ISO inercijski referentni okvir. Prvi Newtonov zakon

Ekvivalentna je sljedeća formulacija, prikladna za korištenje u teorijskoj mehanici: "Zove se inercijski referentni okvir u odnosu na koji je prostor homogen i izotropan, a vrijeme homogeno". Newtonovi zakoni, kao i svi ostali aksiomi dinamike u klasičnoj mehanici, formulirani su u odnosu na inercijalne referentne okvire.

Termin "inercijski sustav" (njemački Inertialsystem) predložen je 1885. Ludwig Lange?! a značilo je koordinatni sustav u kojem vrijede Newtonovi zakoni. Kako ga je zamislio Lange, ovaj je termin trebao zamijeniti koncept apsolutnog prostora koji je u tom razdoblju bio podvrgnut razornoj kritici. S pojavom teorije relativnosti, koncept je generaliziran na "inercijalni referentni okvir".

Enciklopedijski YouTube

1 / 3

✪ Inercijski sustavi referenca. Prvi Newtonov zakon | Fizika 9. razred #10 | info lekcija

✪ Što su inercijski referentni okviri Newtonov prvi zakon

✪ Inercijski i neinercijski referentni okviri (1)

titlovi

Svojstva inercijalnih referentnih okvira

Svaki referentni okvir koji se kreće jednoliko, pravolinijski i bez rotacije u odnosu na IFR također je IFR. Prema načelu relativnosti, svi su IFR jednaki, a svi zakoni fizike invarijantni su s obzirom na prijelaz s jednog IFR-a na drugi. To znači da manifestacije zakona fizike u njima izgledaju isto, a zapisi tih zakona imaju isti oblik u različitim ISO-ovima.

Pretpostavka postojanja barem jednog IFR-a u izotropnom prostoru dovodi do zaključka da postoji beskonačan skup takvih sustava koji se međusobno gibaju jednolično, pravolinijsko i translacijsko svim mogućim brzinama. Ako IFR postoje, tada će prostor biti homogen i izotropan, a vrijeme će biti homogeno; prema Noetherovom teoremu, homogenost prostora s obzirom na pomake dat će zakon održanja količine gibanja, izotropija će dovesti do očuvanja količine gibanja, a homogenost vremena sačuvat će energiju tijela koje se kreće.

Ako brzine relativnog gibanja IFR-ova ostvarenih stvarnim tijelima mogu poprimiti bilo koju vrijednost, veza između koordinata i vremenskih trenutaka bilo kojeg "događaja" u različitim IFR-ovima provodi se Galilejevim transformacijama.

Povezivanje sa stvarnim referentnim sustavima

Apsolutno inercijski sustavi su matematička apstrakcija i ne postoje u prirodi. Međutim, postoje referentni okviri u kojima relativno ubrzanje tijela dovoljno udaljenih jedno od drugog (mjereno Dopplerovim efektom) ne prelazi 10 −10 m/s², na primjer,

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 je 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 je 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 jednolikog kretanja - jedan od uvjeta je odsutan.

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 možemo 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, u nekoj aproksimaciji mogu smatrati inercijskim.

Isaac Newton je bio prvi koji je formulirao zakon posvećen ISO-u. Newtonova zasluga leži 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 uslijed gravitacije, 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

Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizika: Udžbenik za 9. razred Srednja škola. - M.: Prosvjeta.
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.
Sokolovich Yu.A., Bogdanova G.S. Fizika: Priručnik s primjerima rješavanja problema. - 2. izdanje, redistribucija. - X .: Vesta: Izdavačka kuća "Ranok", 2005. - 464 str.

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

Domaća zadaća

Formulirati definicije inercijskih i neinercijalnih referentnih okvira. Navedite primjere takvih sustava.
Navedite prvi Newtonov zakon.
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?

Svi referentni okviri se dijele na inercijalne i neinercijalne. Inercijski referentni okvir leži u osnovi Newtonove mehanike. Karakterizira uniformnost pravolinijsko gibanje i stanje mirovanja. Neinercijalni referentni okvir povezan je s ubrzanim gibanjem duž druge putanje. Ovo je gibanje određeno u odnosu na inercijalne referentne sustave. Neinercijalni referentni okvir povezan je s takvim učincima kao što su inercijska sila, centrifugalna sila i Coriolisova sila.

Svi ti procesi nastaju kao rezultat kretanja, a ne interakcije između tijela. Newtonovi zakoni često ne djeluju u neinercijalnim referentnim okvirima. U takvim slučajevima dodaju se izmjene i dopune klasičnih zakona mehanike. Pri razvijanju se uzimaju u obzir sile zbog neinercijalnog gibanja tehnički proizvodi i mehanizme, uključujući one kod kojih je prisutna rotacija. U životu ih susrećemo, krećući se u liftu, vozeći se na vrtuljku, promatrajući vrijeme i tok rijeka. Oni se također uzimaju u obzir pri izračunu kretanja svemirskih letjelica.

Inercijski i neinercijski referentni okviri

Inercijski referentni okviri nisu uvijek prikladni za opisivanje gibanja tijela. U fizici postoje 2 vrste referentnih sustava: inercijski i neinercijski referentni sustavi. Prema Newtonovoj mehanici, svako tijelo može biti u mirovanju ili u jednoličnom i pravocrtnom gibanju, osim u slučajevima kada se na tijelo vrši vanjski utjecaj. Takav jednoliko kretanje naziva se inercijalno gibanje.

Inercijalno gibanje (inercijski referentni sustavi) temelj je Newtonove mehanike i Galileovih djela. Ako zvijezde promatramo kao fiksne objekte (što zapravo nije u potpunosti točno), onda će svi objekti koji se kreću jednoliko i pravocrtno u odnosu na njih formirati inercijalne referentne okvire.

Za razliku od inercijalnih referentnih okvira, neinercijski okvir pomiče se u odnosu na navedeni s određenim ubrzanjem. Istodobno, korištenje Newtonovih zakona zahtijeva dodatne varijable, inače će one neadekvatno opisati sustav. Da bismo odgovorili na pitanje koji se referentni okviri nazivaju neinercijalnim, vrijedi razmotriti primjer neinercijalnog gibanja. Takvo kretanje je rotacija našeg i drugih planeta.

Gibanje u neinercijalnim referentnim okvirima

Kopernik je prvi pokazao koliko gibanje može biti složeno ako je uključeno više sila. Prije njega se vjerovalo da se Zemlja giba sama, u skladu s Newtonovim zakonima, te je stoga njeno kretanje inercijalno. Međutim, Kopernik je dokazao da se Zemlja okreće oko Sunca, odnosno da se ubrzano kreće u odnosu na uvjetno nepomičan objekt, a to može biti zvijezda.

Dakle, postoje različiti referentni sustavi. Neinercijalnim se nazivaju samo oni kod kojih postoji ubrzano gibanje, koje je određeno u odnosu na inercijski okvir.

Zemlja kao referentni okvir

Neinercijalni referentni okvir, čiji se primjeri mogu naći gotovo posvuda, tipičan je za tijela sa složenom putanjom gibanja. Zemlja se okreće oko Sunca, što stvara ubrzano kretanje karakteristično za neinercijalne referentne okvire. Međutim, u svakodnevnoj praksi sve što susrećemo na Zemlji sasvim je u skladu s Newtonovim postulatima. Stvar je u tome da su korekcije za neinercijalno gibanje za referentne sustave povezane sa Zemljom vrlo neznatne i ne igraju veliku ulogu za nas. I Newtonove jednadžbe iz istog razloga pokazuju se općenito valjanima.

Foucaultovo njihalo

Međutim, u nekim su slučajevima potrebne izmjene. Primjerice, svjetski poznato Foucaultovo njihalo u katedrali Sankt Peterburga ne samo da linearno oscilira, već se i polako okreće. Ova rotacija je posljedica neinercijalnog kretanja Zemlje u svemiru.

Prvi put je to postalo poznato 1851. godine nakon eksperimenata francuskog znanstvenika L. Foucaulta. Sam eksperiment nije proveden u Sankt Peterburgu, nego u Parizu, u ogromnoj dvorani. Težina kuglice njihala bila je oko 30 kg, a duljina spojne niti čak 67 metara.

U slučajevima kada samo Newtonove formule za inercijski referentni okvir nisu dovoljne za opisivanje gibanja, dodaju im se tzv. inercijalne sile.

Svojstva neinercijalnog referentnog okvira

Neinercijski referentni okvir čini razni pokreti relativno inercijski. To može biti kretanje naprijed, rotacija, složeni kombinirani pokreti. Literatura također pruža takve najjednostavniji primjer neinercijalni referentni okvir, poput dizala koji se brzo kreće. Upravo zbog njegovog ubrzanog kretanja osjećamo se kao da smo pritisnuti na pod, ili, obrnuto, postoji osjećaj blizak bestežinskom stanju. Newtonovi zakoni mehanike ne mogu objasniti takav fenomen. Ako slijedite poznatog fizičara, tada će u svakom trenutku ista gravitacija djelovati na osobu u dizalu, što znači da bi osjećaji trebali biti isti, međutim, u stvarnosti je sve drugačije. Stoga je potrebno Newtonovim zakonima dodati dodatnu silu koja se zove sila inercije.

sila inercije

Sila inercije je stvarna djelotvorna sila, iako se po prirodi razlikuje od sila povezanih s međudjelovanjem tijela u prostoru. Uzima se u obzir pri razvoju tehničke strukture i uređaja, te igra važnu ulogu u njihovom radu. Mjere se sile inercije različiti putevi, na primjer, pomoću opružnog dinamometra. Neinercijalni referentni okviri nisu zatvoreni, jer se sile tromosti smatraju vanjskim. Sile inercije su objektivne fizički čimbenici i ne ovise o volji i mišljenju promatrača.

Inercijski i neinercijski referentni sustavi, čiji se primjeri mogu naći u udžbenicima fizike, jesu djelovanje inercijalne sile, centrifugalne sile, Coriolisove sile, prijenosa zamaha s jednog tijela na drugo i dr.

Kretanje u liftu

Neinercijski referentni sustavi, inercijske sile se dobro pokazuju tijekom ubrzanog uspona ili spuštanja. Ako se dizalo pomiče prema gore uz ubrzanje, tada rezultirajuća sila inercije nastoji pritisnuti osobu na pod, a pri kočenju tijelo, naprotiv, počinje izgledati lakše. U pogledu manifestacija, sila inercije u ovom slučaju je slična sili gravitacije, ali ima potpuno drugačiju prirodu. Gravitacija je gravitacija, koja je povezana s interakcijom između tijela.

centrifugalne sile

Sile u neinercijalnim referentnim okvirima također mogu biti centrifugalne. Takvu silu je potrebno uvesti iz istog razloga kao i sila inercije. Upečatljiv primjer djelovanja centrifugalnih sila je rotacija na vrtuljku. Dok stolica nastoji zadržati osobu u svojoj "orbiti", sila inercije uzrokuje da tijelo bude pritisnuto na vanjski naslon stolice. Ova konfrontacija se izražava u pojavi takvog fenomena kao što je centrifugalna sila.

Coriolisova sila

Djelovanje ove sile dobro je poznato na primjeru rotacije Zemlje. Silom se može nazvati samo uvjetno, budući da nije takva. Suština njegovog djelovanja je da se tijekom rotacije (npr. Zemlje) svaka točka sfernog tijela kreće u krug, dok se objekti odvojeni od Zemlje idealno kreću pravocrtno (kao npr. tijelo koje slobodno leti). u svemiru). Budući da je linija zemljopisne širine putanja rotacije točaka na zemljinoj površini i ima oblik prstena, sva tijela koja su otrgnuta od nje i koja se u početku kreću duž ove linije, krećući se linearno, počinju sve više odstupati od to u smjeru nižih geografskih širina.

Druga opcija je kada se tijelo lansira u meridijanskom smjeru, ali zbog rotacije Zemlje, sa stajališta zemaljskog promatrača, kretanje tijela više neće biti striktno meridijalno.

Coriolisova sila ima veliki utjecaj na razvoj atmosferskih procesa. Pod njegovim utjecajem voda jače udara na istočnu obalu rijeka koje teku u meridijanskom smjeru, postupno je erodirajući, što dovodi do pojave hridi. U zapadnom se, naprotiv, talože oborine, pa je blaži i često poplavljen vodom tijekom poplava. Istina, to nije jedini razlog što je jedna strana rijeke viša od druge, ali je u mnogim slučajevima dominantna.

Coriolisova sila također ima eksperimentalnu potvrdu. Dobio ga je njemački fizičar F. Reich. U pokusu su tijela padala s visine od 158 m. Provedeno je ukupno 106 takvih pokusa. Tijela su tijekom pada odstupila od pravocrtne (sa stajališta zemaljskog promatrača) putanje za približno 30 mm.

Inercijski referentni okviri i teorija relativnosti

Einsteinova specijalna teorija relativnosti stvorena je u odnosu na inercijalne referentne okvire. Takozvani relativistički učinci, prema ovoj teoriji, trebali bi se pojaviti u slučaju vrlo velikih brzina tijela u odnosu na "stacionarnog" promatrača. Sve formule specijalne teorije relativnosti također su napisane za jednolično gibanje svojstveno inercijskom referentnom okviru. Prvi postulat ove teorije potvrđuje ekvivalentnost bilo kojeg inercijalnog referentnog sustava, tj. postulira se odsutnost posebnih, istaknutih sustava.

Međutim, to dovodi u pitanje mogućnost testiranja relativističkih učinaka (kao i samu činjenicu njihove prisutnosti), što je dovelo do pojave takvih pojava kao što je paradoks blizanaca. Budući da su referentni okviri povezani s raketom i Zemljom u osnovi jednaki, učinci dilatacije vremena u paru "Zemlja-raketa" ovisit će samo o tome gdje se promatrač nalazi. Dakle, za promatrača na raketi vrijeme na Zemlji bi trebalo ići sporije, a za osobu na našem planetu, naprotiv, na raketi. Kao rezultat toga, blizanac koji je ostao na Zemlji vidjet će svog brata koji stiže mlađim, a onaj koji je bio u raketi, nakon što je stigao, trebao bi vidjeti mlađi od onoga koji je ostao na Zemlji. Jasno je da je to fizički nemoguće.

To znači da je za promatranje relativističkih učinaka potreban neki poseban, istaknut referentni okvir. Na primjer, pretpostavlja se da promatramo relativistički porast životnog vijeka miona ako se kreću brzinom skorom svjetlosti u odnosu na Zemlju. To znači da bi Zemlja trebala (štoviše, bez alternative) imati svojstva prioritetnog, osnovnog referentnog okvira, što je u suprotnosti s prvim postulatom SRT-a. Prioritet je moguć samo ako je Zemlja središte svemira, što je u skladu samo s primitivnom slikom svijeta i proturječi fizici.

Neinercijalni referentni okviri kao neuspješan način objašnjenja paradoksa blizanaca

Pokušaji da se objasni prioritet "zemaljskog" referentnog sustava ne izdržavaju kritike. Neki znanstvenici taj prioritet povezuju upravo s faktorom inercijalnosti jednog i neinercijalnosti drugog referentnog okvira. Istodobno, referentni okvir povezan s promatračem na Zemlji smatra se inercijskim, unatoč činjenici da je u fizikalnoj znanosti službeno priznat kao neinercijalni (Detlaf, Yavorsky, kolegij fizike, 2000.). Ovo je prvi. Drugi je isti princip jednakosti svih referentnih sustava. Pa ako svemirski brod napušta Zemlju ubrzanjem, tada je sa stajališta promatrača na samom brodu statična, a Zemlja, naprotiv, odlijeće od njega sve većom brzinom.

Ispada da je sama Zemlja poseban referentni okvir, ili pak opaženi učinci imaju drugačije (nerelativističko) objašnjenje. Može biti da su procesi povezani sa specifičnostima postavljanja ili interpretacije eksperimenata, ili s drugim fizičkim mehanizmima promatranih pojava.

Zaključak

Dakle, neinercijalni referentni okviri dovode do pojave sila koje nisu našle svoje mjesto u zakonima Newtonove mehanike. Prilikom proračuna za neinercijalne sustave, te se sile moraju uzeti u obzir, uključujući i pri razvoju tehničkih proizvoda.

inercijski referentni okvir

Inercijski referentni okvir(ISO) - referentni okvir, u kojem vrijedi prvi Newtonov zakon (zakon inercije): sve slobodnih tijela(odnosno one na koje ne djeluju vanjske sile ili se djelovanje tih sila kompenzira) kreću se pravocrtno i jednoliko ili miruju. Ekvivalentna je sljedeća formulacija, prikladna za korištenje u teorijskoj mehanici:

Svojstva inercijalnih referentnih okvira

Svaki referentni okvir koji se kreće jednoliko i pravolinijski u odnosu na IFR je također IFR. Prema načelu relativnosti, svi su IFR jednaki, a svi zakoni fizike invarijantni su s obzirom na prijelaz s jednog IFR-a na drugi. To znači da manifestacije zakona fizike u njima izgledaju isto, a zapisi tih zakona imaju isti oblik u različitim ISO-ovima.

Pretpostavka postojanja barem jednog IFR-a u izotropnom prostoru dovodi do zaključka da postoji beskonačan skup takvih sustava koji se međusobno gibaju svim mogućim konstantnim brzinama. Ako IFR postoje, tada će prostor biti homogen i izotropan, a vrijeme će biti homogeno; prema Noetherovom teoremu, homogenost prostora s obzirom na pomake dat će zakon održanja količine gibanja, izotropija će dovesti do očuvanja kutnog momenta, a homogenost vremena sačuvat će energiju tijela koje se kreće.

Ako brzine relativnog gibanja IFR-ova ostvarenih stvarnim tijelima mogu poprimiti bilo koju vrijednost, veza između koordinata i vremena bilo kojeg "događaja" u različitim IFR-ovima provodi se Galilejevom transformacijom.

Povezivanje sa stvarnim referentnim sustavima

Apsolutno inercijski sustavi su matematička apstrakcija, koja prirodno ne postoji u prirodi. Međutim, postoje referentni sustavi u kojima relativno ubrzanje tijela dovoljno udaljenih jedno od drugog (mjereno Dopplerovim učinkom) ne prelazi 10 −10 m/s prelazi 1,5 10 −10 m/s² (na razini 1σ). Točnost eksperimenata na analizi vremena dolaska impulsa iz pulsara, a uskoro i astrometrijskih mjerenja, takva je da bi ubrzanje trebalo izmjeriti u bliskoj budućnosti. Sunčev sustav kada se kreće u gravitacijskom polju Galaksije, koje se procjenjuje u m/s².

IZ različitim stupnjevima točnosti i ovisno o području uporabe, inercijski sustavi se mogu smatrati referentnim sustavima povezanim sa: Zemljom, Suncem, fiksiranim u odnosu na zvijezde.

Geocentrični inercijski koordinatni sustav

Korištenje Zemlje kao ISO-a, unatoč njegovoj približnoj prirodi, rašireno je u navigaciji. Inercijski koordinatni sustav, kao dio ISO-a, izgrađen je prema sljedećem algoritmu. Središte Zemlje je odabrano kao točka O - ishodište koordinata u skladu s prihvaćenim modelom. Os z - podudara se s osi rotacije zemlje. Osi x i y nalaze se u ekvatorijalnoj ravnini. Valja napomenuti da takav sustav ne sudjeluje u rotaciji Zemlje.

Bilješke

vidi također

Zaklada Wikimedia. 2010 .

Pogledajte što je "Inercijski referentni sustav" u drugim rječnicima:

Referentni sustav, u kojem vrijedi zakon inercije: mater. točka kada na nju ne djeluju sile (ili na nju djeluju međusobno uravnotežene sile), miruje ili se ravnomjerno giba. Bilo koji referentni sustav, ... ... Fizička enciklopedija

INERCIJALNA REFERENCA, vidi Referentni okvir... Moderna enciklopedija

inercijski referentni okvir- INERCIJALNA POVRATNA SVOJA, vidi Referentni okvir. … Ilustrirani enciklopedijski rječnik

inercijski referentni okvir- inercinė atskaitos sistema statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. Galilejev referentni okvir; inercijski referentni sustav vok. inertiales Bezugssystem, n; Inercijski sustav, n; Tragheitssystem, n rus. inercijski referentni okvir, f pranc.… … Fizikos terminų žodynas

Referentni sustav u kojem vrijedi zakon inercije: materijalna točka, kada na nju ne djeluju sile (ili djeluju međusobno uravnotežene sile), miruje ili se ravnomjerno giba pravolinijski. Svaki… … Velika sovjetska enciklopedija

Referentni sustav u kojem vrijedi zakon tromosti, tj. tijelo oslobođeno utjecaja drugih tijela, zadržava svoju brzinu nepromijenjenu (u apsolutnoj vrijednosti i u smjeru). I. s. oko. je takav (i samo takav) referentni sustav, do raja ... ... Veliki enciklopedijski veleučilišni rječnik

Referentni okvir u kojem vrijedi zakon inercije: materijalna točka, na koju ne djeluju sile, miruje ili se ravnomjerno giba. Bilo koji referentni okvir koji se kreće u odnosu na IS. oko. postupno... Prirodna znanost. enciklopedijski rječnik

inercijski referentni okvir- Referentni sustav, u odnosu na koji izolirana materijalna točka miruje ili se kreće pravocrtno i jednoliko ... Politehnički terminološki rječnik

Referentni sustav u kojem vrijedi zakon inercije: materijalna točka, na koju ne djeluju sile, miruje ili se ravnomjerno giba. Bilo koji referentni okvir koji se kreće u odnosu na inercijalni ... ... enciklopedijski rječnik

Inercijski referentni sustav- referentni okvir u kojem vrijedi zakon inercije: materijalna točka, kada na nju ne djeluju sile (ili djeluju međusobno uravnotežene sile), miruje ili se ravnomjerno giba pravolinijski. Svaki sustav... Koncepti moderna prirodna znanost. Pojmovnik osnovnih pojmova

Drevni filozofi pokušali su razumjeti bit kretanja, identificirati utjecaj zvijezda i Sunca na osobu. Osim toga, ljudi su uvijek pokušavali identificirati sile koje djeluju na materijalnu točku u procesu njezina kretanja, kao iu trenutku mirovanja.

Aristotel je vjerovao da u nedostatku kretanja na tijelo ne djeluju sile. Pokušajmo saznati koji se referentni sustavi nazivaju inercijskim, navest ćemo njihove primjere.

Stanje mirovanja

NA Svakidašnjica teško je identificirati takvo stanje. Gotovo sve vrste mehaničko kretanje pretpostavlja se prisutnost vanjskih sila. Razlog je sila trenja, koja ne dopušta mnogim objektima da napuste svoj izvorni položaj, da napuste stanje mirovanja.

Uzimajući u obzir primjere inercijskih referentnih sustava, primjećujemo da svi oni odgovaraju Newtonovom 1. zakonu. Tek nakon njegovog otkrića bilo je moguće objasniti stanje mirovanja, naznačiti sile koje u tom stanju djeluju na tijelo.

Izjava 1. Newtonovog zakona

U suvremenoj interpretaciji, on objašnjava postojanje koordinatnih sustava, u odnosu na koje se može smatrati odsutnost vanjskih sila koje djeluju na materijalnu točku. S Newtonove točke gledišta, referentni sustavi se nazivaju inercijskim, što nam omogućuje razmatranje očuvanja brzine tijela tijekom dugog vremena.

Definicije

Koji su referentni okviri inercijski? Primjeri njih proučavaju se u školskom kolegiju fizike. Inercijskim referentnim sustavima smatraju se oni u odnosu na koje se materijalna točka kreće konstantnom brzinom. Newton je pojasnio da svako tijelo može biti u sličnom stanju sve dok na njega nema potrebe primjenjivati sile koje mogu promijeniti takvo stanje.

U stvarnosti, zakon inercije nije ispunjen u svim slučajevima. Analizirajući primjere inercijskih i neinercijalnih referentnih okvira, razmotrite osobu koja se drži za rukohvate u vozilu u pokretu. S naglim kočenjem automobila, osoba se automatski kreće u odnosu na vozilo, unatoč odsutnosti vanjske sile.

Ispada da ne odgovaraju svi primjeri inercijalnog referentnog okvira formulaciji 1. Newtonovog zakona. Kako bi se razjasnio zakon inercije, uvedena je revidirana referenca u kojoj je besprijekorno ispunjena.

Vrste referentnih sustava

Koji se referentni sustavi nazivaju inercijskim? Uskoro će biti jasno. “Navedite primjere inercijskih referentnih sustava u kojima je ispunjen 1. Newtonov zakon” - sličan zadatak nudi se školarcima koji su odabrali fiziku kao ispit u devetom razredu. Da bismo se nosili sa zadatkom, potrebno je imati predodžbu o inercijalnim i neinercijalnim referentnim okvirima.

Inercija uključuje očuvanje mirovanja ili jednoliko pravolinijsko gibanje tijela sve dok je tijelo u izolaciji. “Izoliranim” smatraju tijela koja nisu povezana, nisu u interakciji, udaljena su jedno od drugog.

Razmotrimo neke primjere inercijalnog referentnog okvira. Uz pretpostavku zvijezde u galaksiji kao referentnog okvira, a ne autobusa u pokretu, provedba zakona inercije za putnike koji se drže za tračnice bila bi besprijekorna.

Tijekom kočenja, ovo vozilo nastavit će se ravnomjerno pravocrtno kretati sve dok na njega ne djeluju druga tijela.

Koji su neki primjeri inercijalnog referentnog okvira? Oni ne bi trebali imati vezu s analiziranim tijelom, utjecati na njegovu inertnost.

Za takve je sustave ispunjen Newtonov 1. zakon. NA stvaran život teško je razmotriti kretanje tijela u odnosu na inercijalne referentne okvire. Nemoguće je doći do udaljene zvijezde kako bi se s nje provodili zemaljski eksperimenti.

Zemlja se uzima kao uvjetni referentni sustav, unatoč činjenici da je povezana s objektima koji se nalaze na njoj.

U inercijskom referentnom okviru moguće je izračunati akceleraciju ako kao referentni okvir uzmemo površinu Zemlje. Ne u fizici matematička notacija 1 Newtonovog zakona, ali upravo je on temelj za izvođenje mnogih fizičke definicije i uvjeti.

Primjeri inercijskih referentnih okvira

Školarci ponekad teško razumiju fizičke pojave. Učenicima devetih razreda nudi se zadatak sljedećeg sadržaja: „Koji se referentni okviri nazivaju inercijskim? Navedite primjere takvih sustava. Pretpostavimo da se kolica s loptom u početku kreću po ravnoj površini konstantnom brzinom. Zatim se kreće po pijesku, kao rezultat toga, lopta se ubrzano kreće, unatoč činjenici da na nju ne djeluju druge sile (njihov ukupni učinak je nula).

Bit onoga što se događa može se objasniti činjenicom da dok se kreće duž pješčane površine, sustav prestaje biti inercijalan, ima konstantnu brzinu. Primjeri inercijskih i neinercijalnih referentnih okvira pokazuju da se njihov prijelaz događa u određenom vremenskom razdoblju.

Kada tijelo ubrzava, njegovo ubrzanje ima pozitivnu vrijednost, a pri kočenju ova brojka postaje negativna.

Krivolinijsko gibanje

U odnosu na zvijezde i Sunce, kretanje Zemlje se odvija po krivolinijskoj putanji, koja ima oblik elipse. Taj referentni okvir, u kojem je središte poravnato sa Suncem, a osi usmjerene prema određenim zvijezdama, smatrat će se inercijskim.

Imajte na umu da je svaki referentni okvir koji će se kretati pravocrtno i jednoliko u odnosu na heliocentrični okvir inercijalan. Krivolinijsko kretanje se izvodi uz određeno ubrzanje.

S obzirom na činjenicu da se Zemlja kreće oko svoje osi, referentni okvir, koji je povezan s njezinom površinom, u odnosu na heliocentrični, kreće se s određenim ubrzanjem. U takvoj situaciji možemo zaključiti da se referentni okvir, koji je povezan sa površinom Zemlje, giba ubrzano u odnosu na heliocentrični, pa se ne može smatrati inercijskim. Ali vrijednost ubrzanja takvog sustava je toliko mala da u mnogim slučajevima značajno utječe na specifičnosti mehaničkih pojava koje se razmatraju u odnosu na njega.

Kako bi se riješili praktični problemi tehničke prirode, uobičajeno je da se inercijskim smatra referentni okvir koji je kruto povezan sa Zemljinom površinom.

Relativnost Galileo

Svi inercijski referentni okviri imaju važno vlasništvo, koji je opisan principom relativnosti. Njegova bit leži u činjenici da se svaka mehanička pojava pod istim početnim uvjetima odvija na isti način, bez obzira na odabrani referentni okvir.

Jednakost ISO-a prema načelu relativnosti izražena je u sljedećim odredbama:

U takvim sustavima oni su isti, pa svaka jednadžba koju oni opisuju, izražena u koordinatama i vremenu, ostaje nepromijenjena.
Rezultati mehaničkih eksperimenata koji su u tijeku omogućuju utvrđivanje hoće li referentni okvir mirovati ili će vršiti pravolinijsko jednoliko gibanje. Bilo koji sustav se uvjetno može prepoznati kao nepomičan ako se drugi istovremeno kreće u odnosu na njega određenom brzinom.
Jednadžbe mehanike ostaju nepromijenjene s obzirom na transformacije koordinata u slučaju prijelaza iz jednog sustava u drugi. Isti fenomen moguće je opisati u razni sustavi, ali se njihova fizička priroda neće promijeniti.

Rješavanje problema

Prvi primjer.

Odredite je li inercijski referentni okvir: a) umjetni satelit Zemlja; b) dječja atrakcija.

Odgovor. U prvom slučaju ne priča se o inercijskom referentnom sustavu, budući da se satelit kreće u orbiti pod utjecajem zemljine gravitacije, dakle, kretanje se događa s određenim ubrzanjem.

Drugi primjer.

Sustav javljanja čvrsto je povezan s liftom. U kojim se situacijama može nazvati inercijskim? Ako dizalo: a) padne; b) ravnomjerno se kreće prema gore; c) brzo raste d) ravnomjerno usmjereni prema dolje.

Odgovor. a) Kada slobodan pad pojavljuje se ubrzanje, pa referentni okvir koji je povezan s dizalom neće biti inercijalan.

b) Uz jednoliko kretanje dizala, sustav je inercijalan.

c) Pri kretanju s određenim ubrzanjem, referentni se okvir smatra inercijskim.

d) Dizalo se kreće sporo, ima negativnu akceleraciju, pa se referentni okvir ne može nazvati inercijskim.

Zaključak

Čovječanstvo je tijekom svog postojanja pokušavalo razumjeti fenomene koji se događaju u prirodi. Pokušaje da objasni relativnost gibanja napravio je Galileo Galilei. Isaac Newton uspio je izvesti zakon inercije, koji se počeo koristiti kao glavni postulat u proračunima u mehanici.

Trenutno sustav za određivanje položaja tijela uključuje tijelo, uređaj za određivanje vremena, kao i koordinatni sustav. Ovisno o tome je li tijelo pokretno ili nepomično, moguće je okarakterizirati položaj određenog objekta u željenom vremenskom razdoblju.