Un cadru de referință care se mișcă (în raport cu stele) uniform și rectiliniu (adică prin inerție) se numește inerțial. Evident, există un număr nenumărat de astfel de cadre de referință, deoarece orice cadru care se mișcă uniform și rectiliniu în raport cu un cadru de referință inerțial este de asemenea inerțial Cadrele de referință care se mișcă (față de cadrul inerțial) cu accelerație se numesc neinerțial.
Experiența arată că
în toate cadrele de referință inerțiale, toate procesele mecanice decurg exact în același mod (în aceleași condiții).
Această poziție, numită principiul mecanic al relativității (sau principiul relativității al lui Galileo), a fost formulată în 1636 de Galileo. Galileo a explicat-o prin exemplul proceselor mecanice care au loc în cabina unei nave care navighează uniform și rectiliniu pe o mare calmă. Pentru un observator din cabină, oscilația pendulului, căderea corpurilor și alte procese mecanice decurg exact în același mod ca pe o navă staționară. Prin urmare, observând aceste procese, este imposibil să se stabilească nici mărimea vitezei, nici chiar faptul însuși al mișcării navei. Pentru a judeca mișcarea navei în raport cu orice sistem de referință (de exemplu, suprafața oceanului), este necesar să se observe și acest sistem (pentru a vedea cum se îndepărtează obiectele aflate pe apă etc.).
Până la începutul secolului XX. s-a dovedit că nu numai procesele mecanice, ci și termice, electrice, optice și toate celelalte procese și fenomene ale naturii se desfășoară exact în același mod în toate cadrele de referință inerțiale. Pe această bază, Einstein în 1905 a formulat principiul generalizat al relativității, numit mai târziu principiul relativității lui Einstein:
în toate cadrele de referință inerțiale, toate procesele fizice decurg exact în același mod (în aceleași condiții).
Acest principiu, împreună cu propunerea că viteza luminii în vid este independentă de mișcarea sursei de lumină (vezi § 20), au stat la baza teoriei relativității speciale dezvoltate de Einstein.
Legile lui Newton și alte legi ale dinamicii considerate de noi sunt îndeplinite numai în cadre de referință inerțiale. În cadrele de referință neinerțiale, aceste legi, în general, nu mai sunt valabile. Luați în considerare un exemplu simplu pentru a clarifica ultima afirmație.
Pe o platformă perfect netedă, mișcându-se uniform și rectiliniu, se află o minge de masă pe aceeași platformă este un observator. Un alt observator stă pe Pământ, nu departe de locul unde urmează să treacă platforma. Este evident că ambii observatori sunt conectați cu cadre de referință inerțiale.
Acum, în momentul trecerii pe lângă un observator conectat cu Pământul, platforma începe să se miște cu o accelerație a, adică devine un cadru de referință non-inerțial. În acest caz, bila, care anterior era în repaus în raport cu platforma, va începe (față de aceasta) în mișcare cu o accelerație a, opusă în direcție și egală ca mărime cu accelerația dobândită de platformă. Să aflăm cum arată comportamentul mingii din punctul de vedere al fiecăruia dintre observatori.
Pentru un observator asociat cu un sistem de referință inerțial - Pământul, mingea continuă să se miște uniform și rectiliniu în deplină conformitate cu legea inerției (din moment ce nu acționează asupra ei nicio forță, cu excepția gravitației, echilibrată de reacția suportului).
Un observator asociat cu un sistem de referință non-inerțial - o platformă, are o imagine diferită: mingea începe să se miște și capătă accelerație - dar fără influența unei forțe (deoarece observatorul nu detectează impactul asupra mingii a niciunui alt corp). care conferă accelerație mingii). Acest lucru contrazice în mod clar legea inerției. De asemenea, a doua lege a lui Newton nu este satisfăcută: prin aplicarea ei, observatorul ar obține că (forța) a acest lucru este imposibil, deoarece nici a, nici a nu sunt egale cu zero.
Este posibil, totuși, să facem aplicabile legile dinamicii descrierii mișcărilor în cadre de referință neinerțiale, dacă introducem în considerare forțe de un tip special - forțele de inerție. Apoi, în exemplul nostru, observatorul conectat la platformă poate presupune că mingea este în mișcare sub acțiunea forței de inerție.
Introducerea forței de inerție face posibilă notarea celei de-a doua legi a lui Newton (și consecințele ei) în forma obișnuită (vezi § 7); numai sub forța care acționează este acum necesar să înțelegem rezultanta forțelor „obișnuite” și a forțelor de inerție
unde este masa corpului și este accelerația acestuia.
Am numit forțele forțelor de inerție de „tip special”, în primul rând, pentru că ele acționează numai în cadre de referință neinerțiale și, în al doilea rând, pentru că pentru ele, spre deosebire de forțele „obișnuite”, este imposibil să se indice ce alte corpuri (pe corpul în cauză), sunt condiționate. Evident, din acest motiv, este imposibil să se aplice a treia lege a lui Newton (și consecințele ei) forțelor de inerție; aceasta este a treia caracteristică a forțelor inerțiale.
Imposibilitatea de a specifica corpuri individuale, a căror acțiune (asupra corpului în cauză) se datorează forțelor de inerție, nu înseamnă, desigur, că apariția acestor forțe nu este deloc legată de acțiunea vreunui material. corpuri. Există motive serioase de a presupune că forțele de inerție se datorează acțiunii întregului set de corpuri ale Universului (masa Universului în ansamblu).
Faptul este că există o mare similitudine între forțele de inerție și forțele de gravitație: ambele sunt proporționale cu masa corpului asupra căreia acționează și, prin urmare, accelerația dată corpului de fiecare dintre aceste forțe nu depinde asupra masei corpului. În anumite condiții, aceste forțe nu pot fi deloc distinse. Să fie, de exemplu, o navă spațială să se miște cu accelerație (datorită funcționării motoarelor) undeva în spațiul cosmic. Cosmonautul din el va experimenta o forță care îl apasă pe „podeaua” (peretele din spate în raport cu direcția de mișcare) navei spațiale. Această forță va crea exact același efect și va provoca aceleași senzații la astronaut pe care le-ar provoca forța corespunzătoare de gravitație.
Dacă un astronaut crede că nava sa se mișcă cu o accelerație relativă față de univers, atunci el va numi forța care acționează asupra ei forță de inerție. Dacă, totuși, cosmonautul consideră nava sa nemișcată, iar Universul se repezi pe lângă navă cu aceeași accelerație a, atunci el va numi această forță forța gravitațională. Și ambele puncte de vedere vor fi absolut egale. Niciun experiment efectuat în interiorul navei nu poate dovedi corectitudinea unuia și eroarea celuilalt punct de vedere.
Din exemplele luate în considerare și din alte exemple similare rezultă că mișcarea accelerată a cadrului de referință este echivalentă (prin efectul său asupra corpurilor) cu apariția forțelor gravitaționale corespunzătoare. Această poziţie se numeşte principiul echivalenţei forţelor gravitaţiei şi inerţiei (principiul echivalenţei lui Einstein); acest principiu stă la baza teoriei generale a relativității.
Forțele de inerție apar nu numai în mișcarea rectilinie, ci și în cadrele de referință neinerțiale care se rotesc. Să fie, de exemplu, pe o platformă orizontală care se poate roti în jurul unei axe verticale, să existe un corp de masă legat de centrul de rotație O printr-un cordon de cauciuc (Fig. 18). Dacă platforma începe să se rotească cu o viteză unghiulară ω (și, în consecință, se transformă într-un sistem neinerțial), atunci din cauza frecării, corpul va fi și el implicat în rotație. Cu toate acestea, se va deplasa într-o direcție radială din centrul platformei până când forța elastică crescândă a cordonului de întindere oprește această mișcare. Apoi corpul va începe să se rotească la o distanță de centrul O.
Din punctul de vedere al unui observator conectat cu platforma, mișcarea mingii față de aceasta se datorează unei anumite forțe, aceasta este forța de inerție, deoarece nu este cauzată de acțiunea altor anumite corpuri asupra mingii; se numește forța centrifugă de inerție. În mod evident, forța centrifugă de inerție este egală ca mărime și opusă ca direcție forței elastice a unui cordon întins, care joacă rolul unei forțe centripete care acționează asupra unui corp care se rotește față de cadrul inerțial (vezi § 13) Prin urmare
prin urmare, forța centrifugă de inerție este proporțională cu distanța corpului față de axa de rotație.
Subliniem că forța centrifugă de inerție nu trebuie confundată cu forța centrifugă „obișnuită” menționată la sfârșitul § 13. Acestea sunt forțe de natură diferită aplicate diferitelor obiecte: forța centrifugă de inerție este aplicată corpului, iar forța centrifugă se aplică conexiunii.
În concluzie, observăm că din punctul de vedere al principiului echivalenței forțelor gravitaționale și inerției, se dă o explicație simplă funcționării tuturor mecanismelor centrifuge: pompe, separatoare etc. (vezi § 13).
Orice mecanism centrifugal poate fi considerat ca un sistem rotativ neinerțial, determinând apariția unui câmp gravitațional de configurație radială, care într-o zonă limitată depășește semnificativ câmpul gravitațional terestru. În acest domeniu, particulele mai dense ale unui mediu rotativ sau particulele care sunt slab legate de acesta se deplasează spre periferia sa (ca și cum ar merge „în jos”).
cadru inerțial de referință
Cadrul de referință inerțial(ISO) - un cadru de referință în care este valabilă prima lege a lui Newton (legea inerției): toate corpurile libere (adică cele care nu sunt afectate de forțe externe sau acțiunea acestor forțe este compensată) se mișcă rectiliniu și uniform sau odihnă. Echivalentă este următoarea formulare, convenabilă pentru utilizare în mecanica teoretică:
Proprietățile cadrelor de referință inerțiale
Orice cadru de referință care se mișcă uniform și rectiliniu în raport cu IFR este, de asemenea, un IFR. Conform principiului relativității, toate IFR-urile sunt egale și toate legile fizicii sunt invariante în ceea ce privește tranziția de la un IFR la altul. Aceasta înseamnă că manifestările legilor fizicii din ele arată la fel, iar înregistrările acestor legi au aceeași formă în diferite ISO-uri.
Presupunerea existenței a cel puțin unui IFR într-un spațiu izotrop duce la concluzia că există un set infinit de astfel de sisteme care se mișcă unul față de celălalt cu toate vitezele constante posibile. Dacă există IFR, atunci spațiul va fi omogen și izotrop, iar timpul va fi omogen; conform teoremei lui Noether, omogenitatea spațiului în raport cu deplasările va da legea conservării momentului, izotropia va duce la conservarea momentului unghiular, iar omogenitatea timpului va conserva energia unui corp în mișcare.
Dacă vitezele mișcării relative a IFR-urilor realizate de corpuri reale pot lua orice valoare, legătura dintre coordonatele și timpii oricărui „eveniment” în diferite IFR-uri se realizează prin transformări galileene.
Conectare cu sisteme de referință reale
Sistemele absolut inerțiale sunt o abstractizare matematică, care în mod natural nu există în natură. Cu toate acestea, există sisteme de referință în care accelerația relativă a corpurilor suficient de îndepărtate unele de altele (măsurată prin efectul Doppler) nu depășește 10 −10 m/s², de exemplu, Sistemul Internațional de Coordonate Cerești în combinație cu Timpul Dinamic Baricentric oferă un sistem în care relativă depășește 1,5 10 −10 m/s² (la nivelul 1σ). Precizia experimentelor pentru a analiza momentul sosirii pulsurilor de la pulsari, și în curând măsurătorile astrometrice, este de așa natură încât, în viitorul apropiat, accelerația sistemului solar ar trebui măsurată pe măsură ce acesta se mișcă în câmpul gravitațional al Galaxiei, care este estimat. în m/s².
Cu diferite grade de precizie și în funcție de zona de utilizare, sistemele inerțiale pot fi considerate sisteme de referință asociate cu: Pământul, Soarele, fix față de stele.
Sistem de coordonate inerțiale geocentric
Utilizarea Pământului ca ISO, în ciuda naturii sale aproximative, este larg răspândită în navigație. Sistemul de coordonate inerțiale, ca parte a ISO, este construit conform următorului algoritm. Centrul pământului este ales ca punct O - originea coordonatelor în conformitate cu modelul său acceptat. Axa z - coincide cu axa de rotație a pământului. Axele x și y sunt în planul ecuatorial. Trebuie remarcat faptul că un astfel de sistem nu participă la rotația Pământului.
Note
Vezi si
Fundația Wikimedia. 2010 .
Vedeți ce este „Sistemul de referință inerțial” în alte dicționare:
Sistem de referință, în care legea inerției este valabilă: mater. un punct în care nu acţionează asupra lui nicio forţă (sau forţe echilibrate reciproc acţionează asupra lui), este în repaus sau mişcare rectilinie uniformă. Orice sistem de referință, ...... Enciclopedia fizică
REFERINȚĂ INERTIALĂ, vezi Cadrul de referință... Enciclopedia modernă
cadru inerțial de referință- FEEDBACK INERTIAL, vezi Cadrul de referință. … Dicţionar Enciclopedic Ilustrat
cadru inerțial de referință- inercinė atskaitos sistema statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. cadru de referință galileian; sistem de referință inerțial vok. inertiales Bezugssystem, n; Sistem inerțial, n; Tragheitssystem, n rus. cadru inerțial de referință, f pranc.… … Fizikos terminų žodynas
Un sistem de referință în care legea inerției este valabilă: un punct material, când nu acționează nicio forță asupra lui (sau forțe echilibrate reciproc), este în repaus sau mișcare rectilinie uniformă. Fiecare…… Marea Enciclopedie Sovietică
Un sistem de referință în care legea inerției este valabilă, adică un corp liber de influențele altor corpuri, își păstrează viteza neschimbată (în valoare absolută și în direcție). Este. despre. este un astfel de (și numai așa) sistem de referință, spre paradis... ... Marele dicționar politehnic enciclopedic
Un cadru de referință în care legea inerției este valabilă: un punct material, asupra căruia nu acționează nicio forță, este în repaus sau în mișcare rectilinie uniformă Orice cadru de referință care se mișcă în raport cu un IS. despre. progresiv... Științele naturii. Dicţionar enciclopedic
cadru inerțial de referință- Sistem de referință, în raport cu care un punct material izolat este în repaus sau se mișcă în linie dreaptă și uniform... Dicționar terminologic explicativ politehnic
Un sistem de referință în care legea inerției este valabilă: un punct material, asupra căruia nu acționează forțe, este în repaus sau mișcare rectilinie uniformă. Orice cadru de referință care se mișcă în raport cu un inerțial ...... Dicţionar enciclopedic
Sistem de referință inerțial- un cadru de referință în care legea inerției este valabilă: un punct material, când asupra lui nu acționează forțe (sau forțe echilibrate reciproc), este în repaus sau mișcare rectilinie uniformă. Fiecare sistem... Concepte ale științelor naturale moderne. Glosar de termeni de bază
Orice corp poate fi influențat de alte corpuri care îl înconjoară, drept urmare starea de mișcare (repaus) a corpului observat se poate schimba. În același timp, astfel de impacturi pot fi compensate (echilibrate) și nu pot provoca astfel de modificări. Când se spune că acțiunile a două sau mai multe corpuri se compensează reciproc, aceasta înseamnă că rezultatul acțiunii lor comune este același ca și când aceste corpuri nu ar exista deloc. Dacă influența altor corpuri asupra corpului este compensată, atunci în raport cu Pământul corpul este fie în repaus, fie se mișcă în linie dreaptă și uniform.
Astfel, ajungem la una dintre legile fundamentale ale mecanicii, care se numește prima lege a lui Newton.
prima lege a lui Newton (legea inerției)
Există astfel de sisteme de referință în care un corp în mișcare translațională este în repaus sau mișcare rectilinie uniformă (mișcare prin inerție) până când influențele altor corpuri îl scot din această stare.
În raport cu ceea ce s-a spus, o schimbare a vitezei unui corp (adică, accelerația) este întotdeauna cauzată de impactul altor corpuri asupra acestui corp.
Prima lege a lui Newton este valabilă numai în cadre de referință inerțiale.
Definiție
Cadrele de referință, în raport cu care un corp care nu este afectat de alte corpuri, este în repaus sau se mișcă uniform și rectiliniu, sunt numite inerțiale.
Este posibil să se determine dacă un anumit cadru de referință este inerțial doar empiric. În cele mai multe cazuri, se pot lua în considerare cadre de referință inerțiale asociate cu Pământul sau cu corpuri de referință care se mișcă uniform și rectiliniu în raport cu suprafața pământului.
Figura 1. Cadre de referință inerțiale
În prezent, s-a confirmat experimental că cadrul heliocentric de referință asociat cu centrul Soarelui și trei stele „fixe” este practic inerțial.
Orice alt cadru de referință care se mișcă uniform și rectiliniu în raport cu cel inerțial este el însuși inerțial.
Galileo a stabilit că este imposibil să se determine dacă acest sistem este în repaus sau se mișcă uniform și rectiliniu prin orice experimente mecanice stabilite în interiorul unui cadru de referință inerțial. Această afirmație se numește principiul relativității lui Galileo sau principiul mecanic al relativității.
Acest principiu a fost dezvoltat ulterior de A. Einstein și este unul dintre postulatele teoriei speciale a relativității. IFR-urile joacă un rol extrem de important în fizică, deoarece, conform principiului relativității lui Einstein, expresia matematică a oricărei legi a fizicii are aceeași formă în fiecare IFR.
Dacă corpul de referință se mișcă cu accelerație, atunci cadrul de referință asociat cu acesta este neinerțial, iar legea 1 a lui Newton nu este valabilă în el.
Proprietatea corpurilor de a-și menține starea în timp (viteza mișcării, direcția mișcării, starea de repaus etc.) se numește inerție. Însuși fenomenul de conservare a vitezei de către un corp în mișcare în absența influențelor externe se numește inerție.
Figura 2. Manifestări de inerție în autobuz la începutul mișcării și frânării
Odată cu manifestarea inerției corpurilor, ne întâlnim adesea în viața de zi cu zi. Cu o accelerare bruscă a autobuzului, pasagerii din acesta se aplecă pe spate (Fig. 2, a), iar cu o frânare bruscă a autobuzului, se aplecă înainte (Fig. 2, b), iar când autobuzul se întoarce la dreapta - la peretele său din stânga. Cu o accelerație mare a unei aeronave de decolare, corpul pilotului, încercând să-și mențină starea inițială de repaus, este apăsat de scaun.
Inerția corpurilor se manifestă în mod clar printr-o schimbare bruscă a accelerației corpurilor sistemului, când cadrul de referință inerțial este înlocuit cu unul neinerțial și invers.
Inerția unui corp este de obicei caracterizată de masa sa (masa inerțială).
Forța care acționează asupra corpului dintr-un cadru de referință non-inerțial se numește forță de inerție
Dacă mai multe forțe acționează simultan asupra unui corp într-un cadru de referință non-inerțial, dintre care unele sunt forțe „obișnuite”, iar altele sunt inerțiale, atunci corpul va experimenta o forță rezultantă, care este suma vectorială a tuturor forțelor care acționează asupra lui. . Această forță rezultată nu este o forță de inerție. Forța de inerție este doar o componentă a forței rezultate.
Dacă un băț, suspendat pe două fire subțiri, este tras încet de un șnur atașat în centru, atunci:
- bagheta se va rupe;
- cordonul se rupe;
- unul dintre fire se va rupe;
- orice varianta este posibila, in functie de forta aplicata
Figura 4
Forța se aplică la mijlocul bățului, în locul în care atârnă cordonul. Deoarece, conform legii 1 a lui Newton, orice corp are inerție, o parte a bastonului în punctul de suspendare al cordonului se va deplasa sub acțiunea forței aplicate, iar alte părți ale bastonului, asupra cărora forța nu acționează. , va rămâne în repaus. Prin urmare, bastonul se va rupe în punctul de suspendare.
Răspuns. Răspunsul corect 1.
Un bărbat trage două sănii legate, aplicând forță la un unghi de 300 față de orizont. Găsiți această forță dacă se știe că sania se mișcă uniform. Greutatea saniei este de 40 kg. Coeficient de frecare 0,3.
$t_1$ = $t_2$ = $m$ = 40 kg
$(\mathbf \mu )$ = 0,3
$(\mathbf \alpha )$=$30^(\circ)$
$g$ = 9,8 m/s2
Figura 5
Deoarece sania se mișcă cu o viteză constantă, conform primei legi a lui Newton, suma forțelor care acționează asupra saniei este zero. Să scriem prima lege a lui Newton pentru fiecare corp imediat în proiecție pe axă și să adăugăm legea lui Coulomb a frecării uscate pentru sanie:
Axa OX Axa OY
\[\left\( \begin(array)(c) T-F_(tr1)=0 \\ F_(tr1)=\mu N_1 \\ F_(tr2)=\mu N_2 \\ F(cos \alpha - \ )F_(tr2)-T=0 \end(array) \right.\left\( \begin(array)(c) N_1-mg=0 \\ N_2+F(sin \alpha \ )-mg=0 \end(matrice) \dreapta.\]
$F=\frac(2\mu mg)((cos \alpha \ )+\mu (sin \alpha \ ))=\ \frac(2\cdot 0.3\cdot 40\cdot 9.8)((cos 30() ^\circ \ )+0,3\cdot (sin 30()^\circ \ ))=231,5\ H$
Toate cadrele de referință sunt împărțite în inerțiale și non-inerțiale. Cadrul inerțial de referință stă la baza mecanicii newtoniene. Caracterizează mișcarea rectilinie uniformă și o stare de repaus. Un cadru de referință non-inerțial este asociat cu mișcarea accelerată de-a lungul unei traiectorii diferite. Această mișcare este determinată în raport cu sistemele de referință inerțiale. Cadrul de referință non-inerțial este asociat cu efecte precum forța inerțială, forța centrifugă și forța Coriolis.
Toate aceste procese apar ca urmare a mișcării, și nu a interacțiunii dintre corpuri. Legile lui Newton adesea nu funcționează în cadre de referință non-inerțiale. În astfel de cazuri, se adaugă amendamente la legile clasice ale mecanicii. Forțele datorate mișcării neinerțiale sunt luate în considerare în dezvoltarea produselor și mecanismelor tehnice, inclusiv a celor cu rotație. În viață, îi întâlnim, deplasându-ne într-un lift, călărind un carusel, urmărind vremea și curgerea râurilor. De asemenea, sunt luate în considerare la calcularea mișcării navelor spațiale.
Cadre de referință inerțiale și neinerțiale
Cadrele de referință inerțiale nu sunt întotdeauna potrivite pentru a descrie mișcarea corpurilor. În fizică, există 2 tipuri de sisteme de referință: sisteme de referință inerțiale și neinerțiale. Conform mecanicii newtoniene, orice corp poate fi în repaus sau în mișcare uniformă și rectilinie, cu excepția cazurilor în care asupra corpului se exercită o influență externă. O astfel de mișcare uniformă se numește mișcare inerțială.
Mișcarea inerțială (sisteme de referință inerțiale) stă la baza mecanicii lui Newton și a lucrărilor lui Galileo. Dacă considerăm stelele ca obiecte fixe (ceea ce de fapt nu este în întregime adevărat), atunci orice obiecte care se mișcă uniform și rectiliniu în raport cu ele vor forma cadre de referință inerțiale.
Spre deosebire de cadrele de referință inerțiale, un cadru non-inerțial se mișcă față de cel specificat cu o anumită accelerație. În același timp, utilizarea legilor lui Newton necesită variabile suplimentare, altfel acestea vor descrie inadecvat sistemul. Pentru a răspunde la întrebarea ce cadre de referință sunt numite non-inerțiale, merită să luăm în considerare un exemplu de mișcare non-inerțială. O astfel de mișcare este rotația planetei noastre și a altor planete.
Mișcarea în cadre de referință non-inerțiale
Copernic a fost primul care a arătat cât de complexă poate fi mișcarea dacă sunt implicate mai multe forțe. Înainte de el, se credea că Pământul se mișcă de la sine, în conformitate cu legile lui Newton și, prin urmare, mișcarea sa este inerțială. Cu toate acestea, Copernic a demonstrat că Pământul se învârte în jurul Soarelui, adică face o mișcare accelerată în raport cu un obiect imobil condiționat, care poate fi o stea.
Deci, există diferite sisteme de referință. Neinerțiale sunt numite numai acelea în care există o mișcare accelerată, care este determinată în raport cu cadrul inerțial.
Pământul ca cadru de referință
Un cadru de referință non-inerțial, exemple ale căruia pot fi găsite aproape peste tot, este tipic pentru corpurile cu o traiectorie complexă de mișcare. Pământul se învârte în jurul Soarelui, ceea ce creează o mișcare accelerată, care este caracteristică cadrelor de referință non-inerțiale. Cu toate acestea, în practica de zi cu zi, tot ceea ce întâlnim pe Pământ este destul de în concordanță cu postulatele lui Newton. Chestia este că corecțiile pentru mișcarea non-inerțială pentru sistemele de referință conectate cu Pământul sunt foarte nesemnificative și nu joacă un rol important pentru noi. Și ecuațiile lui Newton din același motiv se dovedesc a fi general valabile.
pendul Foucault
Cu toate acestea, în unele cazuri, sunt necesare modificări. De exemplu, pendulul Foucault de renume mondial din Catedrala din Sankt Petersburg nu numai că oscilează liniar, ci și se rotește încet. Această rotație se datorează mișcării neinerțiale a Pământului în spațiul cosmic.
Pentru prima dată acest lucru a devenit cunoscut în 1851, după experimentele omului de știință francez L. Foucault. Experimentul în sine a fost efectuat nu la Sankt Petersburg, ci la Paris, într-o sală imensă. Greutatea bilei pendulului a fost de aproximativ 30 kg, iar lungimea firului de legătură a fost de până la 67 de metri.
În cazurile în care doar formulele lui Newton pentru un cadru de referință inerțial nu sunt suficiente pentru a descrie mișcarea, la acestea se adaugă așa-numitele forțe inerțiale.
Proprietățile unui cadru de referință non-inerțial
Cadrul de referință non-inerțial efectuează diverse mișcări față de cel inerțial. Poate fi mișcare înainte, rotație, mișcări complexe combinate. Literatura de specialitate oferă, de asemenea, un exemplu atât de simplu de cadru de referință non-inerțial ca un lift cu mișcare rapidă. Din cauza mișcării sale accelerate, simțim că suntem apăsați de podea sau, dimpotrivă, există o senzație aproape de imponderabilitate. Legile mecanicii lui Newton nu pot explica un astfel de fenomen. Dacă îl urmărești pe celebrul fizician, atunci în orice moment aceeași gravitație va acționa asupra unei persoane într-un lift, ceea ce înseamnă că senzațiile ar trebui să fie aceleași, totuși, în realitate totul este diferit. Prin urmare, este necesar să adăugați o forță suplimentară la legile lui Newton, care se numește forța de inerție.
forta de inertie
Forța de inerție este o forță care acționează real, deși diferă ca natură de forțele asociate cu interacțiunea dintre corpurile din spațiu. Este luat în considerare în dezvoltarea structurilor și dispozitivelor tehnice și joacă un rol important în activitatea lor. Forțele de inerție sunt măsurate în diferite moduri, de exemplu, folosind un dinamometru cu arc. Cadrele de referință non-inerțiale nu sunt închise, deoarece forțele de inerție sunt considerate externe. Forțele de inerție sunt factori fizici obiectivi și nu depind de voința și opinia observatorului.
Sistemele de referință inerțiale și non-inerțiale, exemple ale cărora pot fi găsite în manualele de fizică, sunt acțiunea forței inerțiale, forța centrifugă, forța Coriolis, transferul de impuls de la un corp la altul și altele.
Mișcare în lift
Sisteme de referință non-inerțiale, forțele de inerție se arată bine în timpul ascensiunii sau coborârii accelerate. Dacă liftul se mișcă în sus cu accelerație, atunci forța de inerție rezultată tinde să apese persoana pe podea, iar la frânare, corpul, dimpotrivă, începe să pară mai ușor. În ceea ce privește manifestările, forța de inerție în acest caz este similară cu forța gravitației, dar are o cu totul altă natură. Gravitația este gravitația, care este asociată cu interacțiunea dintre corpuri.
forțe centrifuge
Forțele din cadrele de referință neinerțiale pot fi, de asemenea, centrifuge. Este necesar să se introducă o astfel de forță din același motiv ca și forța de inerție. Un exemplu izbitor al acțiunii forțelor centrifuge este rotația pe un carusel. În timp ce scaunul tinde să țină persoana pe „orbita” sa, forța de inerție face ca corpul să fie apăsat pe spătarul exterior al scaunului. Această confruntare se exprimă prin apariția unui astfel de fenomen precum forța centrifugă.
Forța Coriolis
Acțiunea acestei forțe este bine cunoscută pe exemplul rotației Pământului. Poate fi numită forță doar condiționat, deoarece nu este așa. Esența acțiunii sale este că în timpul rotației (de exemplu, Pământul), fiecare punct al unui corp sferic se mișcă într-un cerc, în timp ce obiectele desprinse de Pământ se mișcă în mod ideal în linie dreaptă (cum ar fi, de exemplu, un corp care zboară liber). in spatiu). Deoarece linia latitudinii este o traiectorie de rotație a punctelor de pe suprafața pământului și are forma unui inel, orice corp care este rupt din ea și care se mișcă inițial de-a lungul acestei linii, mișcându-se liniar, încep să se abată din ce în ce mai mult de la aceasta în direcția latitudinilor inferioare.
O altă variantă este atunci când corpul este lansat în direcția meridională, dar din cauza rotației Pământului, din punctul de vedere al observatorului pământesc, mișcarea corpului nu va mai fi strict meridională.
Forța Coriolis are o mare influență asupra dezvoltării proceselor atmosferice. Sub influența sa, apa lovește mai puternic malul estic al râurilor care curg în direcția meridională, erodându-l treptat, ceea ce duce la apariția stâncilor. În cea vestică, dimpotrivă, se depun precipitații, deci sunt mai blânde și adesea inundate cu apă în timpul viiturilor. Adevărat, acesta nu este singurul motiv care duce la faptul că o parte a râului este mai sus decât cealaltă, dar în multe cazuri este dominantă.
Forța Coriolis are și confirmare experimentală. A fost obţinută de fizicianul german F. Reich. În experiment, corpurile au căzut de la o înălțime de 158 m. Au fost efectuate în total 106 astfel de experimente. În timpul căderii, corpurile au deviat de la o traiectorie rectilinie (din punctul de vedere al observatorului pământesc) cu aproximativ 30 mm.
Cadre de referință inerțiale și teoria relativității
Teoria specială a relativității a lui Einstein a fost creată în raport cu cadrele de referință inerțiale. Așa-numitele efecte relativiste, conform acestei teorii, ar trebui să apară în cazul unor viteze foarte mari ale corpului față de observatorul „staționar”. Toate formulele teoriei relativității speciale sunt scrise și pentru mișcarea uniformă inerentă cadrului de referință inerțial. Primul postulat al acestei teorii afirmă echivalența oricăror sisteme de referință inerțiale, adică se postulează absența unor sisteme speciale, distinse.
Totuși, acest lucru pune sub semnul întrebării posibilitatea de a testa efectele relativiste (precum și faptul însuși al prezenței lor), ceea ce a dus la apariția unor fenomene precum paradoxul gemenilor. Deoarece cadrele de referință asociate cu racheta și Pământul sunt fundamental egale, efectele dilatației timpului în perechea „Pământ-rachetă” vor depinde doar de locul în care se află observatorul. Deci, pentru un observator pe o rachetă, timpul pe Pământ ar trebui să meargă mai lent, iar pentru o persoană de pe planeta noastră, dimpotrivă, ar trebui să meargă mai încet pe o rachetă. Drept urmare, geamănul care a rămas pe Pământ își va vedea fratele sosit mai tânăr, iar cel care era în rachetă, după ce a sosit, ar trebui să-l vadă mai tânăr decât cel care a rămas pe Pământ. Este clar că acest lucru este imposibil din punct de vedere fizic.
Aceasta înseamnă că, pentru a observa efectele relativiste, este nevoie de un cadru de referință special și distins. De exemplu, se presupune că observăm o creștere relativistă a duratei de viață a muonilor dacă aceștia se mișcă cu viteza aproape de lumină în raport cu Pământul. Aceasta înseamnă că Pământul ar trebui (mai mult, fără alternativă) să aibă proprietățile unui cadru de referință prioritar, de bază, care contrazice primul postulat al SRT. Prioritatea este posibilă numai dacă Pământul este centrul universului, ceea ce este în concordanță doar cu imaginea primitivă a lumii și contrazice fizica.
Cadre de referință non-inerțiale ca modalitate nereușită de a explica paradoxul gemenilor
Încercările de a explica prioritatea sistemului de referință „terestre” nu rezistă criticilor. Unii oameni de știință asociază această prioritate tocmai cu factorul de inerțialitate al unuia și non-inerțialitatea altui cadru de referință. În același timp, cadrul de referință asociat cu un observator pe Pământ este considerat inerțial, în ciuda faptului că în știința fizică este recunoscut oficial ca non-inerțial (Detlaf, Yavorsky, curs de fizică, 2000). Acesta este primul. Al doilea este același principiu de egalitate al oricăror sisteme de referință. Deci, dacă nava spațială părăsește Pământul cu accelerație, atunci din punctul de vedere al observatorului de pe navă însăși, este statică, iar Pământul, dimpotrivă, zboară departe de el cu o viteză crescândă.
Se dovedește că Pământul însuși este un cadru de referință special, sau efectele observate au o explicație diferită (non-relativistă). Este posibil ca procesele să fie legate de specificul înființării sau interpretării experimentelor, sau de alte mecanisme fizice ale fenomenelor observate.
Concluzie
Astfel, cadrele de referință neinerțiale duc la apariția unor forțe care nu și-au găsit locul în legile mecanicii newtoniene. Atunci când se calculează pentru sistemele neinerțiale, aceste forțe trebuie luate în considerare, inclusiv la dezvoltarea produselor tehnice.
Întrebări.
1. Cum se mișcă un corp dacă niciun alt corp nu acționează asupra lui?
Corpul se mișcă uniform și rectiliniu sau este în repaus.
2. Corpul se mișcă uniform în linie dreaptă. Își schimbă viteza?
Dacă un corp se mișcă uniform și în linie dreaptă, atunci viteza lui nu se schimbă.
3. Ce concepții cu privire la starea de repaus și mișcarea corpurilor existau înainte de începutul secolului al XVII-lea?
Până la începutul secolului al XVII-lea a dominat teoria lui Aristotel, conform căreia, dacă nu există nicio influență externă asupra ei, atunci se poate odihni, iar pentru a se deplasa cu o viteză constantă, un alt corp trebuie să acționeze continuu asupra lui.
4. Prin ce diferă punctul de vedere al lui Galileo cu privire la mișcarea corpurilor de punctul de vedere al lui Aristotel?
Punctul de vedere al lui Galileo, despre mișcarea corpurilor, diferă de punctul de vedere al lui Aristotel prin aceea că corpurile se pot mișca în absența forțelor exterioare.
5. Cum a fost realizat experimentul prezentat în figura 19 și ce concluzii rezultă din acesta?
Cursul experienței. Pe un cărucior sunt două bile care se mișcă uniform și rectiliniu față de sol. O minge se sprijină pe fundul căruciorului, iar a doua este suspendată de un fir. Bilele sunt în repaus în raport cu căruciorul, deoarece forțele care acționează asupra lor sunt echilibrate. La frânare, ambele bile intră în mișcare. Își schimbă viteza în raport cu căruciorul, deși asupra lor nu acționează nicio forță. Concluzie: În consecință, în cadrul de referință asociat căruciorului de frânare nu este îndeplinită legea inerției.
6. Cum se citește prima lege a lui Newton? (în termeni moderni)?
Prima lege a lui Newton în formularea modernă: există sisteme de referință cu privire la care corpurile își păstrează viteza neschimbată dacă nu sunt afectate de alte corpuri (forțe) sau acțiunea acestor corpuri (forțe) este compensată (egal cu zero).
7. Care cadre de referință se numesc inerțiale și care sunt numite neinerțiale?
Cadrele de referință în care legea inerției este îndeplinită se numesc inerțiale, iar în care aceasta nu este îndeplinită - neinerțială.
Da, poti. Aceasta rezultă din definiția cadrelor de referință inerțiale.
9. Cadrul de referință se mișcă cu accelerație în raport cu orice cadru inerțial?
Nu, nu inerțial.
Exerciții.
1. Pe masă, într-un tren care se mișcă uniform și rectiliniu, se află o mașină de jucărie ușor de mutat. Când trenul a frânat, mașina s-a rostogolit înainte fără nicio influență externă, menținându-și viteza față de sol.
Este îndeplinită legea inerției: a) în cadrul de referință legat de pământ; b) în cadrul de referință asociat trenului, în timpul mișcării sale rectilinie și uniforme? In timpul franarii?
Este posibil în cazul descris să se considere cadrul de referință legat de pământ ca fiind inerțial? cu trenul?
a) Da, legea inerției este îndeplinită în toate cazurile, deoarece mașina a continuat să se miște în raport cu Pământul; b) În cazul mișcării uniforme și rectilinie a trenului, legea inerției este îndeplinită (mașina staționează), dar nu la frânare. Pământul este în toate cazurile un cadru de referință inerțial, iar trenul se află doar în mișcare uniformă și rectilinie.
