Інерційні системи відліку пов'язані з предметами. Інерційні системи відліку

Еквівалентним є наступне формулювання, зручне для використання в теоретичній механіці: «Інерційною називається система відліку, щодо якої простір є однорідним і ізотропним, а час - однорідним». Закони Ньютона, а також всі інші аксіоми динаміки в класичній механіці формулюються по відношенню до інерційних систем відліку.

Термін «інерційна система» (нім. Inertialsystem) був запропонований у 1885 році Людвігом Ланге?!і означав систему координат, в якій справедливі закони Ньютона. За задумом Ланге, цей термін повинен був замінити поняття абсолютного простору, підданого в цей період нищівній критиці. З появою теорії відносності поняття узагальнено до «інерційної системи відліку».

Енциклопедичний YouTube

1 / 3

✪ Інерційні системи відліку. Перший закон Ньютона Фізика 9 клас #10 Інфоурок

✪ Що таке інерційні системи відліку Перший закон Ньютона

✪ Інерційні та неінерційні системи відліку (1)

Субтитри

Властивості інерційних систем відліку

Будь-яка система відліку, що рухається щодо ІСО рівномірно, прямолінійно і без обертання, також є ІСО. Згідно з принципом, всі ІСО рівноправні, і всі закони фізики інваріантні щодо переходу з однієї ІСО в іншу. Це означає, що прояви законів фізики у них виглядають однаково, і записи цих законів мають однакову форму різних ІСО.

Припущення про існування хоча б однієї ІСО в ізотропному просторі призводить до висновку про існування нескінченної множини таких систем, що рухаються одна щодо одної рівномірно, прямолінійно та поступально з різними швидкостями. Якщо ІСО існують, то простір буде однорідним та ізотропним, а час – однорідним; згідно з теоремою Нетер, однорідність простору щодо зрушень дасть закон збереження імпульсу, ізотропність призведе до збереження моменту імпульсу, а однорідність часу - до збереження енергії тіла, що рухається.

Якщо швидкості відносного руху ІСО, що реалізуються дійсними тілами, можуть набувати будь-яких значень, зв'язок між координатами і моментами часу будь-якої «події» в різних ІСО здійснюється перетвореннями Галілея .

Зв'язок із реальними системами відліку

Абсолютно інерційні системи є математичною абстракцією і в природі не існують. Однак існують системи відліку, в яких відносне прискорення досить віддалених один від одного тіл (виміряне за ефектом Доплера) не перевищує 10 −10 м/с², наприклад,

Запитання.

1. Як рухається тіло, якщо на нього не діють інші тіла?

Тіло рухається рівномірно і прямолінійно, або спочиває.

2. Тіло рухається прямолінійно і рівномірно. Чи змінюється його швидкість?

Якщо тіло рухається рівномірно і прямолінійно, його швидкість не змінюється.

3. Які погляди щодо стану спокою та руху тіл існували до початку XVII ст.?

До початку XVII століття панувала теорія Аристотеля, згідно з якою, якщо на нього не виявляється зовнішній вплив, то воно може лежати, а для того, щоб воно рухалося з постійною швидкістю на нього безупинно повинне діяти інше тіло.

4. Чим погляд Галілея, що стосується руху тіл, відрізняється від погляду Аристотеля?

Погляд Галілея, про рух тіл, відрізняється від погляду Аристотеля тим, що тіла можуть рухатися у відсутності зовнішніх сил.

5. Як проводився досвід, зображений на малюнку 19, і які висновки з нього випливають?

Хід досвіду. На візку, що рухається рівномірно і прямолінійно, щодо землі, знаходяться дві кульки. Одна кулька лежить на дні візка, а друга підвішена на нитці. Кульки перебувають у стані спокою щодо візка, тому що сили, що діють на них, врівноважені. При гальмуванні обидві кульки починають рухатися. Вони змінюють свою швидкість щодо візка, хоча на них не діють жодні сили. Висновок: Отже, в системі відліку, пов'язаної з візком, що гальмує, закон інерції не виконується.

6. Як читається перший закон Ньютона? (У сучасному формулюванні)?

Перший закон Ньютона у сучасному формулюванні: існують такі системи відліку, щодо яких тіла зберігають свою швидкість незмінною, якщо на них не діють інші тіла (сили) або дія цих тіл (сил) компенсована (рівно нулю).

7. Які системи відліку називаються інерційними, а які – неінерційними?

Системи відліку, у яких виконується закон інерції називаються інерційними, а яких не виконується - неінерційними.

Так можна. Це випливає із визначення інерційних систем відліку.

9. Чи інерційна система відліку, що рухається з прискоренням щодо будь-якої інерційної системи?

Ні, не інерційна.

Вправи.

1. На столі, в поїзді, що рівномірно і прямолінійно рухається, стоїть легкорухливий іграшковий автомобіль. При гальмуванні поїзда автомобіль без жодної зовнішньої дії покотився вперед, зберігаючи свою швидкість щодо землі.
Чи виконується закон інерції: а) у системі відліку, пов'язаної із землею; б) у системі відліку, пов'язаної з поїздом, під час його прямолінійного та рівномірного руху? Під час гальмування?
Чи можна в цьому випадку вважати інерційною систему відліку, пов'язану із землею? з поїздом?

а) Так, закон інерції виконується завжди, т.к. машинка продовжила рух щодо Землі; б) У разі рівномірного та прямолінійного руху поїзда закон інерції виконується (машинка нерухома), а при гальмуванні немає. Земля завжди є інерційною системою відліку, а поїзд лише за рівномірному і прямолінійному русі.

Пропонуємо до вашої уваги відеоурок, присвячений темі «Інерційні системи відліку. Перший закон Ньютона», яка входить до шкільного курсу фізики за 9 клас. На початку заняття викладач нагадає про важливість обраної системи відліку. А потім розповість про правильність та особливості обраної системи відліку, а також пояснить термін «інерція».

На попередньому уроці ми говорили про важливість вибору системи відліку. Нагадаємо, що від того, як ми оберемо СО, залежатимуть траєкторія, пройдений шлях, швидкість. Є ще низка особливостей, пов'язаних із вибором системи відліку, саме про них і поговоримо.

Рис. 1. Залежність траєкторії падіння вантажу від вибору системи відліку

У сьомому класі ви вивчали поняття «інерція» та «інертність».

Інерція – це явище, при якому тіло прагне зберегти свій первісний стан. Якщо тіло рухалося, воно має прагнути до того, щоб зберігати швидкість цього руху. А якщо воно спочивало, то прагнутиме зберегти свій стан спокою.

Інертність – це властивістьтіла зберігатиме стан руху.Властивість інертності характеризується такою величиною, як маса. Маса – міра інертності тіла. Чим тіло важче, тим його важче зрушити з місця або навпаки зупинити.

Зверніть увагу на те, що ці поняття мають безпосереднє відношення до поняття. інерційна система відліку»(ІСО), про яку йтиметься нижче.

Розглянемо рух тіла (чи стан спокою) у разі, якщо тіло не діють інші тіла. Висновок про те, як поводитиметься тіло без дії інших тіл, вперше було запропоновано Рене Декартом (рис. 2) і продовжено в дослідах Галілея (рис. 3).

Рис. 2. Рене Декарт

Рис. 3. Галілео Галілей

Якщо тіло рухається і на нього не діють інші тіла, то рух зберігатиметься, воно залишатиметься прямолінійним і рівномірним. Якщо ж на тіло не діють інші тіла, а тіло спочиває, то зберігатиметься стан спокою. Але відомо, що стан спокою пов'язаний із системою відліку: в одній СО тіло спочиває, а в іншій цілком успішно і прискорено рухається. Результати дослідів і міркувань призводять до висновку про те, що не у всіх системах відліку тіло рухатиметься прямолінійно і рівномірно або перебуватиме у стані спокою за відсутності дії на нього інших тіл.

Отже, для вирішення головного завдання механіки важливо вибрати таку систему звіту, де все-таки виконується закон інерції, де зрозуміла причина, що спричинила зміну руху тіла. Якщо тіло рухатиметься прямолінійно і рівномірно у відсутності дії інших тіл, така система відліку буде для нас кращою, а називатися вона буде інерційною системою відліку(ІСО).

Погляд Аристотеля на причину руху

Інерційна система відліку – це зручна модель для опису руху тіла та причин, які викликають такий рух. Вперше це поняття виникло завдяки Ісааку Ньютону (рис. 5).

Рис. 5. Ісаак Ньютон (1643-1727)

Стародавні греки уявляли собі рух зовсім інакше. Ми познайомимося з арістотелівською точкою зору на рух (рис. 6).

Рис. 6. Арістотель

Згідно з Аристотелем, існує єдина інерційна система відліку - система відліку, пов'язана із Землею. Всі інші системи відліку, за Арістотелем, другорядні. Відповідно, всі рухи можна розбити на два види: 1) природні, тобто ті, що повідомляє Земля; 2) вимушені, тобто решта.

Найпростіший приклад природного руху - це вільне падіння тіла Землю, оскільки Земля у разі повідомляє тілу швидкість.

Розглянемо приклад примусового руху. Це ситуація, коли кінь тягне віз. Поки кінь докладає силу, віз рухається (рис. 7). Як тільки кінь зупинився, зупинився і віз. Немає сили – немає швидкості. Згідно з Аристотелем, саме сила пояснює у тіла наявність швидкості.

Рис. 7. Примусовий рух

Досі деякі люди вважають справедливою точку зору Аристотеля. Наприклад, полковник Фрідріх Краус фон Циллергут з «Пригоди бравого солдата Швейка під час світової війни» намагався проілюструвати принцип «Немає сили – немає швидкості»: «Коли весь бензин вийшов, – казав полковник, – автомобіль змушений був зупинитися. Це я сам учора бачив. І після цього ще говорять про інерцію, панове. Не їде, стоїть, з місця не рушає. Нема бензину! Чи не смішно?»

Як і в сучасному шоу-бізнесі, там, де є шанувальники, завжди знайдуться і критики. З'являлися критики і в Аристотеля. Вони пропонували йому зробити наступний експеримент: відпустіть тіло, і воно впаде точно під тим місцем, де ми його відпустили. Наведемо приклад критики теорії Аристотеля, аналогічний прикладам його сучасників. Уявіть, що літак, що летить, викидає бомбу (рис. 8). Чи бомба впаде рівно під тим місцем, де ми її відпустили?

Рис. 8. Ілюстрація наприклад

Звичайно ж ні. Але це природний рух - рух, яке повідомила Земля. Тоді що змушує цю бомбу переміщатися ще й уперед? Аристотель відповідав так: справа в тому, що природний рух, який повідомляє Земля, - це падіння строго вниз. Але під час руху повітря бомба захоплюється його завихреннями, і це завихрення хіба що штовхають бомбу вперед.

Що ж буде, якщо повітря прибрати та створити вакуум? Адже якщо повітря не буде, то, згідно з Аристотелем, бомба має впасти строго під тим місцем, де її покинули. Аристотель стверджував, якщо повітря не буде, то така ситуація можлива, але насправді в природі не буває порожнечі, вакууму немає. А якщо немає вакууму – немає й проблеми.

І лише Галілео Галілей сформулював принцип інерції у тому вигляді, до якого ми звикли. Причина зміни швидкості - це на тіло інших тіл. Якщо на тіло не діють інші тіла або ця дія компенсована, то швидкість тіла змінюватися не буде.

Можна провести такі міркування щодо інерційної системи відліку. Уявіть ситуацію, коли рухається автомобіль, потім водій вимикає двигун і далі автомобіль рухається за інерцією (рис. 9). Але це некоректне твердження з тієї простої причини, що з часом автомобіль зупиниться внаслідок дії сили тертя. Тому в даному випадку не буде рівномірного руху – жодна з умов відсутня.

Рис. 9. Швидкість автомобіля змінюється внаслідок дії сили тертя

Розглянемо інший випадок: з постійною швидкістю рухається великий, великий трактор при цьому він тягне великий вантаж ковшем. Такий рух можна розглядати як прямолінійний і рівномірний, тому що в цьому випадку всі сили, які діють на тіло, компенсовані, врівноважують одна одну (рис. 10). Отже, систему відліку, пов'язану з цим тілом, ми можемо вважати інерційною.

Рис. 10. Трактор рухається рівномірно та прямолінійно. Дія всіх тіл компенсована

Інерційних систем відліку може бути дуже багато. Реально така система відліку все-таки ідеалізована, оскільки при найближчому розгляді таких систем відліку в повному розумінні немає. ISO - це якась ідеалізація, яка дозволяє ефективно моделювати реальні фізичні процеси.

Для інерційних систем відліку справедлива формула складання швидкостей Галілея. Також зауважимо, що всі системи відліку, про які ми говорили до цього, можна вважати інерційними у деякому наближенні.

Вперше сформулював закон, присвячений ISO, Ісаак Ньютон. Заслуга Ньютона полягає в тому, що він перший науково показав, що швидкість тіла, що рухається, змінюється не миттєво, а в результаті якоїсь дії з плином часу. Ось цей факт і ліг в основу створення закону, який ми називаємо першим законом Ньютона.

Перший закон Ньютона : існують такі системи відліку, в яких тіло рухається прямолінійно і рівномірно або перебуває у стані спокою в тому випадку, якщо на тіло не діють сили або всі сили, що діють на тіло, компенсовані. Такі системи відліку називаються інерційними.

Інакше іноді говорять так: інерційною системою відліку називається така система, в якій виконуються закони Ньютона.

Чому Земля – неінерційна СО. Маятник Фуко

У великій кількості завдань необхідно розглядати рух тіла щодо Землі, причому Землю ми вважаємо інерційною системою відліку. Виявляється, це твердження не завжди є справедливим. Якщо розглядати рух Землі щодо своєї осі чи зірок, це рух відбувається з деяким прискоренням. СО, яка рухається з певним прискоренням неспроможна вважатися інерційною у сенсі.

Земля обертається навколо своєї осі, а значить усі точки, що лежать на її поверхні, безперервно змінюють напрямок своєї швидкості. Швидкість – векторна величина. Якщо її напрямок змінюється, з'являється деяке прискорення. Отже, Земля може бути правильної ИСО. Якщо підрахувати це прискорення для точок, що знаходяться на екваторі (точки, які мають максимальне прискорення щодо точок, що знаходяться ближче до полюсів), то його значення буде . Індекс показує, що прискорення є доцентровим. У порівнянні з прискоренням вільного падіння прискоренням можна знехтувати і вважати Землю інерційною системою відліку.

Проте за тривалих спостереженнях забувати про обертанні Землі не можна. Переконливо це засвідчив французький вчений Жан Бернар Леон Фуко (рис. 11).

Рис. 11. Жан Бернар Леон Фуко (1819-1868)

Маятник Фуко(рис. 12) - це масивний вантаж, що підвішений на дуже довгій нитці.

Рис. 12. Модель маятника Фуко

Якщо маятник Фуко вивести зі стану рівноваги, він описуватиме наступну траєкторію відмінну від прямої (рис. 13). Усунення маятника обумовлено обертанням Землі.

Рис. 13. Коливання маятника Фуко. Вид зверху.

Повертанням Землі обумовлено ще низку цікавих фактів. Наприклад, у річках північної півкулі, як правило, правий берег крутіший, а лівий берег більш пологий. У річках південної півкулі – навпаки. Все це обумовлено саме обертанням Землі і сили Коріоліса, що з'являється в результаті цього.

До питання про формулювання першого закону Ньютона

Перший закон Ньютона: якщо на тіло не діють ніякі тіла або їхня дія взаємно врівноважена (компенсована), то це тіло перебуватиме в стані спокою або рухатиметься рівномірно та прямолінійно.

Розглянемо ситуацію, яка вкаже нам на те, що таке формулювання першого закону Ньютона необхідно підкоригувати. Уявіть собі поїзд із завішеними вікнами. У такому поїзді пасажир не може визначити, чи рухається поїзд по об'єктах зовні. Розглянемо дві системи відліку: ЗІ, пов'язана з пасажиром Володей та ЗІ, пов'язана із спостерігачем на платформі Катей. Потяг починає розганятися, швидкість його зростає. Що станеться із яблуком, яке лежить на столі? Воно за інерцією покотиться у протилежний бік. Для Каті буде очевидним, що яблуко рухається за інерцією, але для Володі це буде незрозуміло. Він не бачить, що поїзд почав рухатися, і раптом яблуко, що лежить на столі, починає на нього котитися. Як таке може бути? Адже, за першим законом Ньютона, яблуко має залишатися у стані спокою. Отже, слід удосконалити визначення першого закону Ньютона.

Рис. 14. Ілюстрація прикладу

Коректне формулювання першого закону Ньютоназвучить так: існують такі системи відліку, в яких тіло рухається прямолінійно і рівномірно або перебуває у стані спокою в тому випадку, якщо на тіло не діють сили або всі сили, що діють тіло, компенсовані.

Володя знаходиться у неінерційній системі відліку, а Катя – в інерційній.

Більшість систем, реальних систем відліку - неінерційні. Розглянемо простий приклад: сидячи в поїзді, ви поклали на стіл якесь тіло (наприклад, яблуко). Коли поїзд рушає з місця, ми спостерігатимемо таку цікаву картину: яблуко рухатиметься, покотиться в протилежний рух поїзда (рис. 15). В даному випадку ми не зможемо визначити, які тіла діють, змушують яблуко рухатися. І тут кажуть, що система неінерційна. Але можна вийти зі становища, ввівши силу інерції.

Рис. 15. Приклад неінерційної ЗІ

Ще один приклад: коли тіло рухається по закругленню дороги (рис. 16), виникає сила, яка змушує відхилятися тіло від прямолінійного напрямку руху. У цьому випадку ми теж маємо розглянути неінерційну систему відлікуАле, як і в попередньому випадку, теж можемо вийти зі становища, вводячи т.з. сили інерції.

Рис. 16. Сили інерції під час руху по закругленій траєкторії

Висновок

Систем відліку існує безліч, але серед них більшість - це ті, які ми інерційними системами відліку вважати не можемо. Інерційна система відліку – це ідеалізована модель. До речі, такою системою відліку ми можемо прийняти систему відліку, пов'язану із Землею чи будь-якими далекими об'єктами (наприклад, із зірками).

Список літератури

Кікоїн І.К., Кікоїн А.К. Фізика: Підручник для 9 класу середньої школи. - М: Просвітництво.
Перишкін А.В., Гутник О.М. фізика. 9 кл.: Підручник для загальноосвіт. установ/А. В. Перишкін, Є. М. Гутник. - 14-те вид., стереотип. – М.: Дрофа, 2009. – 300.
Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Фізика: Довідник із прикладами розв'язання задач. - 2-ге видання, переділ. – X.: Веста: Видавництво «Ранок», 2005. – 464 с.

Інтернет-портал «physics.ru» ()
Інтернет-портал «ens.tpu.ru» ()
Інтернет-портал «prosto-o-slognom.ru» ()

Домашнє завдання

Сформулюйте визначення інерційної та неінерційної систем відліку. Наведіть приклади таких систем.
Сформулюйте перший закон Ньютона.
В ІСО тіло перебуває у стані спокою. Визначте, чому значення його швидкості в ІСО, яка рухається щодо першої системи відліку зі швидкістю v?

Інерційна система відліку

Інерційна система відліку(ІСО) - система відліку, в якій справедливий перший закон Ньютона (закон інерції): всі вільні тіла (тобто такі, на які не діють зовнішні сили або дія цих сил компенсується) рухаються прямолінійно і рівномірно або спочивають. Еквівалентним є наступне формулювання, зручне для використання в теоретичній механіці:

Властивості інерційних систем відліку

Будь-яка система відліку, що рухається щодо ІСО рівномірно і прямолінійно, також є ІСО. Відповідно до принципу відносності, всі ІСО рівноправні, і всі закони фізики інваріантні щодо переходу з однієї ІСО до іншої. Це означає, що прояви законів фізики у них виглядають однаково, і записи цих законів мають однакову форму різних ІСО.

Припущення про існування хоча б однієї ІСО в ізотропному просторі призводить до висновку про існування нескінченної множини таких систем, що рухаються одна щодо одної з постійними швидкостями. Якщо ІСО існують, то простір буде однорідним та ізотропним, а час – однорідним; Відповідно до теореми Нетер, однорідність простору щодо зрушень дасть закон збереження імпульсу, ізотропність призведе до збереження моменту імпульсу, а однорідність часу - до збереження енергії тіла, що рухається.

Якщо швидкості відносного руху ІСО, що реалізуються дійсними тілами, можуть набувати будь-яких значень, зв'язок між координатами та моментами часу будь-якої «події» в різних ІСО здійснюється перетвореннями Галілея .

Зв'язок із реальними системами відліку

Абсолютно інерційні системи є математичну абстракцію, природно, в природі не існуючу. Однак існують системи відліку, в яких відносне прискорення досить віддалених один від одного тіл (виміряне за ефектом Доплера) не перевищує 10 -10 м/с², наприклад, Міжнародна небесна система координат у поєднанні з Барицентричним динамічним часом дають систему, відносні прискорення в якій не перевищують 1,5·10 −10 м/с² (на рівні 1σ). Точність експериментів з аналізу часу приходу імпульсів від пульсарів, а невдовзі - і астрометричних вимірів, така, що найближчим часом має бути виміряно прискорення Сонячної системи під час її руху в гравітаційному полі Галактики, що оцінюється в м/с².

З різним ступенем точності і в залежності від галузі використання інерційними системами можна вважати системи відліку, пов'язані з: Землею, Сонцем, нерухомі щодо зірок.

Геоцентрична інерційна система координат

Застосування Землі як ІСО, незважаючи на наближений його характер, широко поширене в навігації. Інерційна система координат, як частина ISO будується за наступним алгоритмом. Як точка O-початку координат вибирається центр землі відповідно до прийнятої її моделлю. Вісь z – збігається з віссю обертання землі. Осі x та y знаходяться в екваторіальній площині. Слід зазначити, що така система бере участь у обертанні Землі.

Примітки

Див. також

Wikimedia Foundation. 2010 .

Дивитись що таке "Інерційна система відліку" в інших словниках:

Система відліку, в якій справедливий закон інерції: матер. точка, коли на неї не діють жодні сили (або діють сили взаємно врівноважені), перебуває у стані спокою чи рівномірного прямолінійного руху. Будь-яка система відліку, … Фізична енциклопедія

ІНЕРЦІАЛЬНА Система ВІДЛІКУ, дивись Система відліку … Сучасна енциклопедія

Інерційна система відліку- ІНЕРЦІАЛЬНА СИСТЕМА ВІДЛІКУ, дивись Система відліку. … Ілюстрований енциклопедичний словник

інерційна система відліку- inercinė atskaitos sistema statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. Galilean frame of reference; inertial reference system vok. inertiales Bezugssystem, n; Inertialsystem, n; Trägheitssystem, n rus. інерційна система відліку, f pranc.… … Fizikos terminų žodynas

Система відліку, у якій справедливий закон інерції: матеріальна точка, коли її не діють жодні сили (чи діють сили взаємно врівноважені), перебуває у стані спокою чи рівномірного прямолінійного руху. Будь-яка… … Велика Радянська Енциклопедія

Система відліку, в якій справедливий закон інерції, тобто тіло, вільне від впливів з боку ін. тіл, зберігає незмінною свою швидкість (за абс. значення і за напрямом). І. с. о. є така (і тільки така) система відліку, до раю. Великий енциклопедичний політехнічний словник

Система відліку, в якій справедливий закон інерції: матеріальна точка, на яку не діють жодні сили, знаходиться в стані спокою або рівномірного прямолінійного руху Будь-яка система відліку, що рухається щодо І. с. о. поступально … Природознавство. Енциклопедичний словник

інерційна система відліку- Система відліку, по відношенню до якої ізольована матеріальна точка перебуває в спокої або рухається прямолінійно та рівномірно. Політехнічний термінологічний тлумачний словник

Система відліку, у якій справедливий закон інерції: матеріальна точка, яку не діють жодні сили, перебуває у стані спокою чи рівномірного прямолінійного руху. Будь-яка система відліку, що рухається щодо інерційної… Енциклопедичний словник

Система відліку інерційна- система відліку, в якій справедливий закон інерції: матеріальна точка, коли на неї не діють жодні сили (або діють сили взаємно врівноважені), перебуває у стані спокою чи рівномірного прямолінійного руху. Будь-яка система… … Концепція сучасного природознавства. Словник основних термінів

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

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

Інерційні та неінерційні системи відліку

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

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

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

Рух у неінерційних системах відліку

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

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

Земля як система відліку

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

Маятник Фуко

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

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

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

Властивості неінерційної системи відліку

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

Сила інерції

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

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

Рух у ліфті

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

Відцентрові сили

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

Сила Коріоліса

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

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

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

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

Інерційні системи відліку та теорія відносності

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

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

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

Неінерційні системи відліку як невдалий спосіб пояснення парадоксу близнюків

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

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

Висновок

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