Aká vzťažná sústava sa nazýva inerciálna fyzika. Inerciálne vzťažné sústavy

Prvý Newtonov zákon predpokladá prítomnosť takého javu, ako je zotrvačnosť telies. Preto je tiež známy ako zákon zotrvačnosti. Zotrvačnosť - ide o jav, kedy si teleso udržiava rýchlosť pohybu (veľkosť aj smer), kedy na teleso nepôsobia žiadne sily. Na zmenu rýchlosti pohybu je potrebné pôsobiť na telo nejakou silou. Prirodzene, výsledok pôsobenia síl rovnakej veľkosti na rôzne telesá bude rôzny. Hovorí sa teda, že telesá majú zotrvačnosť. Zotrvačnosť je vlastnosťou telies odolávať zmene ich súčasného stavu. Hodnota zotrvačnosti je charakterizovaná telesnou hmotnosťou.

Inerciálna vzťažná sústava

Prvý Newtonov zákon uvádza (čo možno experimentálne overiť s rôznym stupňom presnosti), že inerciálne systémy skutočne existujú. Tento zákon mechaniky stavia inerciálne vzťažné sústavy do špeciálneho, privilegovaného postavenia.

Vzťažné rámce, v ktorých je splnený prvý Newtonov zákon, sa nazývajú inerciálne.

Inerciálne sústavy odkaz- sú to systémy, voči ktorým je hmotný bod pri absencii vonkajších vplyvov naň alebo ich vzájomnej kompenzácie v pokoji alebo sa pohybuje rovnomerne a priamočiaro.

Existuje nekonečné množstvo inerciálnych systémov. Vzťažná sústava spojená s vlakom pohybujúcim sa konštantnou rýchlosťou pozdĺž priameho úseku trate je tiež inerciálna sústava (približne), ako sústava spojená so Zemou. Všetky inerciálne referenčné sústavy tvoria triedu sústav, ktoré sa voči sebe pohybujú rovnomerne a priamočiaro. Zrýchlenia akéhokoľvek telesa v rôznych inerciálnych sústavách sú rovnaké.

Ako nastaviť čo tento systém referencia je inerciálna? To sa dá dosiahnuť iba skúsenosťami. Pozorovania ukazujú, že s veľmi vysokým stupňom presnosti možno heliocentrickú sústavu považovať za inerciálnu vzťažnú sústavu, v ktorej je počiatok súradníc spojený so Slnkom a osi sú nasmerované na určité „pevné“ hviezdy. Referenčné rámce pevne spojené s povrchom Zeme, prísne vzaté, nie sú inerciálne, pretože Zem sa pohybuje na obežnej dráhe okolo Slnka a súčasne sa otáča okolo svojej vlastnej osi. Pri opise pohybov, ktoré nemajú globálnu (t. j. celosvetovú) mierku, však možno s dostatočnou presnosťou považovať referenčné systémy spojené so Zemou za inerciálne.

Vzťažné sústavy sú tiež inerciálne, ak sa pohybujú rovnomerne a priamočiaro vzhľadom na akúkoľvek inerciálnu referenčnú sústavu.

Galileo zistil, že je nemožné určiť, či je tento systém v pokoji alebo sa pohybuje rovnomerne a priamočiaro pomocou akýchkoľvek mechanických experimentov vytvorených vo vnútri inerciálnej referenčnej sústavy. Toto tvrdenie sa nazýva Galileov princíp relativity alebo mechanický princíp relativity.

Tento princíp následne rozvinul A. Einstein a je jedným z postulátov špeciálnej teórie relativity. Inerciálne vzťažné sústavy hrajú vo fyzike mimoriadne dôležitú úlohu, keďže podľa Einsteinovho princípu relativity má matematické vyjadrenie akéhokoľvek fyzikálneho zákona rovnakú formu v každej inerciálnej vzťažnej sústave. V budúcnosti budeme používať iba inerciálne systémy (bez toho, aby sme to zakaždým spomínali).

Vzťažné rámce, v ktorých nie je splnený prvý Newtonov zákon, sa nazývajú neinerciálne.

Takéto systémy zahŕňajú akúkoľvek referenčnú sústavu, ktorá sa pohybuje so zrýchlením vzhľadom na inerciálnu referenčnú sústavu.

V newtonovskej mechanike sú zákony interakcie telies formulované pre triedu inerciálnych vzťažných sústav.

Príkladom mechanického experimentu, v ktorom sa prejavuje neinercialita sústavy spojenej so Zemou, je správanie Foucaultovho kyvadla. Tak sa nazýva masívna guľa zavesená na dostatočne dlhom závite a vykonávajúca malé kmity okolo rovnovážnej polohy. Ak by sústava spojená so Zemou bola inerciálna, rovina kmitania Foucaultovho kyvadla by zostala voči Zemi nezmenená. V skutočnosti sa kývavá rovina kyvadla v dôsledku rotácie Zeme otáča a priemet trajektórie kyvadla na zemský povrch vyzerá ako rozeta (obr. 1).

O tom, že telo má tendenciu udržiavať nie akýkoľvek pohyb, a to priamočiary, svedčí napríklad nasledujúci experiment (obr. 2). Lopta pohybujúca sa v priamom smere pozdĺž plochého horizontálneho povrchu, ktorá naráža na prekážku, ktorá má zakrivený tvar, je nútená pohybovať sa v oblúku pod pôsobením tejto prekážky. Keď však loptička dosiahne okraj prekážky, prestane sa pohybovať v krivočiarom smere a začne sa opäť pohybovať v priamom smere. Zhrnutím výsledkov vyššie uvedených (a podobných) pozorovaní môžeme konštatovať, že ak dané teleso nie je ovplyvnené inými telesami alebo ich pôsobenie je vzájomne kompenzované, je toto teleso v pokoji alebo jeho rýchlosť pohybu zostáva nezmenená vzhľadom na rám referencia pripevnená k povrchu Zeme.

Otázka č. 6:

Predstavujeme vám video lekciu venovanú téme „Inerciálne referenčné sústavy. Prvý Newtonov zákon, ktorý je súčasťou školského kurzu fyziky pre 9. ročník. Na začiatku hodiny vám učiteľ pripomenie dôležitosť zvoleného referenčného rámca. Potom bude hovoriť o správnosti a vlastnostiach zvoleného referenčného systému a tiež vysvetlí pojem "zotrvačnosť".

V predchádzajúcej lekcii sme hovorili o dôležitosti výberu referenčného rámca. Pripomeňme, že trajektória, prejdená vzdialenosť a rýchlosť budú závisieť od toho, ako zvolíme CO. S výberom referenčného systému sa spája množstvo ďalších funkcií, o ktorých si povieme.

Ryža. 1. Závislosť trajektórie pádu bremena od voľby referenčného systému

V siedmom ročníku ste študovali pojmy „zotrvačnosť“ a „zotrvačnosť“.

Zotrvačnosť - Toto fenomén, pri ktorej má telo tendenciu udržiavať si svoj pôvodný stav. Ak sa telo pohybovalo, malo by sa snažiť udržať rýchlosť tohto pohybu. A ak je v pokoji, bude sa snažiť udržať si svoj pokojový stav.

zotrvačnosť - Toto nehnuteľnosť telo udržať pohybový stav. Vlastnosť zotrvačnosti je charakterizovaná takou veličinou, ako je hmotnosť. Hmotnosť – miera zotrvačnosti tela. Čím je telo ťažšie, tým je ťažšie sa pohnúť alebo naopak zastaviť.

Upozorňujeme, že tieto pojmy priamo súvisia s pojmom „ inerciálna referenčná sústava» (ISO), o ktorej sa bude diskutovať nižšie.

Uvažujme pohyb telesa (alebo pokojový stav), ak na teleso nepôsobia žiadne iné telesá. Záver o tom, ako sa teleso bude správať bez pôsobenia iných telies, prvýkrát navrhol René Descartes (obr. 2) a pokračoval v experimentoch Galilea (obr. 3).

Ryža. 2. René Descartes

Ryža. 3. Galileo Galilei

Ak sa teleso pohybuje a nepôsobia naň žiadne iné telesá, tak pohyb zostane zachovaný, zostane priamočiary a rovnomerný. Ak na telo nepôsobia iné telesá a telo je v kľude, tak sa pokojový stav zachová. Je však známe, že stav pokoja je spojený s referenčným rámcom: v jednom FR je telo v pokoji a v inom sa pohybuje celkom úspešne a rýchlo. Výsledky experimentov a úvah vedú k záveru, že nie vo všetkých vzťažných sústavách sa teleso bude pohybovať priamočiaro a rovnomerne alebo bude v pokoji bez toho, aby naň pôsobili iné telesá.

Na vyriešenie hlavného problému mechaniky je teda dôležité zvoliť taký systém hlásenia, kde je napriek tomu splnený zákon zotrvačnosti, kde je jasný dôvod, ktorý spôsobil zmenu pohybu telesa. Ak sa teleso pohybuje priamočiaro a rovnomerne bez pôsobenia iných telies, takýto vzťažný rámec bude pre nás výhodnejší a bude tzv. inerciálna referenčná sústava(ISO).

Aristotelov pohľad na príčinu pohybu

Inerciálna vzťažná sústava je pohodlný model opísať pohyb telesa a príčiny, ktoré takýto pohyb spôsobujú. Prvýkrát sa tento koncept objavil vďaka Isaacovi Newtonovi (obr. 5).

Ryža. 5. Isaac Newton (1643-1727)

Starí Gréci si pohyb predstavovali úplne inak. Zoznámime sa s aristotelovským pohľadom na pohyb (obr. 6).

Ryža. 6. Aristoteles

Podľa Aristotela existuje len jedna inerciálna vzťažná sústava – vzťažná sústava spojená so Zemou. Všetky ostatné referenčné systémy sú podľa Aristotela sekundárne. Podľa toho možno všetky pohyby rozdeliť na dva typy: 1) prirodzené, teda také, ktoré hlási Zem; 2) nútené, teda všetko ostatné.

Najjednoduchším príkladom prirodzeného pohybu je voľný pád telesa na Zem, keďže Zem v tomto prípade telu udeľuje rýchlosť.

Zvážte príklad núteného pohybu. Toto je situácia, keď kôň ťahá voz. Kým kôň vyvíja silu, vozík sa pohybuje (obr. 7). Len čo sa kôň zastavil, zastavil sa aj voz. Žiadna sila, žiadna rýchlosť. Podľa Aristotela je to sila, ktorá vysvetľuje prítomnosť rýchlosti v tele.

Ryža. 7. Nútený pohyb

Niektorí obyčajní ľudia doteraz považovali Aristotelov pohľad za spravodlivý. Napríklad plukovník Friedrich Kraus von Zillergut z Dobrodružstva dobrého vojaka Švejka počas svetovej vojny sa pokúsil ilustrovať zásadu „Žiadny výkon – žiadna rýchlosť“: „Keď vyšiel všetok benzín,“ povedal plukovník, „auto bolo nútený zastaviť. Toto som videl včera. A potom sa stále hovorí o zotrvačnosti, páni. Nejde, stojí, nepohne sa z miesta. Žiadny benzín! No nie je to smiešne?

Rovnako ako v modernom šoubiznise, kde sú fanúšikovia, vždy budú kritici. Aristoteles mal aj svojich kritikov. Navrhli mu, aby urobil nasledujúci experiment: pustite telo a padne presne pod miesto, kam ho pustíme. Uveďme príklad kritiky Aristotelovej teórie, podobne ako príklady jeho súčasníkov. Predstavte si, že letiace lietadlo vyhodí bombu (obr. 8). Spadne bomba presne pod miesto, kde sme ju vypustili?

Ryža. 8. Napríklad ilustrácia

Samozrejme, že nie. Ale koniec koncov ide o prirodzený pohyb – pohyb, ktorý hlásila Zem. Prečo sa potom táto bomba posúva stále ďalej? Aristoteles odpovedal takto: faktom je, že prirodzený pohyb, ktorý Zem hlási, je pád priamo nadol. Ale pri pohybe vo vzduchu je bomba unášaná svojimi turbulenciami a tieto turbulencie akoby tlačia bombu dopredu.

Čo sa stane, ak sa odstráni vzduch a vytvorí sa vákuum? Koniec koncov, ak nie je vzduch, potom by podľa Aristotela mala bomba spadnúť presne pod miesto, kde bola hodená. Aristoteles tvrdil, že ak nie je vzduch, potom je takáto situácia možná, ale v skutočnosti v prírode neexistuje prázdnota, neexistuje vákuum. A ak nie je vákuum, nie je problém.

A len Galileo Galilei sformuloval princíp zotrvačnosti v podobe, na akú sme zvyknutí. Dôvodom zmeny rýchlosti je pôsobenie iných telies na telo. Ak iné telesá na telo nepôsobia alebo je toto pôsobenie kompenzované, tak sa rýchlosť telesa nezmení.

Môžeme urobiť nasledujúce úvahy týkajúce sa inerciálnej referenčnej sústavy. Predstavte si situáciu, že sa auto pohybuje, potom vodič vypne motor a následne sa auto pohne zotrvačnosťou (obr. 9). Toto je však nesprávne tvrdenie z jednoduchého dôvodu, že sa auto časom zastaví v dôsledku trecej sily. Preto v tomto prípade nedôjde k rovnomernému pohybu - jedna z podmienok chýba.

Ryža. 9. Rýchlosť auta sa mení v dôsledku sily trenia

Zoberme si iný prípad: konštantná rýchlosť ide veľký, veľký traktor, pričom vpredu vlečie veľký náklad s lyžicou. Takýto pohyb možno považovať za priamočiary a rovnomerný, pretože v tomto prípade sú všetky sily, ktoré na telo pôsobia, kompenzované a navzájom sa vyrovnávajú (obr. 10). Preto referenčnú sústavu spojenú s týmto telesom môžeme považovať za inerciálnu.

Ryža. 10. Traktor sa pohybuje rovnomerne a priamočiaro. Činnosť všetkých orgánov je kompenzovaná

Inerciálnych referenčných sústav môže byť veľa. V skutočnosti je však takýto referenčný rámec stále idealizovaný, keďže pri bližšom skúmaní takéto referenčné rámce v plnom zmysle neexistujú. ISO je druh idealizácie, ktorý umožňuje efektívne simulovať reálne fyzikálne procesy.

Pre inerciálne referenčné systémy platí Galileov vzorec na sčítanie rýchlostí. Všimnite si tiež, že všetky referenčné sústavy, o ktorých sme hovorili predtým, možno v určitej aproximácii považovať za inerciálne.

Isaac Newton ako prvý sformuloval zákon venovaný ISO. Newtonova zásluha spočíva v tom, že ako prvý vedecky dokázal, že rýchlosť pohybujúceho sa telesa sa nemení okamžite, ale v dôsledku nejakej akcie v priebehu času. Táto skutočnosť vytvorila základ pre vznik zákona, ktorý nazývame prvý Newtonov zákon.

Newtonov prvý zákon : existujú referenčné sústavy, v ktorých sa teleso pohybuje priamočiaro a rovnomerne alebo je v pokoji, ak na teleso nepôsobia žiadne sily alebo sú všetky sily pôsobiace na teleso kompenzované. Takéto vzťažné sústavy sa nazývajú inerciálne.

Iným spôsobom sa niekedy hovorí toto: inerciálna vzťažná sústava je sústava, v ktorej sú splnené Newtonove zákony.

Prečo je Zem neinerciálny CO. Foucaultovo kyvadlo

IN vo veľkom počte problémov je potrebné uvažovať o pohybe telesa voči Zemi, pričom Zem považujeme za inerciálnu vzťažnú sústavu. Ukazuje sa, že toto tvrdenie nie je vždy pravdivé. Ak vezmeme do úvahy pohyb Zeme vzhľadom na jej os alebo vzhľadom na hviezdy, potom tento pohyb prebieha s určitým zrýchlením. SO, ktorý sa pohybuje s určitým zrýchlením, nemožno považovať za inerciálny v plnom zmysle.

Zem sa otáča okolo svojej osi, čo znamená, že všetky body ležiace na jej povrchu plynule menia smer svojej rýchlosti. Rýchlosť je vektorová veličina. Ak sa jeho smer zmení, objaví sa určité zrýchlenie. Preto Zem nemôže byť správnym ISO. Ak vypočítame toto zrýchlenie pre body nachádzajúce sa na rovníku (body, ktoré majú maximálne zrýchlenie vzhľadom na body bližšie k pólom), potom bude jeho hodnota . Index ukazuje, že zrýchlenie je dostredivé. V porovnaní s gravitačným zrýchlením možno zrýchlenie zanedbať a Zem možno považovať za inerciálnu vzťažnú sústavu.

Pri dlhodobých pozorovaniach však netreba zabúdať na rotáciu Zeme. Presvedčivo to ukázal francúzsky vedec Jean Bernard Leon Foucault (obr. 11).

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

Foucaultovo kyvadlo(Obr. 12) - je to masívne závažie zavesené na veľmi dlhej nite.

Ryža. 12. Model Foucaultovho kyvadla

Ak je Foucaultovo kyvadlo vyvedené z rovnováhy, potom bude opisovať ďalšiu trajektóriu inú ako priamku (obr. 13). Posun kyvadla je spôsobený rotáciou Zeme.

Ryža. 13. Kmity Foucaultovho kyvadla. Pohľad zhora.

Rotácia Zeme je spôsobená sériou zaujímavosti. Napríklad v riekach Severná hemisféra Pravý breh je spravidla strmší a ľavý miernejší. v riekach Južná pologuľa- naopak. To všetko je spôsobené práve rotáciou Zeme a výslednou Coriolisovou silou.

K otázke formulácie prvého Newtonovho zákona

Newtonov prvý zákon: ak na teleso nepôsobia žiadne telesá alebo je ich pôsobenie vzájomne vyvážené (kompenzované), tak toto teleso bude v pokoji alebo sa bude pohybovať rovnomerne a priamočiaro.

Uvažujme nad situáciou, ktorá nám naznačí, že takúto formuláciu prvého Newtonovho zákona treba opraviť. Predstavte si vlak s oknami so závesmi. V takomto vlaku cestujúci podľa predmetov vonku nedokáže určiť, či sa vlak pohybuje alebo nie. Uvažujme dva referenčné rámce: FR spojené s cestujúcim Voloďou a FR spojené s pozorovateľom na nástupišti Katya. Vlak začína zrýchľovať, jeho rýchlosť sa zvyšuje. Čo sa stane s jablkom na stole? Bude sa otáčať opačným smerom. Pre Káťu bude zrejmé, že jablko sa pohybuje zotrvačnosťou, no pre Voloďu to bude nepochopiteľné. Nevidí, že vlak sa dal do pohybu a zrazu sa na ňom začne kotúľať jablko ležiace na stole. Ako to môže byť? Veď podľa prvého Newtonovho zákona musí jablko zostať v pokoji. Preto je potrebné zlepšiť definíciu prvého Newtonovho zákona.

Ryža. 14. Ilustračný príklad

Správna formulácia prvého Newtonovho zákona znie takto: existujú referenčné systémy, v ktorých sa teleso pohybuje priamočiaro a rovnomerne alebo je v pokoji, ak na teleso nepôsobia žiadne sily alebo sú všetky sily pôsobiace na teleso kompenzované.

Voloďa je v neinerciálnej vzťažnej sústave a Káťa je v inerciálnej.

Väčšina systémov, skutočné referenčné systémy - neinerciálne. Zvážte jednoduchý príklad: keď sedíte vo vlaku, položíte na stôl nejaké telo (napríklad jablko). Keď sa vlak začne pohybovať, budeme pozorovať taký kuriózny obraz: jablko sa bude pohybovať, kotúľať sa v opačnom smere ako je pohyb vlaku (obr. 15). V tomto prípade nebudeme schopní určiť, aké telesá pôsobia, aby sa jablko hýbalo. V tomto prípade sa hovorí, že systém nie je inerciálny. Ale zo situácie sa dá dostať vstupom zotrvačná sila.

Ryža. 15. Príklad neinerciálneho CO

Iný príklad: keď sa teleso pohybuje po objazde cesty (obr. 16), vzniká sila, ktorá spôsobí, že sa teleso vychýli z priamočiareho smeru pohybu. V tomto prípade musíme tiež zvážiť neinerciálna vzťažná sústava, no rovnako ako v predchádzajúcom prípade sa môžeme zo situácie dostať aj zavedením tzv. zotrvačné sily.

Ryža. 16. Zotrvačné sily pri pohybe po zaoblenej dráhe

Záver

Existuje nekonečné množstvo referenčných systémov, ale väčšina z nich sú tie, ktoré nemôžeme považovať za inerciálne referenčné systémy. Inerciálna referenčná sústava je idealizovaný model. Mimochodom, takýto referenčný systém môžeme brať ako referenčný systém spojený so Zemou alebo nejakými vzdialenými objektmi (napríklad s hviezdami).

Bibliografia

1. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fyzika: Učebnica pre 9. ročník strednej školy. - M.: Osveta.
2. Peryshkin A.V., Gutnik E.M. fyzika. 9. ročník: učebnica pre všeobecné vzdelávanie. inštitúcie / A. V. Peryshkin, E. M. Gutnik. - 14. vyd., stereotyp. - M.: Drop, 2009. - 300.
3. Sokolovič Yu.A., Bogdanova G.S. Fyzika: Príručka s príkladmi riešenia problémov. - 2. vydanie, redistribúcia. - X .: Vesta: Vydavateľstvo "Ranok", 2005. - 464 s.

1. Internetový portál "physics.ru" ()
2. Internetový portál "ens.tpu.ru" ()
3. Internetový portál "prosto-o-slognom.ru" ()

Domáca úloha

1. Formulujte definície inerciálnych a neinerciálnych vzťažných sústav. Uveďte príklady takýchto systémov.
2. Prvý štátny Newtonov zákon.
3. V ISO je telo v pokoji. Určte, aká je hodnota jeho rýchlosti v IFR, ktorá sa pohybuje vzhľadom k prvej referenčnej sústave rýchlosťou v?

Akákoľvek vzťažná sústava pohybujúca sa progresívne, rovnomerne a priamočiaro vzhľadom na inerciálnu vzťažnú sústavu je tiež inerciálna vzťažná sústava. Preto môže teoreticky existovať ľubovoľný počet inerciálnych vzťažných sústav.

V skutočnosti je referenčný systém vždy spojený s nejakým konkrétnym telom, vo vzťahu ku ktorému sa študuje pohyb rôznych objektov. Pretože všetky reálne telesá sa pohybujú s jedným alebo druhým zrýchlením, akúkoľvek skutočnú vzťažnú sústavu možno považovať za inerciálnu vzťažnú sústavu len s určitým stupňom aproximácie. S vysokým stupňom presnosti možno heliocentrický systém spojený s ťažiskom považovať za inerciálny. slnečná sústava a s osami smerujúcimi k trom vzdialeným hviezdam. Takáto inerciálna vzťažná sústava sa používa hlavne v problémoch nebeskej mechaniky a astronautiky. Na vyriešenie väčšiny technických problémov možno zvážiť inerciálnu referenčnú sústavu, pevne spojenú so Zemou.

Galileov princíp relativity

Inerciálne vzťažné sústavy majú dôležitú vlastnosť, ktorá popisuje Galileov princíp relativity:

• každý mechanický jav za rovnakých počiatočných podmienok prebieha rovnakým spôsobom v akejkoľvek inerciálnej vzťažnej sústave.

Rovnosť inerciálnych vzťažných sústav, stanovená princípom relativity, je vyjadrená takto:

1. zákony mechaniky v inerciálnych vzťažných sústavách sú rovnaké. To znamená, že rovnica opisujúca nejaký zákon mechaniky, vyjadrená v súradniciach a čase akejkoľvek inej inerciálnej vzťažnej sústavy, bude mať rovnaký tvar;
2. podľa výsledkov mechanické pokusy nie je možné určiť, či je daná referenčná sústava v pokoji alebo sa pohybuje rovnomerne a priamočiaro. Z tohto dôvodu nemožno žiadny z nich vyčleniť ako prevládajúci systém, ktorého rýchlosť by mohla mať absolútny význam. Fyzický význam je iba koncept relatívnej rýchlosti systémov, takže každý systém možno považovať za podmienene nehybný a druhý - pohybujúci sa vo vzťahu k nemu určitou rýchlosťou;
3. rovnice mechaniky sú nezmenené vzhľadom na transformácie súradníc pri prechode z jednej inerciálnej vzťažnej sústavy do druhej, t.j. ten istý jav možno opísať v dvoch rôznych systémov počítanie navonok rôznymi spôsobmi, ale fyzickej povahy javy zostávajú nezmenené.

Príklady riešenia problémov

PRÍKLAD 1

PRÍKLAD 2

Starovekí filozofi sa snažili pochopiť podstatu pohybu, identifikovať vplyv hviezd a Slnka na človeka. Okrem toho sa ľudia vždy snažili identifikovať sily, ktoré pôsobia na hmotný bod v procese jeho pohybu, ako aj v momente odpočinku.

Aristoteles veril, že pri absencii pohybu nepôsobia na telo žiadne sily. Pokúsme sa zistiť, ktoré referenčné systémy sa nazývajú inerciálne, uvedieme ich príklady.

Kľudový stav

IN Každodenný život je ťažké identifikovať takýto stav. Takmer všetky typy mechanický pohyb predpokladá sa prítomnosť vonkajších síl. Dôvodom je sila trenia, ktorá mnohým predmetom neumožňuje opustiť svoju pôvodnú polohu, opustiť stav pokoja.

Vzhľadom na príklady inerciálnych referenčných systémov poznamenávame, že všetky zodpovedajú 1. Newtonovmu zákonu. Až po jeho objavení bolo možné vysvetliť stav pokoja, naznačiť sily pôsobiace v tomto stave na teleso.

Vyhlásenie 1. Newtonovho zákona

V modernej interpretácii vysvetľuje existenciu súradnicových systémov, voči ktorým možno uvažovať o absencii vonkajších síl pôsobiacich na hmotný bod. Z Newtonovho pohľadu sa referenčné systémy nazývajú inerciálne, čo nám umožňuje uvažovať o zachovaní rýchlosti telesa počas dlhého času.

Definície

Aké vzťažné sústavy sú inerciálne? Ich príklady sa študujú v školskom kurze fyziky. Za inerciálne referenčné systémy sa považujú tie, voči ktorým sa hmotný bod pohybuje konštantnou rýchlosťou. Newton objasnil, že každé teleso môže byť v podobnom stave, pokiaľ naň nie je potrebné vyvíjať sily, ktoré môžu takýto stav zmeniť.

V skutočnosti nie je zákon zotrvačnosti splnený vo všetkých prípadoch. Pri analýze príkladov inerciálnych a neinerciálnych referenčných sústav zvážte osobu, ktorá sa drží zábradlia v pohybujúcom sa vozidle. Pri prudkom brzdení vozidla sa človek automaticky pohybuje vzhľadom na vozidlo, a to aj napriek absencii vonkajšej sily.

Ukazuje sa, že nie všetky príklady inerciálnej vzťažnej sústavy zodpovedajú formulácii 1 Newtonovho zákona. Na objasnenie zákona zotrvačnosti bol zavedený revidovaný odkaz, v ktorom je dokonale splnený.

Typy referenčných systémov

Ktoré referenčné systémy sa nazývajú inerciálne? Čoskoro sa to vyjasní. „Uveďte príklady inerciálnych referenčných systémov, v ktorých je splnený 1. Newtonov zákon“ - podobná úloha sa ponúka školákom, ktorí si vybrali fyziku ako skúšku v deviatom ročníku. Na zvládnutie úlohy je potrebné mať predstavu o inerciálnych a neinerciálnych vzťažných sústavách.

Zotrvačnosť zahŕňa zachovanie pokoja alebo rovnomerného priamočiareho pohybu tela, pokiaľ je telo v izolácii. "Izolované" považujú telesá, ktoré nie sú spojené, neinteragujú, sú od seba vzdialené.

Zvážte niekoľko príkladov inerciálnej referenčnej sústavy. Za predpokladu, že hviezda v galaxii ako referenčný rámec, a nie pohybujúci sa autobus, by implementácia zákona zotrvačnosti pre cestujúcich držiacich sa na koľajniciach bola bezchybná.

Počas brzdenia toto vozidlo bude pokračovať rovnomerným priamočiarym pohybom, kým naň nebudú pôsobiť iné telesá.

Aké sú niektoré príklady inerciálnej referenčnej sústavy? Nemali by mať spojenie s analyzovaným telom, ovplyvňovať jeho inertnosť.

Práve pre takéto systémy je splnený 1. Newtonov zákon. IN skutočný život je ťažké uvažovať o pohybe telesa vo vzťahu k inerciálnym referenčným sústavám. Nie je možné dostať sa k vzdialenej hviezde, aby ste z nej mohli vykonávať pozemské experimenty.

Ako podmienené systémy referencie berú Zem, napriek tomu, že je spojená s predmetmi na nej umiestnenými.

Zrýchlenie v inerciálnej vzťažnej sústave je možné vypočítať, ak za vzťažnú sústavu považujeme povrch Zeme. Vo fyzike neexistuje matematický záznam 1. Newtonovho zákona, ale práve on je základom pre odvodenie mnohých fyzikálnych definícií a pojmov.

Príklady inerciálnych vzťažných sústav

Pre školákov je niekedy ťažké pochopiť fyzikálne javy. Žiakom deviateho ročníka sa ponúka úloha s nasledujúcim obsahom: „Aké vzťažné sústavy sa nazývajú inerciálne? Uveďte príklady takýchto systémov. Predpokladajme, že vozík s loptou sa spočiatku pohybuje po rovnom povrchu konštantnou rýchlosťou. Potom sa pohybuje po piesku, v dôsledku čoho sa loptička uvedie do zrýchleného pohybu, napriek tomu, že na ňu nepôsobia žiadne iné sily (ich celkový účinok je nulový).

Podstatu toho, čo sa deje, možno vysvetliť tým, že pri pohybe po pieskovom povrchu systém prestáva byť zotrvačný, má konštantnú rýchlosť. Príklady inerciálnych a neinerciálnych vzťažných sústav naznačujú, že k ich prechodu dochádza v určitom časovom období.

Keď telo zrýchľuje, jeho zrýchlenie má kladnú hodnotu a pri brzdení sa toto číslo stáva záporným.

Krivočiary pohyb

Vo vzťahu k hviezdam a Slnku sa pohyb Zeme uskutočňuje pozdĺž krivočiarej trajektórie, ktorá má tvar elipsy. Táto referenčná sústava, v ktorej je stred zarovnaný so Slnkom a osi sú nasmerované na určité hviezdy, sa bude považovať za inerciálnu.

Všimnite si, že každá referenčná sústava, ktorá sa bude pohybovať po priamke a rovnomerne vzhľadom na heliocentrickú sústavu, je zotrvačná. Krivočiary pohyb vykonaná s určitou rýchlosťou.

Vzhľadom na skutočnosť, že Zem sa pohybuje okolo svojej osi, referenčná sústava, ktorá je spojená s jej povrchom, sa vzhľadom na heliocentrický pohybuje s určitým zrýchlením. V takejto situácii môžeme konštatovať, že vzťažná sústava, ktorá je spojená s povrchom Zeme, sa pohybuje so zrýchlením vzhľadom na heliocentrickú, takže ju nemožno považovať za inerciálnu. Hodnota zrýchlenia takéhoto systému je však taká malá, že v mnohých prípadoch výrazne ovplyvňuje špecifiká mechanických javov, ktoré sú voči nemu uvažované.

Na riešenie praktických problémov technického charakteru je zvykom považovať za inerciálnu vzťažnú sústavu, ktorá je pevne spojená s povrchom Zeme.

Galileo relativity

Všetky inerciálne vzťažné sústavy majú dôležitú vlastnosť, ktorú popisuje princíp relativity. Jeho podstata spočíva v tom, že akýkoľvek mechanický jav za rovnakých počiatočných podmienok sa vykonáva rovnakým spôsobom, bez ohľadu na zvolený referenčný rámec.

Rovnosť ISO podľa princípu relativity je vyjadrená v nasledujúcich ustanoveniach:

• V takýchto systémoch sú rovnaké, takže akákoľvek rovnica, ktorá je nimi popísaná, vyjadrená súradnicami a časom, zostáva nezmenená.
• Výsledky prebiehajúcich mechanických experimentov umožňujú určiť, či bude referenčná sústava v pokoji, alebo či bude vykonávať priamočiary rovnomerný pohyb. Akýkoľvek systém možno podmienečne rozpoznať ako nehybný, ak sa druhý súčasne voči nemu pohybuje určitou rýchlosťou.
• Rovnice mechaniky zostávajú nezmenené vzhľadom na transformácie súradníc v prípade prechodu z jedného systému do druhého. Je možné opísať rovnaký jav v rôznych systémoch, ale ich fyzikálna podstata sa nezmení.

Riešenie problémov

Prvý príklad.

Určte, či ide o inerciálnu vzťažnú sústavu: a) umelý satelit Zem; b) detská atrakcia.

Odpoveď. V prvom prípade nie hovorí sa o inerciálnom referenčnom systéme, keďže satelit sa pohybuje na obežnej dráhe pod vplyvom zemskej gravitácie, preto k pohybu dochádza s určitým zrýchlením.

Druhý príklad.

Systém hlásenia je pevne spojený s výťahom. V akých situáciách sa dá nazvať inerciálnym? Ak výťah: a) spadne; b) pohybuje sa rovnomerne nahor; c) rýchlo stúpa d) rovnomerne nasmerované nadol.

Odpoveď. a) Kedy voľný pád objaví sa zrýchlenie, takže referenčný rámec, ktorý je spojený s výťahom, nebude inerciálny.

b) Pri rovnomernom pohybe výťahu je systém zotrvačný.

c) Pri pohybe s určitým zrýchlením sa referenčná sústava považuje za inerciálnu.

d) Výťah sa pohybuje pomaly, má záporné zrýchlenie, takže referenčnú sústavu nemožno nazvať inerciálnou.

Záver

Počas celej svojej existencie sa ľudstvo snaží pochopiť javy vyskytujúce sa v prírode. Pokusy vysvetliť relativitu pohybu urobil Galileo Galilei. Isaacovi Newtonovi sa podarilo odvodiť zákon zotrvačnosti, ktorý sa začal používať ako hlavný postulát vo výpočtoch v mechanike.

V súčasnosti systém na určovanie polohy tela zahŕňa telo, zariadenie na určenie času, ako aj súradnicový systém. V závislosti od toho, či je teleso pohyblivé alebo stacionárne, je možné charakterizovať polohu určitého objektu v požadovanom časovom úseku.

Kurz všeobecnej fyziky

Úvod.

Fyzika (grécky, z fysis - príroda), veda o prírode, študujúca najjednoduchšie a zároveň naj všeobecné vlastnosti hmotný svet (vzory prírodných javov, vlastnosti a štruktúra hmoty a zákonitosti jej pohybu). Fyzika a jej zákony sú základom všetkých prírodných vied. Fyzika patrí medzi exaktné vedy a študuje kvantitatívne zákonitosti javov. Preto je prirodzene jazykom fyziky matematika.

Hmota môže existovať v dvoch základných formách: hmota a pole. Sú vzájomne prepojené.

Príklady: In ticho – pevné telesá, kvapaliny, plazma, molekuly, atómy, elementárne častice atď.

Lúka- elektromagnetické pole (kvantá (časti) poľa - fotóny);

gravitačné pole (poľné kvantá - gravitóny).

Vzťah medzi hmotou a poľom– anihilácia elektrón-pozitrónového páru.

Fyzika je určite svetonázorová veda a znalosť jej základov áno potrebný prvok akékoľvek vzdelanie, kultúra moderného človeka.

Fyzika má zároveň veľký praktický význam. Práve ona vďačí za drvivú väčšinu technických, informačných a komunikačných výdobytkov ľudstva.

Navyše, v posledných desaťročiach sa metódy fyzikálneho výskumu čoraz viac používajú vo vedách, ktoré sa zdajú byť ďaleko od fyziky, ako je sociológia a ekonómia.

Klasická mechanika.

Mechanika je oblasť fyziky, ktorou sa zaoberáme najjednoduchšia forma pohyb hmoty – pohyb telies v priestore a čase.

Spočiatku základné princípy (zákony) mechaniky ako vedy sformuloval I. Newton vo forme troch zákonov, ktoré dostali jeho meno.

Pomocou vektorovej metódy popisu možno rýchlosť definovať ako deriváciu vektora polomeru bodu alebo telesa a hmotnosť tu pôsobí ako koeficient úmernosti.

1. Keď dve telesá interagujú, každé z nich pôsobí na iné teleso rovnakou silou, ale v opačnom smere.

Tieto zákony vychádzajú zo skúseností. Na nich je založená celá klasická mechanika. Dlho sa verilo, že všetky pozorované javy možno opísať týmito zákonmi. Postupom času sa však hranice ľudských schopností rozšírili a skúsenosti ukázali, že Newtonove zákony nie sú vždy platné a klasická mechanika má v dôsledku toho určité hranice použiteľnosti.

Navyše, o niečo neskôr sa ku klasickej mechanike dostaneme z trochu iného uhla – založenej na zákonoch zachovania, ktoré sú v istom zmysle všeobecnejšie fyzikálne zákony ako Newtonove zákony.

1.2. Hranice použiteľnosti klasickej mechaniky.

Prvé obmedzenie súvisí s rýchlosťami uvažovaných objektov. Skúsenosti ukázali, že Newtonove zákony zostávajú v platnosti len za podmienky , kde je rýchlosť svetla vo vákuu ( ). Pri týchto rýchlostiach sa lineárne stupnice a časové intervaly nemenia pri prechode z jedného referenčného rámca do druhého. Preto priestor a čas sú absolútne v klasickej mechanike.

Takže klasická mechanika popisuje pohyb s nízkymi relatívnymi rýchlosťami, t.j. toto je nerelativistická fyzika. Obmedzenie vysokých rýchlostí je prvým obmedzením aplikácie klasickej newtonovskej mechaniky.

Skúsenosti navyše ukazujú, že aplikácia zákonov newtonovskej mechaniky je nezákonná na opis mikroobjektov: molekúl, atómov, jadier, elementárne častice atď. Počnúc rozmermi

(), adekvátny popis pozorovaných javov podáva iní

zákony - kvantový. Práve tie sa musia použiť, keď charakteristická veličina popisuje systém a má rozmer , porovnateľné s Planckovou konštantou Povedzme, že pre elektrón v atóme máme . Potom sa veličina, ktorá má rozmer momentu hybnosti, rovná: .

Akýkoľvek fyzikálny jav je sled udalostí. udalosťčo sa deje v danom bode priestoru v danom čase sa nazýva.

Ak chcete opísať udalosti, zadajte priestor a čas- kategórie označujúce hlavné formy existencie hmoty. Priestor vyjadruje poradie existencie jednotlivých objektov a čas vyjadruje poradie zmien javov. Priestor a čas musia byť označené. Označovanie sa vykonáva zavedením referenčných telies a referenčných (stupňových) telies.

Referenčné systémy. Inerciálne referenčné systémy.

Na popis pohybu tela alebo použitého modelu - hmotný bod možno použiť vektorovým spôsobom popisy, kedy je poloha pre nás zaujímavého objektu nastavená pomocou rádiusového vektora segment nasmerovaný z referenčného telesa do pre nás zaujímavého bodu, ktorého poloha v priestore sa môže časom meniť. Miesto koncov vektora polomeru sa nazýva trajektórie pohyblivý bod.

2.1. Súradnicové systémy.

Ďalším spôsobom, ako opísať pohyb telesa, je koordinovať, v ktorom je určitý súradnicový systém pevne spojený s referenčným telesom.

V mechanike a vo fyzike všeobecne v rôznych problémoch je vhodné ho použiť rôzne systémy súradnice. Najčastejšie sa používa tzv Kartézsky, cylindrický a guľový súradnicové systémy.

1) Kartézsky súradnicový systém: zadávajú sa tri na seba kolmé osi s určenými mierkami pozdĺž všetkých troch osí (pravítka). Referenčný bod pre všetky osi sa preberá z referenčného telesa. Hranice zmeny každej zo súradníc od do .

Vektor polomeru, ktorý určuje polohu bodu, je definovaný z hľadiska jeho súradníc ako

. (2.1)

Malý objem v karteziánskom systéme:

,

alebo v nekonečne malých prírastkoch:

(2.2)

2) Cylindrický súradnicový systém: Ako premenné sa vyberá vzdialenosť od osi, uhol natočenia od osi x a výška pozdĺž osi od referenčného telesa.

3) Sférický súradnicový systém: zadajte vzdialenosť od referenčného telesa k bodu záujmu a uhly

rotácia a , počítané od osí a , resp.

Vektor polomeru - funkcia premenných

,

limity zmeny súradníc:

Kartézske súradnice súvisia so sférickými vzťahmi

(2.6)

Objemový prvok v sférických súradniciach:

(2.7)

2.2. Referenčný systém.

Na zostrojenie referenčného systému musí byť súradnicový systém pevne spojený s referenčným telesom doplnený hodinami. Hodiny môžu byť umiestnené na rôznych miestach v priestore, preto je potrebné ich synchronizovať. Synchronizácia hodín sa vykonáva pomocou signálov. Nech je čas šírenia signálu od bodu, kde k udalosti došlo, do bodu pozorovania . Potom by naše hodiny mali ukazovať čas v momente, keď sa objaví signál. ak hodiny v mieste udalosti v čase jej vzniku ukazujú čas . Takéto hodiny budeme považovať za synchronizované.

Ak je vzdialenosť od bodu v priestore, kde k udalosti došlo, k bodu pozorovania , a rýchlosť prenosu signálu je , potom . V klasickej mechanike sa predpokladá, že rýchlosť šírenia signálu . Preto sú v celom priestore zavedené jedny hodiny.

Agregátne referenčné telesá, súradnicové systémy a hodiny formulár Referenčný systém(CO).

Existuje nekonečné množstvo referenčných systémov. Skúsenosti ukazujú, že zatiaľ čo rýchlosti sú malé v porovnaní s rýchlosťou svetla , lineárne stupnice a časové intervaly sa nemenia pri prechode z jedného referenčného systému do druhého.

Inými slovami, v klasickej mechanike sú priestor a čas absolútne.

Ak , potom mierky a časové intervaly závisia od výberu RZ, t.j. priestor a čas sa stávajú relatívnymi pojmami. Toto už je oblasť relativistická mechanika.

2.3.Inerciálne vzťažné sústavy(ISO).

Stojíme teda pred výberom referenčného systému, v ktorom by sme mohli riešiť problémy mechaniky (popísať pohyb telies a zistiť príčiny, ktoré ho spôsobujú). Ukazuje sa, že nie všetky referenčné rámce sú rovnaké nielen vo formálnom popise problému, ale čo je dôležitejšie, predstavujú príčiny, ktoré spôsobujú zmenu stavu tela rôznymi spôsobmi.

Referenčný rámec, v ktorom sú zákony mechaniky formulované najjednoduchšie, vám umožňuje stanoviť prvý Newtonov zákon, ktorý predpokladá existenciu inerciálne referenčné sústavy- ISO.

I zákon klasickej mechaniky - Galileov-Newtonov zákon zotrvačnosti.

Existuje taký referenčný systém, v ktorom sa hmotný bod, ak vylúčime jeho interakciu so všetkými ostatnými telesami, bude pohybovať zotrvačnosťou, t.j. udržiavať pokojový stav alebo rovnomerný priamočiary pohyb.

Toto je inerciálna referenčná sústava (ISO).

V ISO je zmena pohybu hmotného bodu (zrýchlenie) spôsobená iba jeho interakciou s inými telesami, ale nezávisí od vlastností samotnej referenčnej sústavy.