Muinaiset filosofit yrittivät ymmärtää liikkeen olemusta, tunnistaa tähtien ja auringon vaikutuksen ihmiseen. Lisäksi ihmiset ovat aina yrittäneet tunnistaa voimat, jotka vaikuttavat aineelliseen pisteeseen sen liikkumisprosessissa sekä lepohetkellä.

Aristoteles uskoi, että liikkeen puuttuessa kehoon ei vaikuta voimia. Yritetään selvittää, mitä viitejärjestelmiä kutsutaan inertiaaleiksi, annamme niistä esimerkkejä.

Lepotila

Jokapäiväisessä elämässä tällaista tilaa on vaikea tunnistaa. Melkein kaikissa mekaanisissa liikkeissä oletetaan ulkopuolisten voimien läsnäoloa. Syynä on kitkavoima, joka ei salli monien esineiden poistua alkuperäisestä asennostaan, poistua lepotilasta.

Tarkasteltaessa esimerkkejä inertiavertailujärjestelmistä, huomaamme, että ne kaikki vastaavat Newtonin 1. lakia. Vasta sen löytämisen jälkeen oli mahdollista selittää lepotila, osoittaa voimat, jotka vaikuttavat tässä tilassa kehoon.

Newtonin 1. lain lausunto

Modernissa tulkinnassa hän selittää koordinaattijärjestelmien olemassaolon, joiden suhteen voidaan ajatella materiaaliin vaikuttavien ulkoisten voimien puuttumista. Newtonin näkökulmasta referenssijärjestelmiä kutsutaan inertiaaleiksi, joiden avulla voimme tarkastella kehon nopeuden säilymistä pitkän ajan kuluessa.

Määritelmät

Mitkä viitekehykset ovat inertiaalisia? Esimerkkejä niistä tutkitaan koulun fysiikan kurssilla. Inertiaaliset referenssijärjestelmät ovat sellaisia, joihin nähden materiaalipiste liikkuu vakionopeudella. Newton selvensi, että mikä tahansa kappale voi olla samanlaisessa tilassa niin kauan kuin siihen ei tarvitse kohdistaa voimia, jotka voivat muuttaa sellaista tilaa.

Todellisuudessa hitauslaki ei täyty kaikissa tapauksissa. Analysoitaessa esimerkkejä inertia- ja ei-inertiaalisista viitekehyksestä, harkitse henkilöä, joka pitää kiinni kaideista liikkuvassa ajoneuvossa. Auton terävällä jarrutuksella henkilö liikkuu automaattisesti suhteessa ajoneuvoon ulkoisen voiman puuttumisesta huolimatta.

Osoittautuu, että kaikki esimerkit inertiaalisesta viitekehyksestä eivät vastaa 1 Newtonin lain muotoilua. Hitauslain selventämiseksi otettiin käyttöön tarkistettu viittaus, jossa se on moitteettomasti täytetty.

Viitejärjestelmien tyypit

Mitä referenssijärjestelmiä kutsutaan inertiaaleiksi? Se selviää pian. "Anna esimerkkejä inertiavertailujärjestelmistä, joissa Newtonin 1. laki täyttyy" - samanlainen tehtävä tarjotaan koululaisille, jotka ovat valinneet fysiikan kokeeksi yhdeksännellä luokalla. Tehtävästä selviytymiseksi on oltava käsitys inertiaalisista ja ei-inertiaalisista viitekehyksestä.

Inertiaan kuuluu kehon levon tai tasaisen suoraviivaisen liikkeen säilyttäminen niin kauan kuin keho on eristyksissä. "Eristetyt" pitävät kappaleita, jotka eivät ole yhteydessä toisiinsa, eivät ole vuorovaikutuksessa, ovat irrotettuja toisistaan.

Harkitse joitain esimerkkejä inertiaalisesta viitekehyksestä. Jos oletetaan galaksissa oleva tähti vertailukehyksenä liikkuvan linja-auton sijaan, hitauslain täytäntöönpano kiskoista kiinni pitäville matkustajille olisi virheetöntä.

Jarrutuksen aikana tämä ajoneuvo jatkaa tasaista suoraa kulkua, kunnes muut ruumiit vaikuttavat siihen.

Mitkä ovat esimerkkejä inertiaalisesta viitekehyksestä? Niillä ei pitäisi olla yhteyttä analysoitavaan kehoon, vaikuttaa sen inertiteettiin.

Tällaisissa järjestelmissä Newtonin ensimmäinen laki täyttyy. Todellisessa elämässä on vaikeaa tarkastella kehon liikettä suhteessa inertiaalisiin viitekehyksiin. On mahdotonta päästä kaukaiseen tähteen suorittaakseen siitä maanpäällisiä kokeita.

Maata pidetään ehdollisena vertailujärjestelmänä huolimatta siitä, että se liittyy siihen asetettuihin esineisiin.

On mahdollista laskea kiihtyvyys inertiaalisessa vertailukehyksessä, jos tarkastellaan Maan pintaa vertailukehyksenä. Fysiikassa ei ole matemaattista kirjaa Newtonin ensimmäisestä laista, mutta juuri hän on perusta monien fysikaalisten määritelmien ja termien johtamiselle.

Esimerkkejä inertiaalisista viitekehyksestä

Koululaisten on joskus vaikea ymmärtää fyysisiä ilmiöitä. Yhdeksäsluokkalaisille tarjotaan seuraavan sisällön tehtävä: ”Mitä viitekehystä kutsutaan inertiaksi? Anna esimerkkejä tällaisista järjestelmistä. Oletetaan, että kärry, jossa on pallo, liikkuu aluksi tasaisella pinnalla tasaisella nopeudella. Sitten se liikkuu hiekkaa pitkin, minkä seurauksena pallo asetetaan kiihdytettyyn liikkeeseen huolimatta siitä, että siihen ei vaikuta muita voimia (niiden kokonaisvaikutus on nolla).

Tapahtuman olemus voidaan selittää sillä, että liikkuessaan hiekkapintaa pitkin järjestelmä lakkaa olemasta inertia, sillä on vakionopeus. Esimerkit inertiaalisista ja ei-inertiaalisista viitekehyksestä osoittavat, että niiden siirtyminen tapahtuu tietyssä ajassa.

Kun runko kiihtyy, sen kiihtyvyydellä on positiivinen arvo, ja jarrutettaessa tämä luku muuttuu negatiiviseksi.

Kaareva liike

Suhteessa tähtiin ja aurinkoon Maan liike tapahtuu kaarevaa liikerataa pitkin, joka on ellipsin muotoinen. Sitä viitekehystä, jossa keskus on linjassa Auringon kanssa ja akselit on suunnattu tiettyihin tähtiin, pidetään inertiana.

Huomaa, että mikä tahansa vertailukehys, joka liikkuu suorassa linjassa ja tasaisesti suhteessa heliosentriseen kehykseen, on inertia. Kaareva liike suoritetaan jollain kiihtyvyydellä.

Ottaen huomioon sen tosiasian, että Maa liikkuu akselinsa ympäri, sen pintaan liittyvä vertailukehys liikkuu heliosentriseen nähden jollain kiihtyvyydellä. Tällaisessa tilanteessa voidaan päätellä, että vertailukehys, joka on yhteydessä maan pintaan, liikkuu kiihtyvyydellä heliosentriseen nähden, joten sitä ei voida pitää inertiana. Mutta tällaisen järjestelmän kiihtyvyyden arvo on niin pieni, että monissa tapauksissa se vaikuttaa merkittävästi siihen nähden tarkasteltavien mekaanisten ilmiöiden erityispiirteisiin.

Teknisluonteisten käytännön ongelmien ratkaisemiseksi on tapana pitää inertiana viitekehystä, joka on kiinteästi yhteydessä maan pintaan.

Suhteellisuusteoria Galileo

Kaikilla inertiaalisilla viitekehyksillä on tärkeä ominaisuus, jota kuvaa suhteellisuusperiaate. Sen olemus on siinä, että mikä tahansa mekaaninen ilmiö samoissa alkuolosuhteissa suoritetaan samalla tavalla valitusta viitekehyksestä riippumatta.

ISO:n tasa-arvo suhteellisuusperiaatteen mukaan ilmaistaan ​​seuraavissa säännöksissä:

• Tällaisissa järjestelmissä ne ovat samat, joten mikä tahansa niiden kuvaama yhtälö, ilmaistuna koordinaatteina ja ajassa, pysyy muuttumattomana.
• Meneillään olevien mekaanisten kokeiden tulosten avulla voidaan määrittää, onko vertailukehys levossa vai suorittaako se suoraviivaista tasaista liikettä. Mikä tahansa järjestelmä voidaan ehdollisesti tunnistaa liikkumattomaksi, jos toinen samaan aikaan liikkuu suhteessa siihen tietyllä nopeudella.
• Mekaniikan yhtälöt pysyvät ennallaan koordinaattimuunnosten suhteen, kun siirrytään järjestelmästä toiseen. Sama ilmiö on mahdollista kuvata eri systeemeissä, mutta niiden fyysinen luonne ei muutu.

Ongelmanratkaisu

Ensimmäinen esimerkki.

Selvitä, onko inertiavertailujärjestelmä: a) Maan keinotekoinen satelliitti; b) lasten vetovoima.

Vastaus. Ensimmäisessä tapauksessa ei ole kysymys inertiavertailujärjestelmästä, koska satelliitti liikkuu kiertoradalla painovoiman vaikutuksesta, joten liike tapahtuu jollain kiihtyvyydellä.

Toinen esimerkki.

Raportointijärjestelmä on kiinteästi yhteydessä hissiin. Missä tilanteissa sitä voidaan kutsua inertiaksi? Jos hissi: a) putoaa; b) liikkuu tasaisesti ylöspäin; c) nousee nopeasti d) tasaisesti alaspäin suunnattu.

Vastaus. a) Vapaassa pudotuksessa ilmaantuu kiihtyvyys, joten hissiin liittyvä vertailukehys ei ole inertiaalinen.

b) Hissin tasaisella liikkeellä järjestelmä on inertiaalinen.

c) Kun liikutaan jollakin kiihtyvyydellä, vertailukehystä pidetään inertiana.

d) Hissi liikkuu hitaasti, sillä on negatiivinen kiihtyvyys, joten vertailukehystä ei voida kutsua inertiaksi.

Johtopäätös

Koko olemassaolonsa ajan ihmiskunta on yrittänyt ymmärtää luonnossa esiintyviä ilmiöitä. Galileo Galilei yritti selittää liikkeen suhteellisuutta. Isaac Newton onnistui johtamaan hitauslain, jota alettiin käyttää pääpostulaattina mekaniikan laskelmissa.

Tällä hetkellä kehon asennon määritysjärjestelmä sisältää kehon, ajan määrityslaitteen sekä koordinaattijärjestelmän. Riippuen siitä, onko runko liikkuva vai paikallaan, on mahdollista karakterisoida tietyn kohteen sijainti halutulla ajanjaksolla.

Vastaava on seuraava, teoreettisessa mekaniikassa käytettävä formulaatio: "Kutsutaan inertiaaliseksi viitekehykseksi, jonka suhteen avaruus on homogeeninen ja isotrooppinen ja aika on homogeeninen". Newtonin lait, samoin kuin kaikki muut klassisen mekaniikan dynamiikan aksioomit, on muotoiltu suhteessa inertiaalisiin referenssijärjestelmiin.

Termi "inertiajärjestelmä" (saksalainen inertiajärjestelmä) ehdotettiin vuonna 1885 Ludwig Lange?! ja tarkoitti koordinaattijärjestelmää, jossa Newtonin lait pätevät. Langen käsitteen mukaan tämä termi korvasi absoluuttisen avaruuden käsitteen, joka joutui tänä aikana tuhoisan kritiikin kohteeksi. Suhteellisuusteorian myötä käsite yleistettiin "inertiaaliseksi viitekehykseksi".

Tietosanakirja YouTube

1 / 3

✪ Inertiavertailujärjestelmät. Newtonin ensimmäinen laki | Fysiikka Grade 9 #10 | infotunti

✪ Mitkä ovat inertiaaliset viitekehykset Newtonin ensimmäinen laki

✪ Inertiaaliset ja ei-inertiaaliset viitekehykset (1)

Tekstitykset

Inertiaalisen viitekehyksen ominaisuudet

Mikä tahansa viitekehys, joka liikkuu tasaisesti, suoraviivaisesti ja ilman kiertoa suhteessa IFR:ään, on myös IFR. Suhteellisuusperiaatteen mukaan kaikki IFR:t ovat samanarvoisia ja kaikki fysiikan lait ovat muuttumattomia IFR:stä toiseen siirtymisen suhteen. Tämä tarkoittaa, että fysiikan lakien ilmentymät niissä näyttävät samalta, ja näiden lakien tietueet ovat saman muodon mukaisia ​​eri ISO:issa.

Oletus ainakin yhden IFR:n olemassaolosta isotrooppisessa avaruudessa johtaa siihen johtopäätökseen, että on olemassa ääretön joukko sellaisia ​​järjestelmiä, jotka liikkuvat suhteessa toisiinsa tasaisesti, suoraviivaisesti ja translaatiosuuntaisesti kaikilla mahdollisilla nopeuksilla. Jos IFR:itä on olemassa, avaruus on homogeeninen ja isotrooppinen ja aika on homogeeninen; Noetherin lauseen mukaan avaruuden homogeenisuus siirtymien suhteen antaa liikemäärän säilymisen lain, isotropia johtaa liikemäärän säilymiseen ja ajan homogeenisuus säästää liikkuvan kappaleen energiaa.

Jos todellisten kappaleiden toteuttamat IFR:ien suhteellisen liikkeen nopeudet voivat saada mitä tahansa arvoja, yhteys minkä tahansa "tapahtuman" koordinaattien ja aikamomenttien välillä eri IFR:issä suoritetaan Galilean muunnoksilla.

Yhteys todellisiin referenssijärjestelmiin

Absoluuttisesti inertiajärjestelmät ovat matemaattinen abstraktio, eikä niitä ole luonnossa. On kuitenkin olemassa vertailukehyksiä, joissa riittävän kaukana toisistaan ​​olevien kappaleiden suhteellinen kiihtyvyys (Doppler-ilmiöllä mitattuna) ei ylitä esim. 10 −10 m/s².

Inertiaalinen viitejärjestelmä (ISO)- viitekehys, jossa hitauslaki pätee: kaikki vapaat kappaleet (eli ne, joihin ulkoiset voimat eivät vaikuta tai näiden voimien vaikutus kompensoituu) liikkuvat niissä suoraviivaisesti ja tasaisesti tai lepäävät niissä.

Ei-inertiaalinen viitekehys- mielivaltainen viitekehys, joka ei ole inertiaalinen. Mikä tahansa vertailukehys, joka liikkuu kiihtyvyydellä suhteessa inertiaan, on ei-inertiaalinen.

Newtonin ensimmäinen laki - on olemassa inertiaaliset viitekehykset, eli sellaiset vertailukehykset, joissa kappale liikkuu tasaisesti ja suoraviivaisesti, jos muut kappaleet eivät vaikuta siihen. Tämän lain päärooli on korostaa, että näissä viitekehyksessä kaikki kappaleiden saavuttamat kiihtyvyydet ovat seurauksia kappaleiden vuorovaikutuksista. Liikkeen tarkempi kuvaus tulee suorittaa vain inertiaalisissa viitekehyksessä.

 Newtonin toinen laki toteaa, että kehon kiihtymisen syy on kappaleiden vuorovaikutus, jonka ominaisuus on voima. Tämä laki antaa dynamiikan perusyhtälön, jonka avulla on periaatteessa mahdollista löytää kappaleen liikelaki, jos siihen vaikuttavat voimat tunnetaan. Tämä laki voidaan muotoilla seuraavasti (Kuva 100):

Pistekappaleen (materiaalipisteen) kiihtyvyys on suoraan verrannollinen kehoon vaikuttavien voimien summaan ja kääntäen verrannollinen kappaleen massaan:

tässä F− tuloksena oleva voima, eli kaikkien kehoon vaikuttavien voimien vektorisumma. Ensi silmäyksellä yhtälö (1) on toinen tapa kirjoittaa edellisessä osiossa annettu voiman määritelmä. Tämä ei kuitenkaan ole aivan totta. Ensinnäkin Newtonin laki sanoo, että yhtälö (1) sisältää kaikkien kehoon vaikuttavien voimien summan, mikä ei ole voiman määritelmässä. Toiseksi Newtonin toinen laki korostaa yksiselitteisesti, että voima on syynä kehon kiihtyvyyteen, eikä päinvastoin.

 Newtonin kolmas laki korostaa, että kiihtymisen syy on kappaleiden keskinäinen vaikutus toisiinsa. Siksi vuorovaikutuksessa oleviin kappaleisiin vaikuttavat voimat ovat saman vuorovaikutuksen ominaisuuksia. Tästä näkökulmasta katsottuna Newtonin kolmannessa laissa ei ole mitään yllättävää (kuva 101):

pistekappaleet (materiaalipisteet) ovat vuorovaikutuksessa voimien kanssa, jotka ovat yhtä suuria ja vastakkaisia ​​ja jotka on suunnattu näitä kappaleita yhdistävää suoraa linjaa pitkin:

missä F 12 − voima, joka vaikuttaa ensimmäiseen kappaleeseen toisesta, a F 21 on voima, joka vaikuttaa toiseen kappaleeseen ensimmäisestä. On selvää, että nämä voimat ovat luonteeltaan samanlaisia. Tämä laki on myös yleistys lukuisista kokeellisista tosiseikoista. Huomattakoon, että itse asiassa tämä laki on perusta edellisessä kappaleessa annettujen kappaleiden massan määrittämiselle.

Aineellisen pisteen liikeyhtälö ei-inertiaalisessa vertailukehyksessä voidaan esittää muodossa :

missä - paino kappaleet, - kappaleen kiihtyvyys ja nopeus suhteessa ei-inertiaaliseen vertailukehykseen, - kaikkien kehoon vaikuttavien ulkoisten voimien summa, - kannettava kiihdytys ruumiit - Coriolis-kiihtyvyys kappale, - ei-inertiaalisen vertailukehyksen pyörimisliikkeen kulmanopeus origon läpi kulkevan hetkellisen akselin ympäri, - ei-inertiaalisen vertailujärjestelmän origon liikenopeus suhteessa mihin tahansa inertiaaliseen vertailukehykseen .

Tämä yhtälö voidaan kirjoittaa tavalliseen muotoon Newtonin toinen laki, jos astut sisään hitausvoimat:

Ei-inertiaalisissa viitekehyksessä inertiavoimia syntyy. Näiden voimien esiintyminen on merkki ei-inertiaalisesta vertailujärjestelmästä.

Vertailukehystä, joka liikkuu (suhteessa tähtiin) tasaisesti ja suoraviivaisesti (eli inertialla), kutsutaan inertiaksi. On selvää, että tällaisia ​​viitekehyksiä on lukematon määrä, koska mikä tahansa tasaisesti ja suoraviivaisesti jonkin inertiaalisen vertailukehyksen suhteen liikkuva kehys on myös inertia.Kiihtyvyydellä (suhteessa inertiakehykseen) liikkuvia viitekehyksiä kutsutaan ei-inertiaaleiksi.

Kokemus sen osoittaa

kaikissa inertiaalisissa viitekehyksessä kaikki mekaaniset prosessit etenevät täsmälleen samalla tavalla (samoissa olosuhteissa).

Tämä kanta, jota kutsutaan mekaaniseksi suhteellisuusperiaatteeksi (tai Galileon suhteellisuusperiaatteeksi), muotoili Galileo vuonna 1636. Galileo selitti sen esimerkillä mekaanisista prosesseista, jotka tapahtuvat tyynellä merellä tasaisesti ja suoraviivaisesti purjehtivan laivan hytissä. Hytissä olevalle tarkkailijalle heilurin värähtely, kappaleiden putoaminen ja muut mekaaniset prosessit etenevät täsmälleen samalla tavalla kuin paikallaan olevalla laivalla. Siksi näitä prosesseja tarkkailemalla on mahdotonta määrittää nopeuden suuruutta tai edes laivan liikkeen tosiasiaa. Jotta aluksen liikettä voidaan arvioida suhteessa mihin tahansa vertailujärjestelmään (esimerkiksi meren pintaan), on myös tätä järjestelmää tarkkailtava (nähdäksesi kuinka vedessä makaavat esineet liikkuvat pois jne.) .

XX vuosisadan alkuun mennessä. kävi ilmi, että ei vain mekaaniset, vaan myös termiset, sähköiset, optiset ja kaikki muut luonnon prosessit ja ilmiöt etenevät täsmälleen samalla tavalla kaikissa inertiavertailukehyksissä. Tällä perusteella Einstein muotoili vuonna 1905 yleisen suhteellisuusperiaatteen, jota myöhemmin kutsuttiin Einsteinin suhteellisuusperiaatteeksi:

kaikissa inertiaalisissa viitekehyksessä kaikki fyysiset prosessit etenevät täsmälleen samalla tavalla (samoissa olosuhteissa).

Tämä periaate yhdessä sen väitteen kanssa, että valon etenemisnopeus tyhjiössä on riippumaton valonlähteen liikkeestä (katso § 20), muodostivat perustan Einsteinin kehittämälle erityiselle suhteellisuusteorialle.

Newtonin lait ja muut tarkastelemamme dynamiikan lait toteutuvat vain inertiaalisissa viitekehyksessä. Ei-inertiaalisissa viitekehyksessä nämä lait eivät yleisesti ottaen ole enää voimassa. Harkitse yksinkertaista esimerkkiä viimeistä lausetta selventämään.

Täydellisen tasaisella alustalla, joka liikkuu tasaisesti ja suoraviivaisesti, lepää samalla tasolla oleva massapallo on tarkkailija. Toinen tarkkailija seisoo maan päällä lähellä paikkaa, jossa alusta on ohittamassa. On selvää, että molemmat tarkkailijat ovat yhteydessä inertiaalisiin viitekehyksiin.

Olkoon nyt, kun Maahan yhteydessä oleva havainnoija ohittaa, alusta alkaa liikkua kiihtyvyydellä a, eli siitä tulee ei-inertiaalinen viitekehys. Tässä tapauksessa pallo, joka oli aiemmin levossa suhteessa alustaan, alkaa (suhteessa siihen) liikkeessä kiihtyvyydellä a, joka on suunnaltaan vastakkainen ja suuruudeltaan yhtä suuri kuin alustan saavuttama kiihtyvyys. Selvitetään, miltä pallon käyttäytyminen näyttää jokaisen tarkkailijan näkökulmasta.

Havainnoijalle, joka liittyy inertiavertailujärjestelmään - Maahan, pallo jatkaa liikkumista tasaisesti ja suoraviivaisesti täysin inertialain mukaisesti (koska siihen ei vaikuta muita voimia, paitsi painovoima, jota tasapainottaa tuen reaktio).

Ei-inertiaaliseen vertailujärjestelmään - alustaan ​​liittyvällä tarkkailijalla on erilainen kuva: pallo alkaa liikkua ja kiihtyy - mutta ilman voiman vaikutusta (koska tarkkailija ei havaitse minkään muun kappaleen iskua palloon jotka antavat pallolle kiihtyvyyttä). Tämä on selvästi ristiriidassa hitauslain kanssa. Myöskään Newtonin toinen laki ei täyty: soveltamalla sitä havainnoitsija saisi, että (voima)a tämä on mahdotonta, koska kumpikaan ja a eivät ole nolla.

Dynaamisten lakien soveltaminen ei-inertiaalisissa viitekehyksessä tapahtuvien liikkeiden kuvaamiseen on kuitenkin mahdollista, jos otetaan huomioon erikoisvoimat - inertiavoimat. Sitten esimerkissämme alustaan ​​kytketty tarkkailija voi olettaa, että pallo on liikkeessä inertiavoiman vaikutuksesta

Hitausvoiman käyttöönotto mahdollistaa Newtonin toisen lain (ja sen seurausten) kirjoittamisen tavanomaiseen muotoon (ks. § 7); vain vaikuttavan voiman alla on nyt tarpeen ymmärtää "tavallisten" voimien ja hitausvoimien resultantti

missä on kehon massa ja sen kiihtyvyys.

Kutsuimme hitausvoimia "erityislajiksi" ensinnäkin siksi, että ne toimivat vain ei-inertiaalisissa viitekehyksessä, ja toiseksi, koska niille, toisin kuin "tavallisille" voimille, on mahdotonta osoittaa, mitkä muut kappaleet (kyseisessä kehossa), ne ovat ehdollisia. Ilmeisesti tästä syystä on mahdotonta soveltaa Newtonin kolmatta lakia (ja sen seurauksia) hitausvoimiin; tämä on inertiavoimien kolmas ominaisuus.

Yksittäisten kappaleiden määrittämisen mahdottomuus, joiden vaikutus (tarkasteltavana olevaan kappaleeseen) johtuu hitausvoimista, ei tietenkään tarkoita, että näiden voimien ilmaantuminen ei liity mitenkään minkään materiaalin toimintaan. kehot. On vakavia syitä olettaa, että hitausvoimat johtuvat koko maailmankaikkeuden kappalejoukon (koko maailmankaikkeuden massan) toiminnasta.

Tosiasia on, että hitausvoimat ja painovoimat ovat hyvin samankaltaisia: molemmat ovat verrannollisia sen kehon massaan, johon ne vaikuttavat, ja siksi kummankaan näistä voimista keholle antama kiihtyvyys ei riipu. kehon massan päälle. Tietyissä olosuhteissa näitä voimia ei voida erottaa ollenkaan. Liikkukoon esimerkiksi avaruusalus kiihtyvällä tahdilla (moottoreiden toiminnasta johtuen) jossain ulkoavaruudessa. Siinä oleva kosmonautti kokee voiman, joka painaa hänet avaruusaluksen "lattiaan" (takaseinään suhteessa liikesuuntaan). Tämä voima luo täsmälleen saman vaikutuksen ja aiheuttaa astronautissa samat tuntemukset kuin vastaava painovoima aiheuttaisi.

Jos astronautti uskoo, että hänen aluksensa liikkuu kiihtyvyydellä suhteessa universumiin, hän kutsuu siihen vaikuttavaa voimaa hitausvoimaksi. Jos kosmonautti kuitenkin pitää aluksensa liikkumattomana ja universumi ryntää aluksen ohi samalla kiihtyvyydellä a, hän kutsuu tätä voimaa gravitaatiovoimaksi. Ja molemmat näkökulmat ovat täysin samat. Mikään aluksen sisällä suoritettu koe ei voi todistaa yhden näkemyksen oikeellisuutta ja toisen harhaa.

Tarkastetuista ja muista vastaavista esimerkeistä seuraa, että vertailukehyksen kiihdytetty liike vastaa (vaikutukseltaan kappaleisiin) vastaavien gravitaatiovoimien syntymistä. Tätä asemaa kutsutaan painovoima- ja inertiavoimien ekvivalenssiperiaatteeksi (Einsteinin ekvivalenssiperiaate); tämä periaate on yleisen suhteellisuusteorian perusta.

Inertiavoimia ei synny vain suoraviivaisesti liikkuvissa, vaan myös pyörivissä ei-inertiaalisissa vertailukehyksissä. Olkoon esimerkiksi pystyakselin ympäri pyörivällä vaakasuoralla alustalla massakappale, joka on yhdistetty pyörimiskeskipisteeseen O kuminauhalla (kuva 18). Jos alusta alkaa pyöriä kulmanopeudella ω (ja näin ollen muuttuu ei-inertiaksi), silloin kitkan vuoksi myös keho osallistuu pyörimiseen. Se kuitenkin liikkuu säteittäisessä suunnassa alustan keskeltä, kunnes venytysköyden kasvava kimmovoima pysäyttää tämän liikkeen. Sitten keho alkaa pyöriä etäisyyden päässä keskustasta O.

Lavaan liittyvän tarkkailijan näkökulmasta pallon liike suhteessa siihen johtuu jostain voimasta Tämä on hitausvoima, koska se ei johdu muiden tiettyjen kappaleiden vaikutuksesta palloon; sitä kutsutaan keskipakoishitausvoimaksi. On selvää, että hitausvoiman keskipakovoima on suuruudeltaan ja päinvastainen kuin venytetyn narun kimmovoima, joka toimii keskipakovoimana, joka vaikuttaa inertiarunkoon nähden pyörivään kappaleeseen (katso § 13).

siksi keskipakoinen hitausvoima on verrannollinen kappaleen etäisyyteen pyörimisakselista.

Korostamme, että hitausvoiman keskipakovoimaa ei pidä sekoittaa § 13:n lopussa mainittuun "tavalliseen" keskipakovoimaan. Nämä ovat eri luonteeltaan erilaisia ​​voimia, joita kohdistetaan eri esineisiin: inertiakeskipakovoima kohdistuu kehoon, ja keskipakovoima kohdistetaan liitäntään.

Lopuksi todetaan, että painovoima- ja hitausvoimien vastaavuusperiaatteen näkökulmasta kaikkien keskipakomekanismien toiminnalle: pumput, erottimet jne. annetaan yksinkertainen selitys (katso § 13).

Mitä tahansa keskipakomekanismia voidaan pitää pyörivänä ei-inertiaalisena järjestelmänä, joka aiheuttaa säteittäisen konfiguraation olevan gravitaatiokentän, joka rajoitetulla alueella ylittää merkittävästi maan gravitaatiokentän. Tässä kentässä pyörivän väliaineen tiheämmät hiukkaset tai siihen heikosti sitoutuneet hiukkaset liikkuvat sen reunaa kohti (ikään kuin ne menevät "pohjaan").

Mikä tahansa viitekehys, joka liikkuu progressiivisesti, tasaisesti ja suoraviivaisesti suhteessa inertiaaliseen viitekehykseen, on myös inertiaalinen viitekehys. Siksi teoriassa voi olla mikä tahansa määrä inertiaalisia viitekehyksiä.

Todellisuudessa referenssijärjestelmä liittyy aina johonkin tiettyyn kappaleeseen, jonka suhteen eri esineiden liikettä tutkitaan. Koska kaikki todelliset kappaleet liikkuvat yhdellä tai toisella kiihtyvyydellä, mitä tahansa todellista viitekehystä voidaan pitää inertiavertailukehyksenä vain tietyllä approksimaatioasteella. Suurella tarkkuudella heliosentristä järjestelmää voidaan pitää inertiana, joka liittyy aurinkokunnan massakeskukseen ja akseleihin, jotka on suunnattu kolmeen kaukaiseen tähteen. Tällaista inertiaalista viitekehystä käytetään pääasiassa taivaanmekaniikan ja astronautiikan ongelmissa. Useimpien teknisten ongelmien ratkaisemiseksi voidaan harkita Maahan jäykästi kytkettyä inertiaalista viitekehystä.

Galileon suhteellisuusperiaate

Inertiaalisilla viitekehyksillä on tärkeä ominaisuus, joka kuvaa Galileon suhteellisuusperiaate:

• mikä tahansa mekaaninen ilmiö samoissa alkuolosuhteissa etenee samalla tavalla missä tahansa inertiaalisessa vertailukehyksessä.

Inertioiden viitekehysten yhtäläisyys, joka perustuu suhteellisuusperiaatteeseen, ilmaistaan ​​seuraavasti:

1. mekaniikan lait inertiaalisissa viitekehyksessä ovat samat. Tämä tarkoittaa, että jotakin mekaniikan lakia kuvaavalla yhtälöllä, joka ilmaistaan ​​minkä tahansa muun inertiaalisen viitekehyksen koordinaatteina ja ajassa, on sama muoto;
2. Mekaanisten kokeiden tulosten mukaan on mahdotonta määrittää, onko tietty vertailukehys levossa vai liikkuuko tasaisesti ja suoraviivaisesti. Tästä johtuen kumpaakaan niistä ei voida erottaa vallitsevaksi järjestelmäksi, jonka nopeudelle voitaisiin antaa absoluuttinen merkitys. Fyysinen merkitys on vain käsite järjestelmien suhteellisesta nopeudesta, joten mitä tahansa järjestelmää voidaan pitää ehdollisesti liikkumattomana ja toista - liikkuvan suhteessa siihen tietyllä nopeudella;
3. mekaniikan yhtälöt ovat muuttumattomia koordinaattimuunnosten suhteen siirtymisessä inertiaalisesta viitekehyksestä toiseen, ts. Sama ilmiö voidaan kuvata kahdessa eri viitekehyksessä ulkoisesti eri tavoin, mutta ilmiön fyysinen luonne pysyy ennallaan.

Esimerkkejä ongelmanratkaisusta

ESIMERKKI 1

ESIMERKKI 2