Prvo inercijski referentni okviri. Koji se referentni sustavi nazivaju inercijskim? Primjeri inercijalnog referentnog okvira

Prvi Newtonov zakon postulira prisutnost takvog fenomena kao što je inercija tijela. Stoga je poznat i kao zakon inercije. Inercija - ovo je pojava da tijelo održava brzinu kretanja (i po veličini i po smjeru), kada na tijelo ne djeluju sile. Za promjenu brzine kretanja potrebno je djelovati na tijelo nekom silom. Naravno, rezultat djelovanja sila iste veličine na različita tijela bit će različit. Tako se kaže da tijela imaju inerciju. Inercija je svojstvo tijela da se opiru promjeni svog trenutnog stanja. Vrijednost inercije karakterizira tjelesna masa.

Inercijski referentni okvir

Prvi Newtonov zakon kaže (što se može eksperimentalno provjeriti s različitim stupnjevima točnosti) da inercijski sustavi stvarno postoje. Ovaj zakon mehanike postavlja inercijalne referentne okvire u poseban, privilegiran položaj.

Referentni okviri u kojima je zadovoljen Newtonov prvi zakon nazivaju se inercijskim.

Inercijski sustavi referenca- to su sustavi u odnosu na koje materijalna točka, u nedostatku vanjskih utjecaja na nju ili njihove međusobne kompenzacije, miruje ili se kreće jednoliko i pravocrtno.

Postoji beskonačan broj inercijskih sustava. Referentni okvir povezan s vlakom koji se kreće konstantnom brzinom duž ravnog dijela pruge također je inercijski okvir (približno), poput okvira povezanog sa Zemljom. Svi inercijski referentni okviri čine klasu okvira koji se gibaju jedan u odnosu na drugi jednoliko i pravocrtno. Ubrzanja bilo kojeg tijela u različitim inercijskim okvirima su ista.

Kako postaviti što ovaj sustav referenca je inercijalna? To se može učiniti samo iskustvom. Promatranja pokazuju da se s vrlo visokim stupnjem točnosti heliocentrični okvir može smatrati inercijskim referentnim okvirom, u kojem je ishodište koordinata povezano sa Suncem, a osi usmjerene prema određenim "fiksnim" zvijezdama. Referentni okviri koji su čvrsto povezani sa Zemljinom površinom, strogo govoreći, nisu inercijski, budući da se Zemlja kreće u orbiti oko Sunca i istovremeno rotira oko svoje osi. Međutim, kada se opisuju gibanja koja nemaju globalnu (tj. svjetsku) ljestvicu, referentni sustavi povezani sa Zemljom mogu se s dovoljnom točnošću smatrati inercijskim.

Referentni okviri su također inercijski ako se gibaju jednoliko i pravocrtno u odnosu na bilo koji inercijski referentni okvir.

Galileo je ustanovio da je nemoguće odrediti miruje li ovaj sustav ili se giba jednoliko i pravolinijski pomoću bilo kakvih mehaničkih pokusa postavljenih unutar inercijalnog referentnog okvira. Ta se izjava naziva Galileovim principom relativnosti ili mehaničkim principom relativnosti.

Ovaj princip je naknadno razvio A. Einstein i jedan je od postulata specijalne teorije relativnosti. Inercijski referentni okviri igraju iznimno važnu ulogu u fizici, budući da, prema Einsteinovom principu relativnosti, matematički izraz bilo kojeg zakona fizike ima isti oblik u svakom inercijskom referentnom okviru. Ubuduće ćemo koristiti samo inercijalne sustave (bez da to svaki put spominjemo).

Referentni okviri u kojima prvi Newtonov zakon nije ispunjen nazivaju se neinercijalnim.

Takvi sustavi uključuju bilo koji referentni okvir koji se kreće akceleracijom u odnosu na inercijski referentni okvir.

U Newtonovoj mehanici, zakoni interakcije tijela formulirani su za klasu inercijalnih referentnih okvira.

Primjer mehaničkog eksperimenta u kojem se očituje neinercijalnost sustava povezanog sa Zemljom je ponašanje Foucaultovog njihala. Ovo je naziv masivne kugle obješene na dovoljno dugoj niti i koja čini male oscilacije oko ravnotežnog položaja. Da je sustav povezan sa Zemljom inercijalan, ravnina titranja Foucaultovog njihala ostala bi nepromijenjena u odnosu na Zemlju. Zapravo, ravnina njihanja njihala rotira se zbog Zemljine rotacije, a projekcija putanje njihala na Zemljinu površinu izgleda poput rozete (slika 1.).

Činjenica da tijelo nastoji održavati ne bilo kakvo kretanje, odnosno pravolinijsko, dokazuje, na primjer, sljedeći pokus (slika 2). Lopta koja se kreće pravolinijski duž ravne vodoravne površine, sudarajući se s preprekom zakrivljenog oblika, prisiljena je kretati se u luku pod djelovanjem ove prepreke. Međutim, kada lopta dođe do ruba prepreke, prestaje se kretati u krivolinijskom smjeru i ponovno se počinje kretati ravno. Rezimirajući rezultate gornjih (i sličnih) opažanja, možemo zaključiti da ako na određeno tijelo ne utječu druga tijela ili su njihova djelovanja međusobno kompenzirana, ovo tijelo miruje ili njegova brzina ostaje nepromijenjena u odnosu na referentni okvir fiksno povezan sa Zemljinom površinom.

Pitanje #6:

Može se bojati da je većini čitatelja već dosadilo teorijsko razmišljanje i da će zahtijevati davanje konkretan primjer inercijski sustav u prirodi. Pokušajmo im ispuniti želju koliko god je to moguće. Razmotrimo konkretan primjer: je li LTT inercijski sustav Zemlje? Svaki učenik će na to reći: „Svi primjeri koje nastavnik fizike daje na satu, objašnjavajući Newtonove zakone, odnose se na kretanje tijela na Zemlji. Ja to razumijem na način da se kretanja svih tijela na Zemlji odvijaju prema Newtonovim zakonima. Dakle, Zemlja je inercijski sustav.”

Ipak, ovaj zaključak nije točan. Da bismo to potvrdili, u mislima se preselimo u pariški Panteon, gdje je 1851. Leon Foucault, član Francuske akademije znanosti, pokazao svoje slavno iskustvo.

Na kupolu Panteona visi 67-metarski kabel, na koji je pričvršćen bakreni uteg težine 28 kg. Ovo divovsko njihalo je postavljeno na njihanje. Nakon nekoliko oscilacija, otkriva se nevjerojatan fenomen: ravnina u kojoj se njihalo njiše počinje se polako okretati. Zašto? Foucault je rezultat pokusa objasnio rotacijom Zemlje oko svoje osi. Zemlja rotira, ali se ravnina njihanja njihala ne mijenja – to dovodi do rotacije ravnine njihanja u odnosu na zemljinu površinu. U potpunosti se slažemo s ovim objašnjenjem, samo ćemo ga izraziti malo drugačije: Zemlja nije inercijski sustav. Ravnina titranja njihala rotira u odnosu na Zemlju, ali je nemoguće pronaći bilo koje tijelo koje bi bilo izvor sile koja uzrokuje ovu rotaciju. U ovom slučaju, ubrzanje (rotacija se odnosi na ubrzana kretanja) događa se bez utjecaja stvarne sile. U inercijskim sustavima, gdje vrijede Newtonovi zakoni, takve pojave su nemoguće.

Zemlja se može smatrati inercijskim sustavom samo približno; drugim riječima, Zemlju možemo smatrati inercijskim sustavom samo da bismo opisali takve procese, na koje njezina rotacija praktički nema primjetan učinak. Velika većina pojava koje nas okružuju po svojoj prirodi upravo su takve. Stoga u praktičnom životu možemo sigurno primijeniti Newtonove zakone na gibanje na Zemlji.

Da Zemlja nije inercijski sustav potvrđuju i druge pojave. Godine 1802. u Hamburgu je izveden pokus u kojem je s visine od 76 m teško tijelo palo je na tlo. Pokazalo se da tijelo nije palo točno u smjeru sile gravitacije koja djeluje na njega, već je skrenulo gotovo 1 cm prema istoku. To se može objasniti samo činjenicom da je Zemlja neinercijalni sustav.

Godine 1857. ruski akademik Karl Baer uspostavio je poznati zakon erozije riječnih obala: za rijeke koje teku duž meridijana na sjevernoj hemisferi, desna obala je visoka, a lijeva obala niska, na južnoj hemisferi, na naprotiv, lijeva obala je visoka, a desna niska. Ovaj obrazac je posebno izražen u velikim rijekama. Visoku desnu obalu imaju Nil, Ob, Irtiš, Lena, Volga, Dunav, Dnjepar, Don itd. Lijeva je obala viša od desne obale kod rijeka južne hemisfere kao što su Parana i Paragvaj. To se može objasniti samo činjenicom da se vode rijeka koje teku duž meridijana na sjevernoj hemisferi pomiču udesno (na južnoj hemisferi, odnosno ulijevo), ispirući desnu i lijevu obalu, formirana od ispranog pijeska, postaje nagnuta.

Zašto bi rijeke koje teku duž meridijana trebale skrenuti u stranu? Iz istog razloga zbog kojeg se rotira ravnina njihala i odstupa tijelo koje slobodno pada. Geograf će odgovoriti da su svi ti fenomeni posljedica rotacije Zemlje oko svoje osi. Fizičar će objasniti da to izražava neinercijalnost Zemlje kao referentnog tijela. Zemlja rotira u odnosu na inercijalne sustave.

Pronalaženje inercijalnog okvira, u principu, nije teško: samo trebate pronaći referentni okvir u kojem točno vrijede Newtonovi zakoni. U praksi, međutim, uopće nije tako jednostavno. Inercijski sustav može biti samo sustav povezan sa slobodnim tijelom. U prirodi, kao što je već navedeno, ne slobodnih tijela; sva tijela su u interakciji s drugim tijelima, iako ta interakcija može biti proizvoljno mala. Stoga je nemoguće u prirodi naznačiti konkretan inercijski sustav, ali se uvijek može pronaći sustav koji se pri proučavanju zadanog problema može smatrati inercijskim s dovoljnom točnošću za praksu. željeni sustav uvijek treba odabrati tako da pojave zbog njegove neinercijalnosti budu manje od pogreške korištene mjerni instrumenti. Kao što smo već primijetili, kada opisujemo „većinu kretanja zemlje naš planet se može smatrati inercijskim sustavom. U Foucaultovom pokusu, kao i u proučavanju gibanja Zemlje, inercijski sustav treba povezati sa Suncem. Kretanje Sunca može se opisati u inercijskom okviru povezanom s okolnim zvijezdama (pretpostavlja se da su zvijezde praktički nepomične), a kada se proučava rotacija Galaksije, potrebno je povezati inercijski okvir sa središtem mase galaksija.

Predstavljamo vam video lekciju posvećenu temi „Inercijski referentni okviri. Prvi Newtonov zakon, koji je uključen u školski tečaj fizike za 9. razred. Na početku sata nastavnik će vas podsjetiti na važnost odabranog referentnog okvira. A zatim će govoriti o ispravnosti i značajkama odabranog referentnog sustava, a također će objasniti pojam "inercija".

U prethodnoj lekciji govorili smo o važnosti odabira referentnog okvira. Podsjetimo da će putanja, prijeđena udaljenost i brzina ovisiti o tome kako ćemo odabrati CO. Postoji niz drugih značajki povezanih s izborom referentnog sustava, a o njima ćemo govoriti.

Riža. 1. Ovisnost putanje pada tereta o izboru referentnog sustava

U sedmom razredu učili ste pojmove "tromost" i "tromost".

Inercija - Ovo fenomen, u kojem tijelo nastoji održati svoje izvorno stanje. Ako se tijelo kretalo, onda bi trebalo nastojati održati brzinu ovog kretanja. A ako miruje, nastojat će održati svoje stanje mirovanja.

inercija - Ovo imovine tijelo za održavanje stanja kretanja. Svojstvo inercije karakterizira takva veličina kao što je masa. Težina – mjera inercije tijela. Što je tijelo teže, to se teže kreće ili, obrnuto, zaustavlja.

Imajte na umu da su ovi koncepti izravno povezani s konceptom " inercijski referentni okvir» (ISO), o čemu će biti riječi u nastavku.

Razmotrimo gibanje tijela (ili stanje mirovanja) ako na tijelo ne djeluju druga tijela. Zaključak o tome kako će se tijelo ponašati u odsutnosti djelovanja drugih tijela prvi je predložio Rene Descartes (slika 2), a nastavio ga je u Galileovim pokusima (slika 3).

Riža. 2. Rene Descartes

Riža. 3. Galileo Galilei

Ako se tijelo giba, a na njega ne djeluju nikakva druga tijela, tada će kretanje biti očuvano, ostat će pravocrtno i jednolično. Ako druga tijela ne djeluju na tijelo, a tijelo miruje, tada će stanje mirovanja biti očuvano. No, poznato je da je stanje mirovanja povezano s referentnim okvirom: u jednom FR tijelo miruje, a u drugom se kreće prilično uspješno i brzo. Rezultati eksperimenata i razmišljanja dovode do zaključka da se u svim referentnim okvirima tijelo neće kretati pravocrtno i jednoliko ili mirovati u odsutnosti drugih tijela koja na njega djeluju.

Posljedično, da bi se riješio glavni problem mehanike, važno je odabrati takav sustav izvješćivanja, gdje je zakon inercije ipak ispunjen, gdje je jasan razlog koji je izazvao promjenu gibanja tijela. Ako se tijelo giba pravocrtno i jednoliko u odsutnosti djelovanja drugih tijela, takav referentni okvir će nam biti poželjniji i on će se zvati inercijski referentni okvir(ISO).

Aristotelovo stajalište o uzroku kretanja

Inercijski referentni okvir je prikladan model za opisivanje gibanja tijela i razloga koji uzrokuju takvo gibanje. Po prvi put se ovaj koncept pojavio zahvaljujući Isaacu Newtonu (slika 5.).

Riža. 5. Isaac Newton (1643.-1727.)

Stari Grci su pokret zamišljali na potpuno drugačiji način. Upoznat ćemo se s aristotelovskim stajalištem o kretanju (slika 6).

Riža. 6. Aristotel

Prema Aristotelu, postoji samo jedan inercijski referentni okvir – referentni okvir povezan sa Zemljom. Svi ostali referentni sustavi, prema Aristotelu, su sekundarni. Sukladno tome, sva kretanja se mogu podijeliti u dvije vrste: 1) prirodna, odnosno ona koja izvještava Zemlja; 2) prisilno, odnosno sve ostalo.

Najjednostavniji primjer prirodnog gibanja je slobodan pad tijela na Zemlju, budući da Zemlja u ovom slučaju tijelu daje brzinu.

Razmotrimo primjer prisilnog kretanja. To je situacija kada konj vuče kola. Dok god konj djeluje silom, kola se kreću (slika 7). Čim je konj stao, stala su i kola. Nema snage, nema brzine. Prema Aristotelu, sila je ta koja objašnjava prisutnost brzine u tijelu.

Riža. 7. Prisilno kretanje

Do sada su neki obični ljudi Aristotelovo stajalište smatrali poštenim. Na primjer, pukovnik Friedrich Kraus von Zillergut iz Pustolovine dobrog vojnika Schweika tijekom svjetskog rata pokušao je ilustrirati princip "Nema snage - nema brzine": "Kada je sav benzin izašao", rekao je pukovnik, "auto je bio prisiljen prestati. Ovo sam jučer vidio. I nakon toga još pričaju o inerciji, gospodo. Ne ide, stoji, ne miče se s mjesta. Bez benzina! Pa, zar nije smiješno?

Kao i u modernom šou biznisu, gdje ima obožavatelja, uvijek će biti kritičara. Aristotel je imao i svoje kritičare. Predložili su mu da napravi sljedeći pokus: pusti tijelo i ono će pasti točno ispod mjesta gdje smo ga pustili. Navedimo primjer kritike Aristotelove teorije, sličan primjerima njegovih suvremenika. Zamislite da leteći avion izbacuje bombu (slika 8). Hoće li bomba pasti točno ispod mjesta gdje smo je pustili?

Riža. 8. Ilustracija na primjer

Naravno da ne. Ali na kraju krajeva, ovo je prirodno kretanje – kretanje koje je Zemlja izvijestila. Što onda tjera ovu bombu da se kreće dalje i dalje? Aristotel je ovako odgovorio: činjenica je da je prirodno kretanje koje izvještava Zemlja pad ravno prema dolje. Ali kada se kreće u zraku, bombu odnesu njezine turbulencije, a te turbulencije, takoreći, guraju bombu naprijed.

Što će se dogoditi ako se ukloni zrak i stvori vakuum? Uostalom, ako nema zraka, tada bi, prema Aristotelu, bomba trebala pasti strogo ispod mjesta gdje je bačena. Aristotel je tvrdio da ako nema zraka, onda je takva situacija moguća, ali zapravo u prirodi nema praznine, nema vakuuma. A ako nema vakuuma, nema problema.

I samo je Galileo Galilei formulirao načelo inercije u obliku na koji smo navikli. Razlog promjene brzine je djelovanje drugih tijela na tijelo. Ako druga tijela ne djeluju na tijelo ili se to djelovanje kompenzira, tada se brzina tijela neće promijeniti.

O inercijskom referentnom okviru možemo iznijeti sljedeće razmišljanje. Zamislite situaciju u kojoj se automobil kreće, zatim vozač ugasi motor, a zatim se automobil kreće po inerciji (slika 9). Ali ovo je netočna izjava iz jednostavnog razloga što će se tijekom vremena automobil zaustaviti kao rezultat sile trenja. Stoga, u ovom slučaju neće biti jednoliko kretanje- nedostaje jedan od uvjeta.

Riža. 9. Brzina automobila se mijenja kao posljedica sile trenja

Razmotrimo još jedan slučaj: veliki, veliki traktor kreće se stalnom brzinom, dok ispred sebe vuče veliki teret s kantom. Takvo kretanje se može smatrati pravolinijskim i jednoličnim, jer se u tom slučaju sve sile koje djeluju na tijelo kompenziraju i međusobno uravnotežuju (slika 10.). Dakle, referentni okvir povezan s ovim tijelom možemo smatrati inercijskim.

Riža. 10. Traktor se kreće ravnomjerno i pravocrtno. Djelovanje svih tijela je kompenzirano

Može postojati mnogo inercijskih referentnih okvira. U stvarnosti je, međutim, takav referentni okvir još uvijek idealiziran, budući da nakon detaljnijeg razmatranja ne postoje takvi referentni okviri u punom smislu. ISO je vrsta idealizacije koja vam omogućuje učinkovitu simulaciju stvarnih fizičkih procesa.

Za inercijalne referentne sustave vrijedi Galileova formula za zbrajanje brzina. Također imajte na umu da se svi referentni okviri, o kojima smo prije govorili, mogu smatrati inercijskim u nekoj aproksimaciji.

Isaac Newton je bio prvi koji je formulirao zakon posvećen ISO-u. Newtonova zasluga je u tome što je prvi znanstveno pokazao da se brzina tijela koje se kreće ne mijenja trenutno, već kao rezultat nekog djelovanja tijekom vremena. Ta je činjenica bila temelj za stvaranje zakona, koji nazivamo prvim Newtonovim zakonom.

Prvi Newtonov zakon : postoje referentni sustavi u kojima se tijelo giba pravocrtno i jednoliko ili miruje ako na tijelo ne djeluju sile ili su sve sile koje djeluju na tijelo kompenzirane. Takvi referentni okviri nazivaju se inercijskim.

Na drugi način, ponekad kažu ovo: inercijski referentni okvir je okvir u kojem su ispunjeni Newtonovi zakoni.

Zašto je Zemlja neinercijalni CO. Foucaultovo njihalo

NA u velikom broju problema, potrebno je razmotriti gibanje tijela u odnosu na Zemlju, dok Zemlju smatramo inercijskim referentnim okvirom. Ispada da ova izjava nije uvijek istinita. Ako uzmemo u obzir kretanje Zemlje u odnosu na svoju os ili u odnosu na zvijezde, onda se to kretanje odvija s određenim ubrzanjem. SO, koji se kreće s određenim ubrzanjem, ne može se smatrati inercijskim u punom smislu.

Zemlja se okreće oko svoje osi, što znači da sve točke koje leže na njezinoj površini kontinuirano mijenjaju smjer svoje brzine. Brzina je vektorska veličina. Ako se njegov smjer promijeni, tada se pojavljuje neko ubrzanje. Stoga, Zemlja ne može biti ispravan ISO. Ako izračunamo ovo ubrzanje za točke koje se nalaze na ekvatoru (točke koje imaju maksimalno ubrzanje u odnosu na točke bliže polovima), tada će njegova vrijednost biti . Indeks pokazuje da je akceleracija centripetalna. U usporedbi s ubrzanjem slobodan pad, ubrzanje se može zanemariti i Zemlja se može smatrati inercijskim referentnim okvirom.

Međutim, tijekom dugotrajnih promatranja ne treba zaboraviti na rotaciju Zemlje. To je uvjerljivo pokazao francuski znanstvenik Jean Bernard Leon Foucault (slika 11.).

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

Foucaultovo njihalo(slika 12) - to je ogromna težina obješena na vrlo dugu nit.

Riža. 12. Model Foucaultovog njihala

Ako se Foucaultovo njihalo izvadi iz ravnoteže, ono će opisivati ​​sljedeću putanju osim ravne (slika 13.). Pomak njihala je posljedica rotacije Zemlje.

Riža. 13. Oscilacije Foucaultovog njihala. Pogled odozgo.

Rotacija Zemlje je posljedica niza Zanimljivosti. Na primjer, u rijekama sjeverne hemisfere, u pravilu je desna obala strmija, a lijeva je pitomija. U rijekama južne hemisfere - naprotiv. Sve je to posljedica upravo rotacije Zemlje i rezultirajuće Coriolisove sile.

O pitanju formulacije prvog Newtonova zakona

Prvi Newtonov zakon: ako na tijelo ne djeluju nijedno tijelo ili je njihovo djelovanje međusobno uravnoteženo (kompenzirano), tada će ovo tijelo mirovati ili će se kretati jednoliko i pravocrtno.

Razmotrimo situaciju koja će nam ukazati da takvu formulaciju prvog Newtonova zakona treba ispraviti. Zamislite vlak sa zavjesama na prozorima. U takvom vlaku putnik ne može utvrditi kreće li se vlak ili ne po predmetima izvana. Razmotrimo dva referentna okvira: FR povezan s putnikom Volodya i FR povezan s promatračem na platformi Katya. Vlak počinje ubrzavati, brzina mu se povećava. Što će se dogoditi s jabukom na stolu? Zakotrljat će se u suprotnom smjeru. Za Katju će biti očito da se jabuka kreće po inerciji, ali za Volodju će to biti neshvatljivo. Ne vidi da je vlak krenuo, a odjednom se po njemu počinje kotrljati jabuka koja je ležala na stolu. Kako ovo može biti? Uostalom, prema prvom Newtonovom zakonu, jabuka mora mirovati. Stoga je potrebno unaprijediti definiciju prvog Newtonova zakona.

Riža. 14. Primjer ilustracije

Točna formulacija Newtonovog prvog zakona zvuči ovako: postoje referentni sustavi u kojima se tijelo kreće pravocrtno i jednoliko ili miruje ako na tijelo ne djeluju sile ili su sve sile koje djeluju na tijelo kompenzirane.

Volodja je u neinercijskom referentnom okviru, a Katja u inercijskom.

Većina sustava, pravi referentni sustavi - neinercijski. Razmotrite jednostavan primjer: sjedeći u vlaku, stavite neko tijelo (na primjer, jabuku) na stol. Kad se vlak počne kretati, promatrat ćemo tako zanimljivu sliku: jabuka će se kretati, kotrljati se u smjeru suprotnom kretanju vlaka (slika 15.). U ovom slučaju nećemo moći odrediti koja tijela djeluju, tjeraju jabuku da se kreće. U ovom slučaju se kaže da je sustav neinercijalan. Ali možete izaći iz situacije ulaskom sila inercije.

Riža. 15. Primjer neinercijalnog CO

Drugi primjer: kada se tijelo kreće po zaobljenju ceste (slika 16), javlja se sila koja uzrokuje odstupanje tijela od pravocrtnog smjera gibanja. U ovom slučaju također moramo uzeti u obzir neinercijski referentni okvir, ali, kao i u prethodnom slučaju, iz situacije možemo izaći i uvođenjem tzv. sile inercije.

Riža. 16. Sile inercije pri kretanju po zaobljenom putu

Zaključak

Postoji beskonačan broj referentnih sustava, ali većina njih su oni koje ne možemo smatrati inercijskim referentnim sustavima. Inercijski referentni okvir je idealizirani model. Usput, takav referentni sustav možemo uzeti kao referentni sustav povezan sa Zemljom ili nekim udaljenim objektima (na primjer, sa zvijezdama).

Bibliografija

1. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizika: Udžbenik za 9. razred Srednja škola. - M.: Prosvjeta.
2. Peryshkin A.V., Gutnik E.M. Fizika. 9. razred: udžbenik za opće obrazovanje. institucije / A. V. Peryshkin, E. M. Gutnik. - 14. izd., stereotip. - M.: Drfa, 2009. - 300.
3. Sokolovich Yu.A., Bogdanova G.S. Fizika: Priručnik s primjerima rješavanja problema. - 2. izdanje, redistribucija. - X .: Vesta: Izdavačka kuća "Ranok", 2005. - 464 str.

1. Internetski portal "physics.ru" ()
2. Internetski portal "ens.tpu.ru" ()
3. Internetski portal "prosto-o-slognom.ru" ()

Domaća zadaća

1. Formulirati definicije inercijskih i neinercijalnih referentnih okvira. Navedite primjere takvih sustava.
2. Navedite prvi Newtonov zakon.
3. U ISO-u tijelo miruje. Odredi kolika je vrijednost njegove brzine u IFR-u, koja se giba brzinom u odnosu na prvi referentni okvir v?

Na svako tijelo mogu utjecati druga tijela koja ga okružuju, uslijed čega se stanje gibanja (mirovanja) promatranog tijela može promijeniti. Istodobno, takvi se utjecaji mogu kompenzirati (uravnotežiti) i ne uzrokovati takve promjene. Kada kažu da se djelovanje dvaju ili više tijela međusobno kompenzira, to znači da je rezultat njihovog zajedničkog djelovanja isti kao da ta tijela uopće ne postoje. Ako se nadoknadi utjecaj drugih tijela na tijelo, tada tijelo u odnosu na Zemlju ili miruje ili se kreće pravocrtno i jednoliko.

Tako dolazimo do jednog od temeljnih zakona mehanike, koji se zove prvi Newtonov zakon.

Prvi Newtonov zakon (zakon inercije)

Postoje takvi referentni sustavi u kojima tijelo koje se translacijsko kreće miruje ili se ravnomjerno giba pravolinijski (gibanje po inerciji) sve dok ga utjecaji drugih tijela ne izvedu iz tog stanja.

U odnosu na rečeno, promjena brzine tijela (tj. ubrzanja) uvijek je uzrokovana udarom nekih drugih tijela na ovo tijelo.

Newtonov 1. zakon vrijedi samo u inercijalnim referentnim okvirima.

Definicija

Referentni okviri, u odnosu na koje tijelo na koje ne utječu druga tijela, miruje ili se giba jednoliko i pravocrtno, nazivaju se inercijskim.

Moguće je utvrditi je li dati referentni okvir inercijalan samo empirijski. U većini slučajeva se mogu uzeti u obzir inercijski referentni okviri povezani sa Zemljom ili s referentnim tijelima koja se gibaju jednoliko i pravocrtno u odnosu na zemljinu površinu.

Slika 1. Inercijski referentni okviri

Trenutno je eksperimentalno potvrđeno da je heliocentrični referentni okvir povezan sa središtem Sunca i tri "fiksne" zvijezde praktički inercijalan.

Svaki drugi referentni okvir koji se kreće jednoliko i pravocrtno u odnosu na inercijski je sam po sebi inercijalan.

Galileo je ustanovio da je nemoguće odrediti miruje li ovaj sustav ili se giba jednoliko i pravolinijski pomoću bilo kakvih mehaničkih pokusa postavljenih unutar inercijalnog referentnog okvira. Ova se izjava naziva Galileovim principom relativnosti ili mehaničkim principom relativnosti.

Ovaj princip je naknadno razvio A. Einstein i jedan je od postulata specijalne teorije relativnosti. IFR imaju izuzetno važnu ulogu u fizici, budući da, prema Einsteinovom principu relativnosti, matematički izraz bilo kojeg zakona fizike ima isti oblik u svakom IFR-u.

Ako se referentno tijelo giba ubrzano, tada je referentni okvir koji mu je pridružen neinercijalan i u njemu ne vrijedi Newtonov 1. zakon.

Svojstvo tijela da održavaju svoje stanje u vremenu (brzinu kretanja, smjer kretanja, stanje mirovanja itd.) nazivamo inercijom. Sama pojava očuvanja brzine od strane tijela koje se kreće u odsutnosti vanjskih utjecaja naziva se inercija.

Slika 2. Manifestacije inercije u autobusu na početku kretanja i kočenja

S manifestacijom tromosti tijela često se susrećemo u svakodnevnom životu. Naglim ubrzanjem autobusa putnici se u njemu naginju unatrag (sl. 2, a), a naglim kočenjem autobusa se naginju naprijed (slika 2, b), a kada autobus skrene udesno - do njegovog lijevog zida. Uz veliko ubrzanje zrakoplova za uzlijetanje, tijelo pilota, pokušavajući zadržati prvobitno stanje mirovanja, pritisnuto je uz sjedalo.

Inercija tijela jasno se očituje u oštroj promjeni ubrzanja tijela sustava, kada se inercijski referentni okvir zamijeni neinercijskim, i obrnuto.

Inerciju tijela obično karakterizira njegova masa (inercijska masa).

Sila koja djeluje na tijelo iz neinercijalnog referentnog okvira naziva se sila tromosti

Ako na tijelo u neinercijskom referentnom okviru istovremeno djeluje više sila, od kojih su neke "obične" sile, a druge inercijalne, tada će tijelo iskusiti jednu rezultantnu silu, a to je vektorski zbroj svih sila koje na njega djeluju . Ova rezultantna sila nije sila inercije. Sila tromosti samo je sastavnica rezultantne sile.

Ako se štap, obješen na dvije tanke niti, polako povuče uz pomoć užeta pričvršćenog za njegovo središte, tada:

1. štapić će se slomiti;
2. kabel pukne;
3. jedna od niti će se prekinuti;
4. moguća je svaka opcija, ovisno o primijenjenoj sili

Slika 4

Sila se primjenjuje na sredinu štapa, na mjesto gdje visi vrpca. Budući da prema 1. Newtonovom zakonu svako tijelo ima inerciju, dio štapa u točki ovjesa užeta pomaknut će se pod djelovanjem primijenjene sile, a ostali dijelovi štapa na koje sila ne djeluje , ostat će u mirovanju. Stoga će se štap slomiti na mjestu ovjesa.

Odgovor. Točan odgovor 1.

Čovjek vuče dvije vezane sanjke, primjenjujući silu pod kutom od 300 prema horizontu. Nađi ovu silu ako je poznato da se saonice kreću jednoliko. Težina saonica je 40 kg. Koeficijent trenja 0,3.

$t_1$ = $t_2$ = $m$ = 40 kg

$(\mathbf \mu )$ = 0,3

$(\mathbf \alpha )$=$30^(\circ)$

$g$ = 9,8 m/s2

Slika 5

Budući da se saonice kreću konstantnom brzinom, prema Newtonovom prvom zakonu, zbroj sila koje djeluju na saonice je nula. Napišimo Newtonov prvi zakon za svako tijelo odmah u projekciji na os i dodajmo Coulombov zakon suhog trenja za saonice:

Os OX Osa 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(niz) \desno.\lijevo\( \begin(array)(c) N_1-mg=0 \\ N_2+F(sin \alpha \ )-mg=0 \end(niz) \desno.\]

$F=\frac(2\mu mg)((cos \alpha \ )+\mu (sin \alpha \ ))=\ \frac(2\cdot 0.3\cdot 40\cdot 9.8)((cos 30() ^\circ \ )+0,3\cdot (sin 30()^\circ \ ))=231,5\ H$

Tečaj opće fizike

Uvod.

Fizika (grčki, od physis - priroda), znanost o prirodi, koja proučava najjednostavnije i u isto vrijeme najviše opća svojstva materijalnog svijeta(obrasci prirodnih pojava, svojstva i struktura materije i zakoni njenog gibanja). Koncepti fizike i njezini zakoni su u osnovi cijele prirodne znanosti. Fizika pripada egzaktnim znanostima i proučava kvantitativne obrasce pojava. Stoga je, naravno, jezik fizike matematika.

Materija može postojati u dva osnovna oblika: materiji i polju. Oni su međusobno povezani.

Primjeri: In mirnoća – čvrsta tijela, tekućine, plazma, molekule, atomi, elementarne čestice itd.

Polje- elektromagnetsko polje (kvanti (dijelovi) polja - fotoni);

gravitacijsko polje (kvanta polja - gravitoni).

Odnos materije i polja– anihilacija para elektron-pozitron.

Fizika je svakako svjetonazorska znanost, a poznavanje njezinih temelja jest neophodni element svako obrazovanje, kultura suvremenog čovjeka.

Istovremeno, fizika je od velike praktične važnosti. Ona je ta koja duguje veliku većinu tehničkih, informacijskih i komunikacijskih dostignuća čovječanstva.

Štoviše, posljednjih desetljeća fizikalne metode istraživanja se sve više koriste u znanostima koje su, čini se, daleko od fizike, poput sociologije i ekonomije.

Klasična mehanika.

Mehanika je grana fizike koja se bavi najjednostavniji oblik gibanje materije – kretanje tijela u prostoru i vremenu.

U početku je temeljna načela (zakone) mehanike kao znanosti formulirao I. Newton u obliku tri zakona koji su dobili njegovo ime.

Koristeći vektorsku metodu opisa, brzina se može definirati kao derivacija vektora radijusa točke ili tijela , a masa ovdje djeluje kao koeficijent proporcionalnosti.

1. Kada dva tijela međusobno djeluju, svako od njih djeluje na drugo tijelo istom vrijednošću, ali suprotnog smjera, silom.

Ovi zakoni dolaze iz iskustva. Sva klasična mehanika temelji se na njima. Dugo vrijeme vjerovalo se da se sve promatrane pojave mogu opisati ovim zakonima. Međutim, s vremenom su se granice ljudskih mogućnosti proširile, a iskustvo je pokazalo da Newtonovi zakoni nisu uvijek valjani, a klasična mehanika, kao rezultat toga, ima određene granice primjenjivosti.

Osim toga, malo kasnije ćemo se okrenuti klasičnoj mehanici iz malo drugačijeg kuta – temeljene na zakonima održanja, koji su u nekom smislu općenitiji zakoni fizike od Newtonovih zakona.

1.2. Granice primjenjivosti klasične mehanike.

Prvo ograničenje odnosi se na brzine objekata koji se razmatraju. Iskustvo je pokazalo da Newtonovi zakoni ostaju valjani samo pod uvjetom , gdje je brzina svjetlosti u vakuumu ( ). Pri ovim brzinama linearne skale a vremenski intervali se ne mijenjaju pri prelasku iz jednog referentnog okvira u drugi. Tako prostor i vrijeme su apsolutni u klasičnoj mehanici.

Dakle, klasična mehanika opisuje gibanje s malim relativnim brzinama, t.j. ovo je nerelativistička fizika. Ograničenje velikih brzina prvo je ograničenje primjene klasične Newtonove mehanike.

Osim toga, iskustvo pokazuje da je primjena zakona Newtonove mehanike protuzakonita za opisivanje mikro objekata: molekula, atoma, jezgri, elementarne čestice itd. Počevši od dimenzija

(), adekvatan opis promatranih pojava daju dr

Zakoni - kvantni. Oni se moraju koristiti kada je karakteristična veličina koja opisuje sustav i ima dimenziju , usporedivo s Planckovom konstantom Recimo, za elektron u atomu, imamo . Tada je veličina, koja ima dimenziju kutnog momenta, jednaka: .

Svaki fizički fenomen je slijed događaja. događaj ono što se događa u određenoj točki prostora naziva se ovaj trenutak vrijeme.

Za opis događaja unesite prostor i vrijeme- kategorije koje označavaju glavne oblike postojanja materije. Prostor izražava redoslijed postojanja pojedinih predmeta, a vrijeme redoslijed promjene pojava. Prostor i vrijeme moraju biti označeni. Ocjenjivanje se provodi uvođenjem referentnih tijela i referentnih (ljestvica) tijela.

Referentni sustavi. Inercijski referentni sustavi.

Za opisivanje kretanja tijela ili korištenog modela - može se primijeniti materijalna točka vektorski način opisi, kada se položaj objekta koji nas zanima postavlja pomoću radijus vektora segment usmjeren od referentnog tijela do točke koja nas zanima, čiji se položaj u prostoru može mijenjati s vremenom. Mjesto krajeva radijus vektora naziva se putanja pokretna točka.

2.1. Koordinatni sustavi.

Drugi način da se opiše gibanje tijela je Koordinirati, u kojem je određeni koordinatni sustav kruto povezan s referentnim tijelom.

U mehanici, i općenito u fizici, u raznim problemima je prikladan za korištenje razni sustavi koordinate. Najčešće korišteni tzv Kartezijanski, cilindrični i sferni koordinatni sustavi.

1) Kartezijanski koordinatni sustav: upisuju se tri međusobno okomite osi s određenim mjerilima duž sve tri osi (ravnala). Referentna točka za sve osi uzima se iz referentnog tijela. Granice promjene svake od koordinata od do .

Vektor radijusa koji specificira položaj točke definiran je u smislu njegovih koordinata kao

. (2.1)

Mali volumen u kartezijanskom sustavu:

,

ili u beskonačno malim koracima:

(2.2)

2) Cilindrični koordinatni sustav: Udaljenost od osi, kut rotacije od x-osi i visina duž osi od referentnog tijela odabrani su kao varijable.

3) Sferni koordinatni sustav: unesite udaljenost od referentnog tijela do točke interesa i kutove

rotacija i , računa se od osi i , odnosno.

Radijus vektor - funkcija varijabli

,

granice promjene koordinata:

Kartezijanske koordinate povezane su sa sfernim koordinatama sljedećim relacijama

(2.6)

Element volumena u sfernim koordinatama:

(2.7)

2.2. Referentni sustav.

Da bi se konstruirao referentni sustav, koordinatni sustav koji je čvrsto povezan s referentnim tijelom mora biti dopunjen satom. Sat je možda unutra razne točke prostora, pa ih je potrebno sinkronizirati. Sinkronizacija sata se izvodi pomoću signala. Neka je vrijeme širenja signala od točke gdje se događaj dogodio do točke promatranja. Tada bi naš sat trebao pokazati vrijeme u trenutku kada se signal pojavi. ako sat u točki događaja u trenutku njegovog nastanka pokazuje vrijeme . Takve ćemo satove smatrati sinkroniziranima.

Ako je udaljenost od točke u prostoru u kojoj se događaj dogodio do točke promatranja , a brzina prijenosa signala je , tada . U klasičnoj mehanici pretpostavlja se da je brzina širenja signala . Stoga se u sve prostore uvodi jedan sat.

Agregat referentna tijela, koordinatni sustavi i satovi oblik Referentni sustav(CO).

Postoji beskonačan broj referentnih sustava. Iskustvo pokazuje da su brzine male u usporedbi sa brzinom svjetlosti , linearne skale i vremenski intervali se ne mijenjaju pri prelasku s jednog referentnog sustava na drugi.

Drugim riječima, u klasičnoj mehanici prostor i vrijeme su apsolutni.

Ako je a , tada mjerila i vremenski intervali ovise o izboru SS, t.j. prostor i vrijeme postaju relativni pojmovi. Ovo je već područje relativističke mehanike.

2.3.Inercijski referentni okviri(ISO).

Dakle, suočeni smo s izborom referentnog sustava u kojem bismo mogli riješiti probleme mehanike (opisati kretanje tijela i ustanoviti uzroke koji ga uzrokuju). Pokazalo se da nisu svi referentni okviri jednaki, ne samo u formalnom opisu problema, već, što je još važnije, predstavljaju uzroke koji uzrokuju promjenu stanja tijela na različite načine.

Referentni okvir u kojem su zakoni mehanike najjednostavnije formulirani, omogućuje vam da uspostavite prvi Newtonov zakon, koji postulira postojanje inercijski referentni okviri- ISO.

I zakon klasične mehanike - Galileo-Newtonov zakon inercije.

Postoji takav referentni sustav u kojem će se materijalna točka, ako isključimo njezino međudjelovanje sa svim drugim tijelima, kretati po inerciji, t.j. održavati stanje mirovanja ili uniforme pravolinijsko gibanje.

Ovo je inercijski referentni okvir (ISO).

U ISO-u, promjena gibanja materijalne točke (ubrzanje) nastaje samo zbog njezine interakcije s drugim tijelima, ali ne ovisi o svojstvima samog referentnog okvira.