satisfeita” - uma tarefa semelhante é oferecida a alunos que escolheram física como exame na nona série. Para dar conta da tarefa, é necessário compreender os sistemas de referência inerciais e não inerciais.

A inércia envolve a manutenção do repouso ou do movimento linear uniforme de um corpo enquanto o corpo estiver isolado. “Isolados” são considerados corpos que não estão conectados, não interagem e estão distantes uns dos outros.

Vejamos alguns exemplos de sistemas de referência inerciais. Se considerarmos que o referencial é uma estrela na Galáxia, e não um ônibus em movimento, o cumprimento da lei da inércia para os passageiros que se agarram aos corrimãos será perfeito.

Durante a frenagem isso veículo continuará o movimento retilíneo uniforme até que outros corpos atuem sobre ele.

Quais são alguns exemplos de referencial inercial? Eles não devem ter ligação com o corpo que está sendo analisado nem afetar sua inércia.

É para tais sistemas que a 1ª lei de Newton é satisfeita. EM Vida realé difícil considerar o movimento de um corpo em relação a referenciais inerciais. É impossível chegar a uma estrela distante para realizar experimentos terrestres a partir dela.

Como sistemas condicionais a Terra é tomada como referência, apesar de estar conectada com objetos nela colocados.

A aceleração em um referencial inercial pode ser calculada se considerarmos a superfície da Terra como referencial. Na física não existe representação matemática da 1ª lei de Newton, mas ela é a base para a derivação de muitas definições e termos físicos.

Exemplos de sistemas de referência inerciais

Os alunos às vezes têm dificuldade em compreender os fenômenos físicos. Aos alunos do nono ano é oferecida uma tarefa com o seguinte conteúdo: “Quais sistemas de referência são chamados de inerciais? Dê exemplos de tais sistemas." Suponhamos que o carrinho com a bola se mova inicialmente sobre uma superfície plana com velocidade constante. Em seguida, ele se move ao longo da areia, como resultado a bola é colocada em movimento acelerado, apesar de nenhuma outra força atuar sobre ela (seu efeito total é zero).

A essência do que está acontecendo pode ser explicada pelo fato de que ao se mover ao longo de uma superfície arenosa, o sistema deixa de ser inercial, passa a ter uma velocidade constante. Exemplos de sistemas de referência inerciais e não inerciais indicam que sua transição ocorre em um determinado período de tempo.

Quando um corpo acelera, sua aceleração tem valor positivo e, ao frear, esse indicador torna-se negativo.

Movimento curvilíneo

Em relação às estrelas e ao Sol, o movimento da Terra ocorre ao longo de uma trajetória curvilínea, que tem o formato de uma elipse. O sistema de referência em que o centro está alinhado com o Sol e os eixos direcionados para determinadas estrelas será considerado inercial.

Observe que qualquer sistema de referência que se mova retilínea e uniformemente em relação ao sistema heliocêntrico é inercial. Movimento curvilíneo realizado com alguma aceleração.

Considerando que a Terra se move em torno do seu eixo, o referencial que está associado à sua superfície, em relação ao heliocêntrico, move-se com alguma aceleração. Em tal situação, podemos concluir que o referencial, que está associado à superfície da Terra, se move com aceleração em relação ao heliocêntrico, portanto não pode ser considerado inercial. Mas o valor da aceleração de tal sistema é tão pequeno que em muitos casos afeta significativamente as especificidades dos fenômenos mecânicos considerados em relação a ele.

Para resolver problemas práticos de natureza técnica, costuma-se considerar inercial o referencial que está rigidamente ligado à superfície da Terra.

A relatividade de Galileu

Todos os referenciais inerciais possuem uma propriedade importante, que é descrita pelo princípio da relatividade. A sua essência reside no facto de qualquer fenómeno mecânico nas mesmas condições iniciais se realizar da mesma forma, independentemente do sistema de referência escolhido.

A igualdade da ISO de acordo com o princípio da relatividade é expressa nas seguintes disposições:

• Em tais sistemas eles são iguais, portanto qualquer equação por eles descrita, expressa em termos de coordenadas e tempo, permanece inalterada.
• Os resultados dos experimentos mecânicos realizados permitem estabelecer se o sistema de referência estará em repouso ou se realizará um movimento retilíneo. Movimento uniforme. Qualquer sistema pode ser reconhecido condicionalmente como estacionário se outro sistema se mover em relação a ele a uma determinada velocidade.
• As equações da mecânica permanecem inalteradas em relação às transformações de coordenadas no caso de transição de um sistema para o segundo. É possível descrever o mesmo fenômeno em sistemas diferentes, mas a sua natureza física não mudará.

Solução de problemas

Primeiro exemplo.

Determine se o referencial inercial é: a) satélite artificial Terra; b) atração infantil.

Responder. No primeiro caso não há conversa sobre o referencial inercial, uma vez que o satélite se move em órbita sob a influência da força da gravidade, portanto, o movimento ocorre com alguma aceleração.

Segundo exemplo.

O sistema de relatórios está firmemente conectado ao elevador. Em que situações pode ser chamado de inercial? Se o elevador: a) cair; b) move-se uniformemente para cima; c) sobe rapidamente; d) uniformemente direcionado para baixo.

Responder. a) Quando queda livre aparece aceleração, então o sistema de referência associado ao elevador não será inercial.

b) Quando o elevador se move uniformemente, o sistema é inercial.

c) Ao se mover com alguma aceleração, o sistema de referência é considerado inercial.

d) O elevador se move lentamente e tem aceleração negativa, portanto o referencial não pode ser chamado de inercial.

Conclusão

Ao longo de sua existência, a humanidade vem tentando compreender os fenômenos que ocorrem na natureza. As tentativas de explicar a relatividade do movimento foram feitas por Galileu Galilei. Isaac Newton conseguiu derivar a lei da inércia, que passou a ser utilizada como principal postulado na realização de cálculos em mecânica.

Atualmente, um sistema para determinar a posição do corpo inclui um corpo, um dispositivo para determinar o tempo e um sistema de coordenadas. Dependendo se o corpo está em movimento ou parado, é possível caracterizar a posição de determinado objeto no período de tempo desejado.

Curso de física geral

Introdução.

Física (grego, de physis - natureza), a ciência da natureza, que estuda o que há de mais simples e ao mesmo tempo o mais propriedades gerais mundo material (padrões dos fenômenos naturais, propriedades e estrutura da matéria e as leis de seu movimento). Os conceitos da física e suas leis fundamentam todas as ciências naturais. A física pertence às ciências exatas e estuda as leis quantitativas dos fenômenos. Portanto, naturalmente, a linguagem da física é a matemática.

A matéria pode existir em duas formas principais: substância e campo. Eles estão interligados.

Exemplos: B mais – sólidos, líquidos, plasma, moléculas, átomos, partículas elementares, etc.

Campo– campo eletromagnético (quanta (porções) do campo – fótons);

campo gravitacional (campo quanta - grávitons).

Relação entre matéria e campo– aniquilação de um par elétron-pósitron.

A física é certamente uma ciência de visão de mundo, e o conhecimento dos seus fundamentos é elemento necessário qualquer educação, cultura do homem moderno.

Ao mesmo tempo, a física tem um enorme significado aplicado. É a ela que se deve a maioria absoluta das conquistas técnicas, de informação e comunicação da humanidade.

Além disso, nas últimas décadas métodos físicos a pesquisa é cada vez mais utilizada em ciências que parecem distantes da física, como a sociologia e a economia.

Mecânica clássica.

A mecânica é um ramo da física que estuda forma mais simples movimento da matéria – movimento dos corpos no espaço e no tempo.

Inicialmente, os princípios básicos (leis) da mecânica como ciência foram formulados por I. Newton na forma de três leis, que receberam seu nome.

Usando o método vetorial de descrição, a velocidade pode ser definida como a derivada do vetor raio de um ponto ou corpo , e a massa atua aqui como um coeficiente de proporcionalidade.

1. Quando dois corpos interagem, cada um deles atua sobre o outro corpo com uma força de igual valor, mas de direção oposta.

Essas leis vêm da experiência. Toda a mecânica clássica é construída sobre eles. Por muito tempo acreditava-se que todos os fenômenos observáveis ​​poderiam ser descritos por essas leis. No entanto, com o tempo, os limites das capacidades humanas expandiram-se e a experiência mostrou que as leis de Newton nem sempre são válidas e que a mecânica clássica, como consequência, tem certos limites de aplicabilidade.

Além disso, um pouco mais tarde nos voltaremos para a mecânica clássica de um ângulo ligeiramente diferente - baseado nas leis de conservação, que em certo sentido são leis mais gerais da física do que as leis de Newton.

1.2. Limites de aplicabilidade da mecânica clássica.

A primeira limitação está relacionada com as velocidades dos objetos em questão. A experiência tem mostrado que as leis de Newton permanecem válidas apenas se , onde a velocidade da luz no vácuo ( ). Nessas velocidades, as escalas lineares e os intervalos de tempo não mudam ao passar de um sistema de referência para outro. É por isso espaço e tempo são absolutos na mecânica clássica.

Assim, a mecânica clássica descreve o movimento com baixas velocidades relativas, ou seja, Esta é a física não relativística. A limitação de altas velocidades é a primeira limitação da aplicação da mecânica newtoniana clássica.

Além disso, a experiência mostra que a aplicação das leis da mecânica newtoniana é inadequada para a descrição de microobjetos: moléculas, átomos, núcleos, partículas elementares etc. Começando pelos tamanhos

(), uma descrição adequada dos fenômenos observados é dada por outros

leis - quântico. São eles que precisam ser utilizados quando a grandeza característica que descreve o sistema e tem a dimensão , é comparável à constante de Planck. Digamos que, para um elétron localizado em um átomo, temos. Então a quantidade que tem a dimensão do momento angular é igual a: .

Qualquer fenômeno físico é sequência de eventos. Eventoé chamado o que acontece em um determinado ponto do espaço em um determinado momento no tempo.

Para descrever eventos, insira espaço e tempo– categorias que denotam as principais formas de existência da matéria. O espaço expressa a ordem de existência dos objetos individuais e o tempo expressa a ordem de mudança dos fenômenos. Espaço e tempo devem ser delimitados. A marcação é realizada através da introdução de corpos de referência e corpos de referência (escala).

Quadros de referência. Sistemas de referência inerciais.

Para descrever o movimento de um corpo ou o modelo utilizado - um ponto material - pode ser utilizado método vetorial descrições quando a posição do objeto de interesse para nós é especificada usando o vetor raio um segmento direcionado do corpo de referência até um ponto de nosso interesse, cuja posição no espaço pode mudar com o tempo. O lugar geométrico das extremidades do vetor raio é chamado trajetória ponto móvel.

2.1. Sistemas coordenados.

Outra maneira de descrever o movimento de um corpo é coordenada, em que um determinado sistema de coordenadas está rigidamente associado ao corpo de referência.

Na mecânica e na física em geral, é conveniente usar em diversas tarefas vários sistemas coordenadas Os mais utilizados são os chamados Cartesiano, cilíndrico e esférico Sistemas coordenados.

1) Sistema de coordenada cartesiana: três eixos perpendiculares entre si são inseridos com escalas especificadas ao longo de todos os três eixos (réguas). O ponto de referência para todos os eixos é obtido do corpo de referência. Os limites de mudança para cada uma das coordenadas de até .

O vetor raio que define a posição de um ponto é determinado através de suas coordenadas como

. (2.1)

Pequeno volume em Sistema cartesiano:

,

ou em incrementos infinitesimais:

(2.2)

2) Sistema de coordenadas cilíndricas: as variáveis ​​escolhidas são a distância do eixo, o ângulo de rotação do eixo x e a altura ao longo do eixo do corpo de referência.

3) Sistema de coordenadas esféricas: insira a distância do corpo de referência ao ponto de interesse e ângulos

rotação e , medidos a partir dos eixos e , respectivamente.

Vetor raio – função de variáveis

,

limites de mudanças de coordenadas:

As coordenadas cartesianas estão relacionadas às coordenadas esféricas pelas seguintes relações

(2.6)

Elemento de volume em coordenadas esféricas:

(2.7)

2.2. Sistema de referência.

Para construir um sistema de referência, o sistema de coordenadas rigidamente conectado ao corpo de referência deve ser complementado com um relógio. Os relógios podem estar localizados em diferentes pontos do espaço, por isso precisam ser sincronizados. A sincronização do relógio é feita por meio de sinais. Seja o tempo de propagação do sinal do ponto onde ocorreu o evento até o ponto de observação igual a . Então nosso relógio deve mostrar a hora no momento em que o sinal aparece , se o relógio do ponto do evento no momento de sua ocorrência mostrar a hora. Consideraremos esses relógios sincronizados.

Se a distância do ponto no espaço onde o evento ocorreu até o ponto de observação for , e a velocidade de transmissão do sinal for , então . Na mecânica clássica aceita-se que a velocidade de propagação do sinal . Portanto, um relógio é introduzido em todo o espaço.

Totalidade corpos de referência, sistemas de coordenadas e relógios forma Quadro de Referência(ENTÃO).

Existe um número infinito de sistemas de referência. A experiência mostra que as velocidades ainda são pequenas em comparação com a velocidade da luz , escalas lineares e intervalos de tempo não mudam ao passar de um sistema de referência para outro.

Em outras palavras, na mecânica clássica o espaço e o tempo são absolutos.

Se , então as escalas e intervalos de tempo dependem da escolha dos dados de referência, ou seja, espaço e tempo tornam-se conceitos relativos. Esta já é uma área mecânica relativística.

2.3.Sistemas de referência inerciais(ISO).

Assim, estamos perante a escolha de um sistema de referência no qual possamos resolver problemas de mecânica (descrever o movimento dos corpos e estabelecer as razões que o provocam). Acontece que nem todos os sistemas de referência são iguais, não apenas na descrição formal do problema, mas, o que é muito mais importante, representam de forma diferente os motivos que provocam uma mudança no estado do corpo.

O quadro de referência no qual as leis da mecânica são formuladas permite-nos de forma mais simples estabelecer a primeira lei de Newton, que postula a existência sistemas de referência inerciais–ISO.

Primeira lei da mecânica clássica – lei da inércia de Galileu-Newton.

Existe um sistema de referência no qual um ponto material, se excluirmos sua interação com todos os outros corpos, se moverá por inércia, ou seja, manter um estado de repouso ou movimento linear uniforme.

Este é um sistema de referência inercial (IRS).

Na ISO, a mudança no movimento de um ponto material (aceleração) é causada apenas por sua interação com outros corpos, mas não depende das propriedades do próprio sistema de referência.