Исо что это физика

Инерциальная система отсчёта

Инерциальной называется система отсчёта, по отношению к которой пространство является однородным и изотропным, а время — однородным.

Содержание

Свойства инерциальных систем отсчёта

Всякая система отсчёта, движущаяся относительно ИСО равномерно и прямолинейно, также является ИСО. Согласно принципу относительности, все ИСО равноправны, и все законы физики инвариантны относительно перехода из одной ИСО в другую. Это значит, что проявления законов физики в них выглядят одинаково, и записи этих законов имеют одинаковую форму в разных ИСО.

Предположение о существовании хотя бы одной ИСО в изотропном пространстве приводит к выводу о существовании бесконечного множества таких систем, движущихся друг относительно друга со всевозможными постоянными скоростями. Если ИСО существуют, то пространство будет однородным и изотропным, а время — однородным; согласно теореме Нётер, однородность пространства относительно сдвигов даст закон сохранения импульса, изотропность приведёт к сохранению момента импульса, а однородность времени — к сохранению энергии движущегося тела.

Если скорости относительного движения ИСО, реализуемых действительными телами, могут принимать любые значения, связь между координатами и моментами времени любого «события» в разных ИСО осуществляется преобразованиями Галилея.

В специальной теории относительности скорости относительного движения ИСО, реализуемых действительными телами, не могут превышать некоторой конечной скорости «C» (скорость распространения света в вакууме) и связь между координатами и моментами времени любого «события» в разных ИСО осуществляется преобразованиями Лоренца.

Связь с реальными системами отсчёта

С разной степенью точности и в зависимости от области использования инерциальными системами можно считать системы отсчёта, связанные с: Землёй, Солнцем, неподвижные относительно звезд.

Геоцентрическая инерциальная система координат

Исо что это физика. Смотреть фото Исо что это физика. Смотреть картинку Исо что это физика. Картинка про Исо что это физика. Фото Исо что это физика

Исо что это физика. Смотреть фото Исо что это физика. Смотреть картинку Исо что это физика. Картинка про Исо что это физика. Фото Исо что это физика

Применение Земли в качестве ИСО, несмотря на приближённый его характер, широко распространено в навигации. Инерциальная система координат, как часть ИСО строится по следующему алгоритму. В качестве точки O- начала координат выбирается центр земли в соответствии с принятой её моделью. Ось z – совпадает с осью вращения земли. Оси x и y находятся в экваториальной плоскости. Следует заметить, что такая система не участвует во вращении Земли.

Источник

Инерциальные системы отсчета.

Инерциальными системами отсчета называют такие системы, относительно которых все тела, не испытывающие действия сил, движутся равномерно и прямолинейно.

Если какая-либо система отсчета движется относительно инерциальной системы поступательно, но не прямолинейно и равномерно, а с ускорением или же вращаясь, то такая система не может быть инерциальной и закон инерции в ней не выполняется.

Во всех инерциальных системах отсчета все механические и физические процессы протекают совершенно одинаково (при одинаковых условиях).

Согласно принципу относительности, все инерциальные системы отсчета равноправны и все проявления законов физики в них выглядят одинаково, а записи этих законов в разных инерциальных системах отсчета имеют одинаковую форму.

Если в изотропном пространстве существует хотя бы одна инерциальная система отсчета, приходим к выводу, что существует бесконечное множество таких систем, движущихся друг относительно друга поступательно, равномерно и прямолинейно. Если инерциальные системы отсчета существуют, то пространство однородно и изотропно, а время – однородно.

Законы Ньютона и другие законы динамики выполняются только в инерциальных системах отсчета.

Рассмотрим пример инерциальной и неинерциальной систем. Возьмем тележку, на которой находятся два шарика. Один из них лежит на горизонтальной поверхности, а другой подвешен на нити. Сначала тележка движется относительно Земли прямолинейно и равномерно (а). Силы, действующие на каждый шарик по вертикали, уравновешены, а по горизонтали на шарики никакие силы не действуют (силу сопротивления воздуха можно проигнорировать).

Исо что это физика. Смотреть фото Исо что это физика. Смотреть картинку Исо что это физика. Картинка про Исо что это физика. Фото Исо что это физика

При любой скорости движения тележки относительно земли (υ1, υ2, υ3 и т.д.) шарики будут находиться в покое относительно тележки, главное, чтобы скорость была постоянной.

Однако, когда тележка наедет на песчаную насыпь (б), ее скорость начнет быстро уменьшаться, в результате чего тележка остановится. Во время торможения тележки оба шарика придут в движение – изменят свою скорость относительно тележки, хотя их никакие силы не толкают.

В этом примере первой (условно неподвижной) системой отсчета является Земля. Вторая система отсчета, движущаяся относительно первой – тележка. Пока тележка двигалась равномерно и прямолинейно, шарики находились в покое относительно тележки, т. е. выполнялся закон инерции. Как только тележка стала тормозить, т. е. начала двигаться с ускорением относительно инерциальной (первой) системы отсчета, закон инерции перестал выполняться.

Строго инерциальной системы отсчета нет. Реальная система отсчета всегда связывается с каким-нибудь конкретным телом, по отношению к которому изучается различных объектов. Все реальные тела движутся с каким-либо ускорением, следовательно любая реальная система отсчета может рассматриваться в качестве инерциальной лишь приближенно.

Инерциальной системой с очень высокой степенью точности считается гелиоцентрическая система, связанная с центром Солнца и координатными осями, направленными на три далекие звезды. Эту систему используют в задачах небесной механики и космонавтики. В большинстве технических задач инерциальной системой отсчета считают любую систему, жестко связанную с землей (или любым телом, которое покоится или движется прямолинейно и равномерно относительно поверхности Земли).

Источник

Содержание:

Инерциальные системы отсчета:

Вы уже знаете, что движение и покой относительны. Если относительно одной системы тело находится в состоянии покоя, то относительно других систем отсчета тело может двигаться. Рассмотрим, например, шайбу, лежащую на ледовой площадке. Шайба находится в покое относительно льда (Земли), потому что влияние на нее Земли компенсируется влиянием льда. Но для хоккеиста, движущегося мимо шайбы прямолинейно и равномерно, она движется прямолинейно и равномерно в противоположную сторону. Таким образом, одно и то же тело (шайба) относительно одной системы отсчета (связанной с Землей) находится в покое, относительно другой (связанной с хоккеистом) движется прямолинейно и равномерно. Но хоккеист ударил по шайбе клюшкой (рис. 276).

Исо что это физика. Смотреть фото Исо что это физика. Смотреть картинку Исо что это физика. Картинка про Исо что это физика. Фото Исо что это физика

В итоге очень непродолжительного действия клюшки шайба начинает двигаться, приобретая некоторую скорость. Интересно, что после удара, когда действие клюшки на шайбу уже прекратилось, шайба продолжает движение. Тем временем после удара влияние на шайбу других тел осталось таким же, как и до удара: как и раньше, действие Земли компенсируется действием льда, а клюшка, как и до удара, никакого влияния на движение шайбы не оказывает. Шайба после удара движется по прямой линии с почти постоянной скоростью, сообщенной ей в момент удара. Но шайба в конце концов остановится, хотя из опыта известно: чем более гладкими будут лед и шайба, тем более длительным будет движение шайбы. Поэтому можно догадаться, что если совсем устранить действие льда на подвижную шайбу (это действие называют трением), то шайба продолжала бы двигаться относительно Земли с постоянной скоростью без остановки.

Этот пример и много других, подобных ему, является проявлением одного из основных законов механики, который называют первым законом движения, или первым законом Ньютона.

Инерциальные системы отсчета

Существуют такие инерциальные системы отсчета, относительно которых тело, движущееся поступательно, сохраняет свою скорость постоянной, если на него не действуют другие тела (или действие других тел уравновешено).

Само явление сохранения скорости движения тела (в частности, состояние покоя) при компенсации внешних действий на тело называют инерцией. Поэтому первый закон Ньютона часто называют законом инерции. Повседневное выражение «движение по инерции» и означает движение тела с постоянной скоростью, когда действие других тел уравновешено.

В первом законе Ньютона речь идет о равномерном прямолинейном движении. Движение мы можем рассматривать только в какой-либо системе отсчета. Возникают вопросы: в какой же системе отсчета выполняется первый закон? Можно ли считать, что он выполняется в любой системе отсчета? Закон инерции выполняется не во всех системах отсчета.

Возникает вопрос: существуют ли строго инерциальные системы? Ньютон, формулируя закон инерции и включая его в основные законы динамики, утверждал этим, что такие системы отсчета в природе существуют. В действительности, если в природе имеет место закон инерции, то должна существовать и такая система отсчета, где он выполняется абсолютно строго, то есть инерциальная система отсчета. А если существует хотя бы одна такая система, то из этого следует, что их есть бесчисленное количество, потому что всякая система отсчета, движущаяся равномерно и прямолинейно относительно инерциальной, будет также инерциальной.

Поскольку сила одна и та же, то какая-то величина должна быть одинакова для всех тел, которые ускоряются этой силой. На опыте и выясним, что это за величина.

Опыт. К тележке, масса которой известна (т), прикрепим один конец пружины, а второй ее конец прикрепим к нити с грузом, переброшенной через блок (рис. 277, а). Вследствие притягивания к Земле груз движется вниз и растягивает пружину. Она, растянутая на определенную длину Д(, действует силой упругости на тележку и сообщает ему ускорение. Это ускорение можно измерить, например, оно равно а.
Исо что это физика. Смотреть фото Исо что это физика. Смотреть картинку Исо что это физика. Картинка про Исо что это физика. Фото Исо что это физика

Это дало Ньютону основание утверждать, что сила определяется произведением массы тела и его ускорения, и сформулировать важнейший закон механики, который назвали вторым законом Ньютона.

Сила, действующая на тело, определяется произведением массы тела и его ускорения, предоставленного этой силой.

Формулу, выражающую второй закон Ньютона, следует записывать в таком виде: Исо что это физика. Смотреть фото Исо что это физика. Смотреть картинку Исо что это физика. Картинка про Исо что это физика. Фото Исо что это физикаИз этой формулы можно получить выражение для

ускорения движения тела Исо что это физика. Смотреть фото Исо что это физика. Смотреть картинку Исо что это физика. Картинка про Исо что это физика. Фото Исо что это физикаиз которого видно, что ускорение тела

всегда направлено так же, как и сила, вызывающая его.

Ускорение движения тела прямо пропорционально силе, приложенной к нему, и обратно пропорционально массе тела и направлено в сторону действия силы.
Следует заметить, что второй закон Ньютона, как и первый, выполняется лишь для материальных точек. В случае действия сил на протяженное тело второй закон описывает ускорение не всего тела, а только его центра масс. При поступательном движении тела все его точки имеют одинаковые ускорения. Второй закон выполняется для всех точек.

Силы, с которыми какие-либо два тела действуют друг на друга, всегда равны по модулю и противоположны по направлению.

Исо что это физика. Смотреть фото Исо что это физика. Смотреть картинку Исо что это физика. Картинка про Исо что это физика. Фото Исо что это физика

Пусть, например, на столе лежит тело (рис. 278).

С какой силой оно действует на стол Исо что это физика. Смотреть фото Исо что это физика. Смотреть картинку Исо что это физика. Картинка про Исо что это физика. Фото Исо что это физика, с такой же по значению силой стол действует на тело N. Математически это записывают так: Исо что это физика. Смотреть фото Исо что это физика. Смотреть картинку Исо что это физика. Картинка про Исо что это физика. Фото Исо что это физикаЗнак «-» указывает на противоположность действия этих сил.

Третий закон Ньютона выполняется для подвижных тел

Однако равенство сил не всегда обусловлено третьим законом. Следует различать силы взаимодействия, приложенные к разным взаимодействующим телам, и так называемые равнодействующие силы, которые действуют на одно тело. Силы взаимодействия подчиняются третьему закону Ньютона, а силы, действующие на одно тело, подчиняются второму закону. Чтобы разобраться в этом подробнее, рассмотрим пример.

На поверхности Земли лежит тело (рис. 279). На тело действует сила Исо что это физика. Смотреть фото Исо что это физика. Смотреть картинку Исо что это физика. Картинка про Исо что это физика. Фото Исо что это физика, с которой его притягивает Земля. Но по третьему закону Ньютона и тело притягивает к себе Землю с такой же по значению, но противоположно направленной силой Исо что это физика. Смотреть фото Исо что это физика. Смотреть картинку Исо что это физика. Картинка про Исо что это физика. Фото Исо что это физикаСледовательно, Исо что это физика. Смотреть фото Исо что это физика. Смотреть картинку Исо что это физика. Картинка про Исо что это физика. Фото Исо что это физикапо третьему закону Ньютона.

Исо что это физика. Смотреть фото Исо что это физика. Смотреть картинку Исо что это физика. Картинка про Исо что это физика. Фото Исо что это физика

Кроме гравитационного взаимодействия Земли и тела, между ними существует еще и упругое: с какой силой тело действует на Землю, с такой же силой и Земля действует на тело, то естьИсо что это физика. Смотреть фото Исо что это физика. Смотреть картинку Исо что это физика. Картинка про Исо что это физика. Фото Исо что это физикапо третьему закону Ньютона.

Таким образом, на тело действуют две силы: mg и N. Для этих сил, поскольку они приложены к одному телу, можно записать второй закон Ньютона:

Исо что это физика. Смотреть фото Исо что это физика. Смотреть картинку Исо что это физика. Картинка про Исо что это физика. Фото Исо что это физика

Тело находится в покое, то есть Исо что это физика. Смотреть фото Исо что это физика. Смотреть картинку Исо что это физика. Картинка про Исо что это физика. Фото Исо что это физикаПоэтому Исо что это физика. Смотреть фото Исо что это физика. Смотреть картинку Исо что это физика. Картинка про Исо что это физика. Фото Исо что это физикаЭто равенство сил доказано на основе второго закона Ньютона. На Землю также действуют две силы: Исо что это физика. Смотреть фото Исо что это физика. Смотреть картинку Исо что это физика. Картинка про Исо что это физика. Фото Исо что это физикаОни уравновешены, то есть Исо что это физика. Смотреть фото Исо что это физика. Смотреть картинку Исо что это физика. Картинка про Исо что это физика. Фото Исо что это физикаЭто равенство так же является следствием применения второго закона.

Пример задачи с решением

Велосипедист движется со скоростью 5 м/с. С какой скоростью двигался пешеход, вышедший из того же места на 1 час раньше, если велосипедист догнал его через 30 мин после начала своего движения?

Дано:

Исо что это физика. Смотреть фото Исо что это физика. Смотреть картинку Исо что это физика. Картинка про Исо что это физика. Фото Исо что это физика

Исо что это физика. Смотреть фото Исо что это физика. Смотреть картинку Исо что это физика. Картинка про Исо что это физика. Фото Исо что это физика

Решение:

Велосипедист и пешеход преодолели одинаковое расстояние, следовательно: Исо что это физика. Смотреть фото Исо что это физика. Смотреть картинку Исо что это физика. Картинка про Исо что это физика. Фото Исо что это физика

сюда: Исо что это физика. Смотреть фото Исо что это физика. Смотреть картинку Исо что это физика. Картинка про Исо что это физика. Фото Исо что это физика

Подставим значение известных величин и по-

лучим: иИсо что это физика. Смотреть фото Исо что это физика. Смотреть картинку Исо что это физика. Картинка про Исо что это физика. Фото Исо что это физика
Ответ: Исо что это физика. Смотреть фото Исо что это физика. Смотреть картинку Исо что это физика. Картинка про Исо что это физика. Фото Исо что это физика

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Источник

Исо что это физика. Смотреть фото Исо что это физика. Смотреть картинку Исо что это физика. Картинка про Исо что это физика. Фото Исо что это физика

Краткие сведения про особенности системы

В системах отсчёта (СО), построенных в соответствии с типом инерции, свободные тела движутся прямым и измеренным образом — с недоступностью внешнего воздействия или вообще не двигаются. В этой СО место считается однородным и изотропным. Термин ИСО был придуман Людвигом Ланге в 1885 году для обозначения системы координат, в которой используются законы Ньютона и формулы расчёта.

Исо что это физика. Смотреть фото Исо что это физика. Смотреть картинку Исо что это физика. Картинка про Исо что это физика. Фото Исо что это физика

Движение тела должно учитываться в сравнительно разных частях, в противном случае невозможно определить состояние его на месте. Наконец, говоря про инерциальное явление, следует показать, относительно чего тело будет в спокойном состоянии или движется размеренно и прямо.

Таким образом, по первому закону Ньютона, именуемому инерционным, формулируют данные описанным образом. Есть такие высокие классы, в отношении которых прогрессивно передвигаемые тела защищают долгосрочную скорость, если влияние иных на него компенсируется. При ИСО тело движется в постоянном значении. Таким образом, движение тела в СО происходит с одинаковой степенью скорости.

Системы отсчёта можно отнести к инерциальным те:

Во всех ИСО с одинаковыми начальными критериями механические явления проходят одинаково, то есть подчиняются одному и тому же закону. Это утверждение называется принципом относительности Галилея.

Инерционный и неинерционный вид

СО, для которых есть закон инерции, называются инерционными. Галилеевские эксперименты фактически рекомендовали считать СО, связанную с территорией, инерциальной. Но ИС бесконечны. Каждая СО, движущаяся с постоянной скоростью относительно другой, считается инерциальной. В них ускорение тела станет похожим.

Исо что это физика. Смотреть фото Исо что это физика. Смотреть картинку Исо что это физика. Картинка про Исо что это физика. Фото Исо что это физика

Если СО перемещается относительно и понемногу, но с переменной скоростью или оборотами, то она не считается инерционной. В такой системе тело обладает способностью самостоятельно ускоряться, в том числе если другие части её не поражены. В неинерциальных системах отсчёта первый закон Ньютона не выполняется.

В настоящем времени известно, что сама справочная система, связанная с территорией, обладает способностью быть приблизительно инерциальной. Кропотливые исследования говорят, что на самом деле, когда тела перемещаются относительно СО, связанной с территорией, появляются нарушения закона инерции. С гораздо большей точностью примерами инерциальной системы отсчёта можно считать те, что связаны с Солнцем и другими звёздами.

Как известно, территория движения относительна звёздному небу, а солнце ускоряется и вращается вокруг своей оси. Но если закон инерции нарушается в системах отсчёта, связанных с территорией, в задачах изучения предусмотрены небольшие перемещения, и в результате этого, как правило, СО, связанные с территорией, считаются инерционными.

В настоящее время есть системы позиционирования тела, которые включают устройство для измерения времени и систему координат. В зависимости от того, движется ли тело или неподвижно, можно охарактеризовать состояние объекта в нужное время.

Основные информационные данные

Исо что это физика. Смотреть фото Исо что это физика. Смотреть картинку Исо что это физика. Картинка про Исо что это физика. Фото Исо что это физика

Инерциальная навигационная система (модули) — это безопасный способ получения информации о курсе, координатах, скорости и параметрах выравнивания угла с платформы, на которой она установлена. После этого стоит отметить такие существенные особенности, как автономность и отсутствие маскирующих видов работ, которые определяют их широкую реализацию. Основа традиционной (ньютоновской) законодательной механики.

Начальный геоцентрический (первичный) аппарат, по сравнению с которым проводятся измерения, считается инерционным (то есть безусловным, фиксированным относительно звезд). При его поддержке объекты выравниваются по координатам, скорости, ускорению и другим ключевым характеристикам (самолеты, ракеты, галактические, подводные лодки и так далее).

Модули ИНС имеют явные высокие качества по сравнению с другими навигационными системами:

Использование навигации

Исо что это физика. Смотреть фото Исо что это физика. Смотреть картинку Исо что это физика. Картинка про Исо что это физика. Фото Исо что это физика

ИСО предоставляет данные навигации для пользовательских систем. Она использует силу и кольцевой лазерный гироскоп вместо обычного определения угловой скорости относительно осей. Её датчики установлены непосредственно на планере. Основная функция каждого датчика состоит в жестком определении и расчёте линейных ускорений и угловых скоростей вращения относительно существующих осей движения летательного аппарата.

Эти данные используются для отображения навигации. Каждый датчик может рассматриваться и содержит три лазерных гироскопа и три акселерометра. Они воспринимают угловые скорости и линейные ускорения соответственно. Полученные данные преобразуются в локальные вертикальные координаты и объединяются с входной информацией эфира для расчёта важных параметров, применимость для:

Выходы ИС могут бывать на дисплеях системы бортового приборостроения. Они также отображаются на дисплее управления полётом.

Общие положения

Первое требование, которое должно выполняться ИС, чтобы работать нужным образом, является выравниванием границ. Оно в основном состоит из определения локальной вертикали и начального курса. В расчётах выравнивания используется основная предпосылка, что единственные ускорения обусловлены силой тяжести земли. Одно движение во время выравнивания, значит, вращение.

Ускорения, вызванные гравитацией, всегда перпендикулярны поверхности и, таким образом, определяют локальную вертикаль. Она используется для установки данных об ориентации так, чтобы они были точно привязаны к вертикали.

Исо что это физика. Смотреть фото Исо что это физика. Смотреть картинку Исо что это физика. Картинка про Исо что это физика. Фото Исо что это физика

После того как причина установлена, лазерный гироскоп определяет компоненты скорости Земли, чтобы знать курс самолёта. По мере того как выравнивание продолжается, определения вертикальной привязки и рубрики настраиваются для максимальной точности.

Минимальная продолжительность режима выравнивания составляет 10 минут. При навигации ИС предоставляют выходные данные для ориентации, курса, текущего положения, ускорений, угла смещения, скорости относительно Земли и данных о ветре. Эти гелиоцентрические выходы все выводятся из данных гироскопического датчика и акселерометра. Начальные сигналы ориентации могут немного существовать, а курс и скорости модифицируются сигналами датчиков, чтобы входить в реальном времени в текущие поступательные параметры посредством реализации и вычислений компьютера.

Источник

Неинерциальные и инерциальные системы отсчёта в физике

Системы отсчёта (СО), которыми пользуются в механике, разделяются на инерциальные и неинерциальные. Основу классической механики составляют инерциальные системы отсчёта в физике (ИСО), и определяются они первым законом Ньютона (законом инерции). К неинерциальным же системам (НИСО) относятся те, в которых не выполняется условие, прописанное в законе инерции.

Первый закон Ньютона

Опыт показывает, что объект в состоянии покоя остаётся нескончаемо долго, если его оставить без влияния внешних воздействий. Также на практике можно заметить, что любой объект в движении имеет тенденцию замедляться и останавливаться, если не будут предприняты некоторые усилия, чтобы удержать его в движении.

Однако первый закон механики Ньютона даёт более глубокое объяснение этому наблюдению и может формулироваться следующим образом: тело в состоянии покоя остаётся в покое, а если оно находится в движении, остаётся в движении с постоянной скоростью, когда на него не действует внешняя сила.

В этой интерпретации закона инерции стоит обратить внимание на повторное использование глагола «остаётся», как на подчёркивание того, что здесь идёт речь именно о сохранении статус-кво движения. Заслуживает особого внимания и словосочетание «постоянная скорость» — это означает, что объект поддерживает путь вдоль прямой линии, поскольку ни величина, ни направление вектора скорости не изменяются.

Первый закон классической механики можно сформулировать и так: каждое тело остаётся в своём состоянии равномерного движения по прямой линии, если оно не вынуждено изменять это состояние под воздействием сил, действующих на него. Для Ньютона «равномерное движение по прямой» означало постоянную скорость, которая включает случай нулевой скорости или состояние покоя. Следовательно, этот закон гласит, что скорость объекта остаётся постоянной, если внешняя суммарная сила, действующая на него, равна нулю.

Закон инерции обычно считается утверждением о системах отсчёта. Он предоставляет метод для идентификации специального типа — инерциальной системы отсчёта. Если скорость тела относительно данной системы постоянна, то эта система называется инерционной. Таким образом, по определению ИСО является структурой, в которой действует закон Ньютона, применяемый к объектам с постоянной скоростью.

Принцип относительности Галилея

Галилей установил, что никакими механическими опытами, поставленными внутри ИСО, невозможно установить, покоится эта система или движется равномерно и прямолинейно. Это утверждение носит название:

Сформулировать принцип относительности Галилея можно и таким образом: система отсчёта, которая движется с постоянной скоростью относительно инерциальной системы, также является инерциальной.

Например, законы Ньютона работают в физической лаборатории. Но они также работают и относительно Земли, на которой находится эта лаборатория. (Скорость физической лаборатории относительно Земли постоянна и равна нулю).

Причина изменения скорости

Закон инерции гласит, что должна быть причина для любого изменения скорости (изменение величины или направления). Эта причина является абсолютно внешней силой. Скорость объекта, скользящего по столу или полу, замедляется из-за силы трения (внешней силы), действующей на него. Если трение исчезнет, объект сможет сохранять свою постоянную скорость движения нескончаемо долго. Идея причины и следствия имеет решающее значение для точного описания того, что происходит в различных ситуациях. Например, можно рассмотреть, что происходит с объектом, скользящим по неровной горизонтальной поверхности:

Экстраполируя на поверхность без трения и игнорируя сопротивление воздуха, можно представить физическое тело, скользящее по прямой бесконечно. Таким образом, трение в этом примере является причиной замедления (в соответствии с первым законом классической механики). Объект не замедлился бы, если внешнее воздействие (трение) было бы устранено.

Первый закон Ньютона является общим и может применяться ко всему:

Эксперименты подтвердили, что любое изменение скорости (модуль или направление) должно быть вызвано внешней силой.

Важна идея общеприменимых или универсальных законов — это основная черта всех законов физики. Идентификация этих правил подобна распознаванию закономерностей в природе, из которых можно обнаружить дальнейшие соответствия.

Гений Галилея, который первым разработал идею первого закона движения, и Ньютона, разъяснившего его, заключался в том, чтобы задать фундаментальный вопрос: «В чём причина?» Мышление с точки зрения причины и следствия в корне отличается от типичного древнегреческого подхода, когда на такие вопросы, как «Почему у тигра полосы?» ответили бы аристотелевским способом — «Это природа зверя».

Способность мыслить от причины к следствию — это способность устанавливать связь между наблюдаемым поведением и окружающим миром.

Масса и инерция

Независимо от масштаба объекта, будь то молекула или субатомная частица, два свойства — гравитация и инерция — остаются в силе и, следовательно, представляют интерес для физики. Оба связаны с массой. Грубо говоря, масса является мерой количества вещества в чём-то.

Масса также связана с инерцией и способностью объекта противостоять изменениям в его движении, иначе говоря, противостоять ускорению. Как известно, одни тела обладают большей инерцией, чем другие. Например, изменить движение большого валуна сложнее, нежели баскетбольного мяча, потому что валун имеет большую массу, чем баскетбольный мяч. Другими словами, инерция объекта измеряется его массой, поэтому первый закон классической механики часто называют законом инерции.

Неинерционные рамки и сила Кориолиса

В измерениях, проведённых в отношении некоторых других СО, законы Ньютона, по-видимому, нарушаются. Например, когда автобус поворачивает за угол, стоя́щий пассажир, который не держится за поручень, кажется, ускоряется в сторону. Также, если попытаться бросать и ловить мячи на карусели, то и здесь можно заметить некоторые очевидные нарушения законов механики.

Разница в характерах движений в зависимости от выбора СО, связанной с наблюдателем, хорошо иллюстрируется следующим примером. При броске мяча из центра карусели бросивший поворачивается по часовой стрелке вместе с каруселью, и ему кажется, что траектория мяча изгибается влево — он движется против часовой стрелки.

Для наблюдателя же, который не вращается (например, в вертолёте сверху), карусель поворачивается по часовой стрелке, а мяч движется в вертикальной плоскости по прямой линии. Если забыть о внешнем мире и отнести всё происходящее в рамки карусели, то нужно будет придумать другие фиктивные силы, которые заставят движущиеся объекты вращаться.

Законы Ньютона работают в системах, которые не вращаются. В СО, которым присуще вращение, должны быть задействованы «дополнительные силы» для сохранения законов механики Ньютона. Они в данном случае являются фиктивными силами и называются центробежными и силами Кориолиса.

Для шара, брошенного на поверхность Земли, СО, связанная с ней, почти не вращается во время полёта, поэтому наблюдатель не заметит силу Кориолиса. Но уже для довольно медленно качающегося маятника Фуко можно сказать, что сила Кориолиса заставляет его слегка отклоняться влево и медленно прецессировать против часовой стрелки.

В южном полушарии океанические течения и ветры также имеют тенденцию отклоняться влево: основные циркуляции, как и южнотихоокеанское течение, идут против часовой стрелки из-за сил Кориолиса.

Таким образом, можно констатировать, что центробежные силы являются примером воображаемых сил, изобретённых для объяснения движения в неинерциальной системе отсчёта.

Реальные приближения

Распространены ли инерциальные структуры в природе? Оказывается, что в пределах ошибки эксперимента СО в покое относительно наиболее удалённых и «неподвижных» звёзд является инерциальной. И все системы отсчёта, связанные с телами, движущимися равномерно относительно неподвижной звезды, также являются инерциальными.

В качестве подтверждения сказанному можно привести следующий пример: не вращающаяся СО, прикреплённая к Солнцу, для всех практических целей является инерциальной, поскольку изменение её скорости относительно неподвижных звёзд практически ничтожно мало. Земля ускоряется относительно звёзд, потому что она вращается вокруг своей оси и вращается вокруг Солнца. Следовательно, система отсчёта, связанная с её поверхностью, по факту не является инерциальной.

Однако для большинства задач такой вариант служит достаточно точным приближением к ИСО, поскольку ускорение точки на поверхности Земли относительно неподвижных звёзд довольно мало. И при решении конкретных заданий, если не указано иное, СО, закреплённые на Земле, считаются инерциальными.

Наконец, ни одна инерциальная система не является более особенной, чем любая другая. Что касается законов природы, то все ИСО эквивалентны. И при анализе проблемы отдаётся предпочтение одной системе вместо другой просто на основе удобства.

Источник

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *