Először az inerciális vonatkoztatási rendszerek. Milyen referenciarendszereket nevezünk inerciálisnak? Példák inerciális vonatkoztatási rendszerre

Newton első törvénye olyan jelenség jelenlétét feltételezi, mint a testek tehetetlensége. Ezért a tehetetlenségi törvénynek is nevezik. Tehetetlenség - ez az a jelenség, amikor a test mozgási sebessége megmarad (nagyságban és irányban is), amikor a testre semmilyen erő nem hat. A mozgás sebességének megváltoztatásához bizonyos erővel kell hatni a testre. Természetesen az azonos nagyságú erők különböző testekre gyakorolt ​​​​hatása eltérő lesz. Így a testekről azt mondják, hogy tehetetlenek. A tehetetlenség a testek azon tulajdonsága, hogy ellenállnak jelenlegi állapotuk megváltoztatásának. A tehetetlenség értékét a testtömeg jellemzi.

Inerciális vonatkoztatási rendszer

Newton első törvénye kimondja (amely kísérletileg különböző pontossággal ellenőrizhető), hogy inerciarendszerek valóban léteznek. Ez a mechanikai törvény különleges, kitüntetett helyzetbe helyezi az inerciális vonatkoztatási rendszereket.

Azokat a vonatkoztatási rendszereket, amelyekben teljesül Newton első törvénye, inerciálisnak nevezzük.

Inerciális rendszerek referencia- ezek olyan rendszerek, amelyekhez képest egy anyagi pont külső hatások vagy ezek kölcsönös kompenzációja hiányában nyugalomban van, vagy egyenletesen és egyenesen mozog.

Végtelen számú inerciarendszer létezik. Az egyenes pályaszakaszon állandó sebességgel haladó vonathoz tartozó vonatkoztatási rendszer is inerciarendszer (körülbelül), mint a Földhöz kapcsolódó keret. Minden inerciális referenciakeret keretek egy osztályát alkotja, amelyek egymáshoz képest egyenletesen és egyenesen mozognak. Bármely test gyorsulása különböző inerciarendszerekben azonos.

Hogy mit kell beállítani ezt a rendszert a referencia inerciális? Ezt csak tapasztalattal lehet megtenni. A megfigyelések azt mutatják, hogy igen nagy pontossággal a heliocentrikus keret egy inerciális vonatkoztatási rendszernek tekinthető, amelyben a koordináták origója a Naphoz kapcsolódik, a tengelyek pedig bizonyos „rögzített” csillagokra irányulnak. A Föld felszínéhez mereven kapcsolódó vonatkoztatási keretek szigorúan véve nem tehetetlenek, mivel a Föld a Nap körüli pályán mozog, ugyanakkor forog saját tengelye körül. A globális (azaz világméretű) léptékkel nem rendelkező mozgások leírásánál azonban a Földhöz kapcsolódó referenciarendszerek kellő pontossággal tehetetlennek tekinthetők.

Azok a vonatkoztatási keretek, amelyek egyenletesen és egyenesen mozognak bármely tehetetlenségi vonatkoztatási rendszerhez képest, szintén inerciálisak.

Galileo megállapította, hogy lehetetlen meghatározni, hogy ez a rendszer nyugalomban van-e, vagy egyenletesen és egyenes vonalúan mozog-e, bármilyen mechanikai kísérlettel, amelyet inerciális vonatkoztatási rendszerben helyeztek el. Ezt az állítást nevezik Galilei relativitáselvének vagy a relativitás mechanikai elvének.

Ezt az elvet később A. Einstein dolgozta ki, és ez a speciális relativitáselmélet egyik posztulátuma. Az inerciális vonatkoztatási rendszerek rendkívül fontos szerepet töltenek be a fizikában, mivel az Einstein-féle relativitáselv szerint a fizika bármely törvényének matematikai kifejeződése minden inerciális vonatkoztatási rendszerben azonos formában jelenik meg. A jövőben csak inerciarendszereket fogunk használni (anélkül, hogy ezt minden alkalommal megemlítené).

Nem inerciálisnak nevezzük azokat a vonatkoztatási rendszereket, amelyekben Newton első törvénye nem teljesül.

Az ilyen rendszerek magukban foglalnak minden olyan vonatkoztatási rendszert, amely az inerciális vonatkoztatási rendszerhez képest gyorsulással mozog.

A newtoni mechanikában a testek kölcsönhatásának törvényei az inerciális vonatkoztatási rendszerek osztályára vannak megfogalmazva.

Példa egy olyan mechanikai kísérletre, amelyben a Földhöz kapcsolódó rendszer tehetetlensége nyilvánul meg, a Foucault-inga viselkedése. Ez egy kellően hosszú szálon felfüggesztett és az egyensúlyi helyzet körül kis oszcillációkat okozó masszív golyó neve. Ha a Földhöz kapcsolódó rendszer inerciális lenne, akkor a Foucault-inga lengéssíkja változatlan maradna a Földhöz képest. Valójában az inga lengéssíkja a Föld forgása miatt forog, és az inga pályájának a Föld felszínére vetülete rozettaszerű (1. ábra).

Azt a tényt, hogy a test nem igyekszik fenntartani semmilyen mozgást, nevezetesen egyenes vonalú, bizonyítja például a következő kísérlet (2. ábra). A sík vízszintes felület mentén egyenes vonalúan mozgó, görbe alakú akadályba ütköző labda ezen akadály hatására ívben mozogni kényszerül. Amikor azonban a labda eléri az akadály szélét, abbahagyja a görbe vonalú mozgást, és ismét egyenes vonalban mozog. Összegezve a fenti (és hasonló) megfigyelések eredményeit megállapíthatjuk, hogy ha egy adott testre más testek nem hatnak, vagy hatásukat kölcsönösen kompenzálják, akkor ez a test nyugalomban van, vagy sebessége a vonatkoztatási rendszerhez képest állandóan változatlan marad. kapcsolódik a Föld felszínéhez.

6. kérdés:

Attól lehet tartani, hogy az olvasók többsége már unja az elméleti okoskodást, és adakozást fog követelni konkrét példa inerciarendszer a természetben. Igyekezzünk a lehetőségekhez mérten teljesíteni kívánságukat. Vegyünk egy konkrét példát: az LTT a Föld inerciarendszere? Minden diák ezt fogja mondani: „Minden példa, amelyet a fizikatanár a leckében ad, és elmagyarázza Newton törvényeit, a testek mozgására vonatkozik a Földön. Ezt úgy értem, hogy a Földön minden test mozgása Newton törvényei szerint történik. Ezért a Föld egy inerciarendszer."

Ez a következtetés azonban nem pontos. Ennek igazolására menjünk át gondolatban a párizsi Pantheonba, ahol 1851-ben Leon Foucault, a Francia Tudományos Akadémia tagja bemutatta híres tapasztalatait.

A Pantheon kupolájára egy 67 méteres kábel van felfüggesztve, amelyhez 28 súlyú rézsúly van rögzítve. kg. Ez a gigantikus inga lendítésre van állítva. Többszöri oszcilláció után elképesztő jelenségre derül fény: a sík, amelyben az inga leng, lassan forogni kezd. Miért? Foucault a kísérlet eredményét a Föld tengelye körüli forgásával magyarázta. A föld forog, de az inga lengéssíkja nem változik - ez az inga lengéssíkjának a földfelszínhez viszonyított elfordulásához vezet. Ezzel a magyarázattal teljes mértékben egyetértünk, csak kicsit másképp fogjuk kifejezni: a Föld nem tehetetlenségi rendszer. Az inga lengéssíkja a Földhöz képest forog, de lehetetlen olyan testet találni, amely az ezt a forgást okozó erő forrása lenne. Ebben az esetben a gyorsulás (a forgás gyorsított mozgásokra utal) valós erő befolyása nélkül történik. Az inerciarendszerekben, ahol Newton törvényei érvényesek, ilyen jelenségek lehetetlenek.

A Föld csak megközelítőleg tekinthető inerciarendszernek; Vagyis a Földet csak olyan folyamatok leírására tekinthetjük inerciarendszernek, amelyekre forgása gyakorlatilag nincs észrevehető hatással. A természetüknél fogva bennünket körülvevő jelenségek túlnyomó többsége éppen ilyen. Ezért a gyakorlati életben nyugodtan alkalmazhatjuk Newton törvényeit a Földön történő mozgásokra.

Azt, hogy a Föld nem tehetetlenségi rendszer, más jelenségek is megerősítik. 1802-ben Hamburgban végeztek egy kísérletet, amelyben 76 magasságból m nehéz test zuhant a földre. Kiderült, hogy a test nem pontosan a rá ható gravitációs erő irányába zuhant, hanem csaknem 1 cm-rel keletebbre tért el. Ez csak azzal magyarázható, hogy a Föld nem inerciarendszer.

1857-ben Karl Baer orosz akadémikus megalkotta a folyópart eróziójának jól ismert törvényét: az északi féltekén a meridián mentén folyó folyóknál a jobb part magas, a bal part alacsony, a déli féltekén, ellenkezőleg, a bal part magas, a jobb part pedig alacsony. Ez a minta különösen hangsúlyos a nagy folyókban. Magas jobb partja van a Nílusnak, Obnak, Irtisnek, Lénának, Volgának, Dunának, Dnyepernek, Donnak stb.. A déli félteke olyan folyóinál, mint a Parana és Paraguay, a bal part magasabb, mint a jobb part. Ez csak azzal magyarázható, hogy az északi féltekén a meridiánok mentén folyó folyók vizei jobbra (a déli féltekén, illetve balra) tolódnak el, elmosva a jobb, illetve a bal partot, mosott homokból alakul ki, lejtőssé válik.

Miért térjenek el oldalra a meridián mentén folyó folyók? Ugyanazért, amiért az inga síkja forog, és egy szabadon eső test eltér. A geográfus azt válaszolja, hogy mindezek a jelenségek a Föld tengelye körüli forgásának köszönhetők. A fizikus elmagyarázza, hogy ez a Föld mint referenciatest tehetetlenségét fejezi ki. A Föld az inerciarendszerekhez képest forog.

Az inerciarendszer megtalálása elvileg nem nehéz: csak meg kell találni egy vonatkoztatási rendszert, amelyben a Newton-törvények pontosan érvényesek. A gyakorlatban azonban ez egyáltalán nem ilyen egyszerű. Inerciarendszer csak szabad testhez tartozó rendszer lehet. A természetben, mint már említettük, nem szabad testek; minden test kölcsönhatásba lép más testekkel, bár ez a kölcsönhatás tetszőlegesen kicsi lehet. Ezért a természetben nem lehet konkrét inerciarendszert jelezni, de mindig lehet olyan rendszert találni, amely egy adott probléma vizsgálatakor a gyakorlathoz kellő pontossággal tehetetlennek tekinthető. a kívánt rendszert mindig úgy kell megválasztani, hogy a tehetetlenségéből adódó jelenségek kisebbek legyenek, mint a használt hibája. mérőműszerek. Amint azt már megjegyeztük, a „többség” leírásakor földmozgások bolygónkat tehetetlenségi rendszernek tekinthetjük. Foucault kísérletében, valamint a Föld mozgásának tanulmányozása során a tehetetlenségi rendszert a Naphoz kell társítani. A Nap mozgása a környező csillagokhoz kapcsolódó tehetetlenségi keretben írható le (a csillagokat gyakorlatilag mozdulatlannak feltételezzük), és a Galaxis forgásának tanulmányozásakor a tehetetlenségi keretet a csillag tömegközéppontjához kell társítani. a Galaxis.

Bemutatunk egy videóleckét az „Inerciális vonatkoztatási keretek. Newton első törvénye, amely a 9. osztályos iskolai fizikatanfolyamban szerepel. Az óra elején a tanár emlékeztetni fogja a választott referenciakeret fontosságára. Aztán beszélni fog a választott referenciarendszer helyességéről és jellemzőiről, valamint elmagyarázza a "tehetetlenség" kifejezést.

Az előző leckében a referenciakeret kiválasztásának fontosságáról beszéltünk. Emlékezzünk vissza, hogy a pálya, a megtett távolság és a sebesség attól függ, hogyan választjuk meg a CO-t. A referenciarendszer kiválasztásához számos egyéb jellemző is kapcsolódik, ezekről fogunk beszélni.

Rizs. 1. A terhelés esésének pályájának függése a referenciarendszer megválasztásától

A hetedik osztályban a „tehetetlenség” és a „tehetetlenség” fogalmát tanultad.

Tehetetlenség - ezt jelenség, amelyben a szervezet hajlamos megőrizni eredeti állapotát. Ha a test mozgott, akkor törekednie kell a mozgás sebességének fenntartására. És ha nyugalomban van, akkor törekszik a nyugalmi állapotának megőrzésére.

tehetetlenség - ezt ingatlan a test mozgásállapotának fenntartása érdekében. A tehetetlenség tulajdonságát olyan mennyiség jellemzi, mint a tömeg. Súly – a test tehetetlenségének mértéke. Minél nehezebb a test, annál nehezebb mozogni, vagy éppen ellenkezőleg, megállni.

Felhívjuk figyelmét, hogy ezek a fogalmak közvetlenül kapcsolódnak a " inerciális referenciakeret» (ISO), amelyről az alábbiakban lesz szó.

Tekintsük egy test mozgását (vagy nyugalmi állapotát), ha más test nem hat a testre. Azt a következtetést, hogy a test hogyan fog viselkedni más testek működésének hiányában, először Rene Descartes javasolta (2. ábra), majd Galilei kísérletei során folytatta (3. ábra).

Rizs. 2. René Descartes

Rizs. 3. Galileo Galilei

Ha a test mozog, és nem hat rá más test, akkor a mozgás megmarad, egyenes vonalú és egyenletes marad. Ha más testek nem hatnak a testre, és a test nyugalomban van, akkor a nyugalmi állapot megmarad. De köztudott, hogy a nyugalmi állapot összefügg a vonatkoztatási rendszerrel: az egyik FR-ben a test nyugalomban van, a másikban pedig meglehetősen sikeresen és gyorsan mozog. A kísérletek és az érvelés eredményei arra engednek következtetni, hogy a test nem minden vonatkoztatási rendszerben mozog egyenes vonalban és egyenletesen, vagy nyugalomban van, ha más testek nem hatnak rá.

Ebből adódóan a mechanika fő problémájának megoldásához olyan jelentési rendszert kell választani, ahol a tehetetlenség törvénye mégis teljesül, ahol egyértelmű a testmozgás változását okozó ok. Ha a test más testek hatásának hiányában egyenes vonalban és egyenletesen mozog, egy ilyen vonatkoztatási rendszer előnyösebb lesz számunkra, és az ún. inerciális vonatkoztatási rendszer(ISO).

Arisztotelész álláspontja a mozgás okáról

Az inerciális vonatkoztatási rendszer egy kényelmes modell a test mozgásának és az ilyen mozgást okozó okok leírására. Ez a fogalom először megjelent Isaac Newtonnak köszönhetően (5. ábra).

Rizs. 5. Isaac Newton (1643-1727)

Az ókori görögök egészen más módon képzelték el a mozgást. Megismerkedünk az arisztotelészi mozgásszemlélettel (6. ábra).

Rizs. 6. Arisztotelész

Arisztotelész szerint csak egy inerciális vonatkoztatási rendszer létezik - a Földhöz kapcsolódó vonatkoztatási rendszer. Az összes többi referenciarendszer Arisztotelész szerint másodlagos. Ennek megfelelően minden mozgás két típusra osztható: 1) természetes, vagyis azokra, amelyekről a Föld tudósít; 2) kényszerített, vagyis az összes többi.

A természetes mozgás legegyszerűbb példája a test szabadesése a Földre, mivel ebben az esetben a Föld sebességet ad a testnek.

Vegyünk egy példát a kényszermozgásra. Ez az a helyzet, amikor a ló húzza a szekeret. Amíg a ló erőt fejt ki, a szekér mozog (7. ábra). Amint a ló megállt, a szekér is megállt. Nincs erő, nincs sebesség. Arisztotelész szerint az erő az, ami megmagyarázza a sebesség jelenlétét a testben.

Rizs. 7. Kényszermozgás

Eddig néhány hétköznapi ember igazságosnak tartja Arisztotelész álláspontját. Például Friedrich Kraus von Zillergut ezredes, a Jó katona Schweik kalandjai a világháború alatt című művéből megpróbálta szemléltetni a „Nincs erő – nincs sebesség” elvet: „Amikor az összes benzin kijött – mondta az ezredes –, az autó kénytelen megállni. Ezt láttam tegnap. És ezek után még mindig a tehetetlenségről beszélnek, uraim. Nem megy, áll, nem mozdul egy helyről. Nincs benzin! Hát nem vicces?

Mint a modern show-bizniszben, ahol vannak rajongók, mindig lesznek kritikusok. Arisztotelésznek is voltak kritikusai. Azt javasolták, hogy végezze el a következő kísérletet: engedje el a testet, és pontosan az alá esik, ahol elengedtük. Mondjunk egy példát Arisztotelész elméletének kritikájára, hasonlóan kortársai példáihoz. Képzeljük el, hogy egy repülő repülőgép bombát dob ​​ki (8. ábra). Vajon a bomba pontosan arra a helyre esik, ahol kiengedtük?

Rizs. 8. Illusztráció például

Természetesen nem. De végül is ez egy természetes mozgás – egy olyan mozgás, amelyről a Föld számolt be. Akkor mi készteti ezt a bombát egyre tovább és tovább? Arisztotelész így válaszolt: az a tény, hogy a Föld természetes mozgása egyenes zuhanás. De amikor a levegőben mozog, a bombát elragadják a turbulenciái, és ezek a turbulenciák, mintegy előre tolják a bombát.

Mi történik, ha a levegőt eltávolítják és vákuumot hoznak létre? Végül is, ha nincs levegő, akkor Arisztotelész szerint a bombának szigorúan a dobás helye alá kell esnie. Arisztotelész azzal érvelt, hogy ha nincs levegő, akkor lehetséges egy ilyen helyzet, de valójában a természetben nincs üresség, nincs vákuum. És ha nincs vákuum, akkor nincs gond.

És egyedül Galileo Galilei fogalmazta meg a tehetetlenség elvét abban a formában, ahogyan azt megszoktuk. A sebesség változásának oka más testek szervezetre gyakorolt ​​hatása. Ha más testek nem hatnak a testre, vagy ez a hatás kompenzálódik, akkor a test sebessége nem változik.

Az inerciális vonatkoztatási rendszerrel kapcsolatban a következő érvelést tehetjük. Képzeljünk el egy olyan helyzetet, amikor egy autó mozog, majd a sofőr leállítja a motort, majd az autó tehetetlenséggel mozog (9. ábra). De ez téves állítás azon egyszerű okból, hogy idővel az autó megáll a súrlódási erő hatására. Ezért ebben az esetben nem lesz egyenletes mozgás- az egyik feltétel hiányzik.

Rizs. 9. Az autó sebessége a súrlódási erő hatására változik

Tekintsünk egy másik esetet: egy nagy, nagy traktor állandó sebességgel halad, míg előtte egy kanállal nagy terhet húz. Egy ilyen mozgás egyenes vonalúnak és egyenletesnek tekinthető, mert ebben az esetben a testre ható összes erő kiegyenlíti és kiegyenlíti egymást (10. ábra). Ezért az ehhez a testhez tartozó vonatkoztatási rendszert tehetetlennek tekinthetjük.

Rizs. 10. A traktor egyenletesen és egyenes vonalban mozog. Minden test tevékenysége kompenzálva van

Nagyon sok inerciális vonatkoztatási rendszer létezhet. A valóságban azonban egy ilyen vonatkoztatási rendszer még mindig idealizált, mert alaposabban megvizsgálva a teljes értelemben vett vonatkoztatási keretek nem léteznek. Az ISO egyfajta idealizálás, amely lehetővé teszi a valós fizikai folyamatok hatékony szimulálását.

Inerciális vonatkoztatási rendszerekre érvényes a Galileo-féle sebességek összeadási képlete. Vegye figyelembe azt is, hogy minden vonatkoztatási rendszer, amelyről korábban beszéltünk, bizonyos közelítésben inerciálisnak tekinthető.

Isaac Newton volt az első, aki megfogalmazta az ISO-nak szentelt törvényt. Newton érdeme abban rejlik, hogy ő volt az első, aki tudományosan kimutatta, hogy a mozgó test sebessége nem azonnal, hanem idővel valamilyen cselekvés hatására változik. Ez a tény képezte az alapját a törvény megalkotásának, amelyet Newton első törvényének nevezünk.

Newton első törvénye : vannak referenciarendszerek, amelyekben a test egyenes vonalban és egyenletesen mozog, vagy nyugalomban van, ha a testre semmilyen erő nem hat, vagy a testre ható összes erő kiegyenlődik. Az ilyen vonatkoztatási rendszereket inerciálisnak nevezzük.

Másképpen, néha ezt mondják: az inerciális vonatkoztatási rendszer olyan keret, amelyben Newton törvényei teljesülnek.

Miért a Föld nem inerciális CO? Foucault-inga

BAN BEN nagy számban Egy testnek a Földhöz viszonyított mozgását kell figyelembe venni, míg a Földet inerciális vonatkoztatási rendszernek tekintjük. Kiderült, hogy ez az állítás nem mindig igaz. Ha figyelembe vesszük a Föld mozgását a tengelyéhez vagy a csillagokhoz képest, akkor ez a mozgás némi gyorsulással megy végbe. Az SO, amely bizonyos gyorsulással mozog, nem tekinthető teljes értelemben tehetetlennek.

A Föld forog a tengelye körül, ami azt jelenti, hogy a felszínén fekvő összes pont folyamatosan változtatja sebességének irányát. A sebesség egy vektormennyiség. Ha iránya megváltozik, akkor némi gyorsulás jelenik meg. Ezért a Föld nem lehet megfelelő ISO. Ha kiszámítjuk ezt a gyorsulást az egyenlítőn található pontokra (azokra a pontokra, amelyeknek a pólusokhoz közelebbi pontokhoz viszonyított gyorsulása a legnagyobb), akkor értéke . Az index azt mutatja, hogy a gyorsulás centripetális. A gyorsuláshoz képest szabadesés, a gyorsulás elhanyagolható, és a Föld inerciális vonatkoztatási rendszernek tekinthető.

A hosszú távú megfigyelések során azonban nem szabad megfeledkezni a Föld forgásáról. Ezt Jean Bernard Leon Foucault francia tudós meggyőzően kimutatta (11. ábra).

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

Foucault-inga(12. ábra) - ez egy hatalmas súly, amely egy nagyon hosszú szálon van felfüggesztve.

Rizs. 12. Foucault-ingamodell

Ha a Foucault-ingát kivesszük az egyensúlyi helyzetből, akkor a következő pályát írja le az egyenesen kívül (13. ábra). Az inga elmozdulása a Föld forgásának köszönhető.

Rizs. 13. A Foucault-inga oszcillációi. Kilátás felülről.

A Föld forgása sorozatnak köszönhető Érdekes tények. Például az északi félteke folyóiban a jobb part általában meredekebb, a bal part pedig szelídebb. A déli félteke folyóiban - éppen ellenkezőleg. Mindez pontosan a Föld forgásának és az ebből eredő Coriolis-erőnek köszönhető.

Newton első törvénye megfogalmazásának kérdésében

Newton első törvénye: ha egyetlen test sem hat a testre, vagy hatásuk kölcsönösen kiegyensúlyozott (kompenzált), akkor ez a test nyugalomban lesz, vagy egyenletesen és egyenes vonalúan mozog.

Tekintsünk egy olyan helyzetet, amely azt jelzi számunkra, hogy Newton első törvényének ilyen megfogalmazását korrigálni kell. Képzelj el egy vonatot elfüggönyös ablakokkal. Egy ilyen vonatban az utas a kívül lévő tárgyak alapján nem tudja megállapítani, hogy a vonat halad-e vagy sem. Tekintsünk két vonatkoztatási rendszert: az FR-t a Volodya utassal és az FR-t a megfigyelővel kapcsolatban a peronon, Katya. A vonat gyorsulni kezd, a sebessége nő. Mi lesz az asztalon lévő almával? Az ellenkező irányba fog gurulni. Katya számára nyilvánvaló lesz, hogy az alma tehetetlenségből mozog, de Volodya számára ez érthetetlen lesz. Nem látja, hogy a vonat megkezdte a mozgását, és hirtelen az asztalon heverő alma gurulni kezd rajta. Hogy lehet ez? Hiszen Newton első törvénye szerint az almának nyugalomban kell maradnia. Ezért szükséges javítani Newton első törvényének meghatározását.

Rizs. 14. Illusztrációs példa

Newton első törvényének helyes megfogalmazásaígy hangzik: vannak referenciarendszerek, amelyekben a test egyenes vonalban és egyenletesen mozog, vagy nyugalomban van, ha a testre semmilyen erő nem hat, vagy a testre ható összes erő kiegyenlődik.

Volodya nem inerciális vonatkoztatási rendszerben van, Katya pedig inerciális vonatkoztatási rendszerben.

A legtöbb rendszer, valódi referenciarendszer - nem inerciális. Vegyünk egy egyszerű példát: a vonaton ülve egy testet (például egy almát) teszünk az asztalra. Amikor a vonat elindul, egy ilyen furcsa képet fogunk megfigyelni: az alma megmozdul, a vonat mozgásával ellentétes irányba gurul (15. ábra). Ebben az esetben nem tudjuk meghatározni, hogy milyen testek hatnak, mozgatják az almát. Ebben az esetben a rendszert nem inerciálisnak mondjuk. De belépve ki lehet lépni a helyzetből tehetetlenségi erő.

Rizs. 15. Példa egy nem inerciális CO-ra

Egy másik példa: amikor egy test az út lekerekítése mentén mozog (16. ábra), olyan erő lép fel, amely miatt a test eltér az egyenes vonalú mozgásiránytól. Ebben az esetben is mérlegelnünk kell nem inerciális vonatkoztatási rendszer, de az előző esethez hasonlóan úgy is kiléphetünk a helyzetből, ha bevezetjük az ún. tehetetlenségi erők.

Rizs. 16. Lekerekített pályán történő mozgás tehetetlenségi erői

Következtetés

Végtelen számú referenciarendszer létezik, de ezek többsége olyan, amelyet nem tekinthetünk inerciális referenciarendszernek. Az inerciális vonatkoztatási rendszer idealizált modell. Egyébként egy ilyen referenciarendszert felfoghatunk a Földhöz vagy néhány távoli objektumhoz (például csillagokhoz) kapcsolódó referenciarendszernek.

Bibliográfia

1. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizika: Tankönyv a 9. osztály számára Gimnázium. - M.: Felvilágosodás.
2. Peryshkin A.V., Gutnik E.M. Fizika. 9. évfolyam: általános műveltségi tankönyv. intézmények / A. V. Peryshkin, E. M. Gutnik. - 14. kiadás, sztereotípia. - M.: Túzok, 2009. - 300.
3. Sokolovics Yu.A., Bogdanova G.S. Fizika: Kézikönyv problémamegoldási példákkal. - 2. kiadás, újraterjesztés. - X .: Vesta: "Ranok" Kiadó, 2005. - 464 p.

1. "physics.ru" internetes portál ()
2. "ens.tpu.ru" internetes portál ()
3. "prosto-o-slognom.ru" internetes portál ()

Házi feladat

1. Fogalmazza meg az inerciális és nem inerciális vonatkoztatási rendszer definícióit. Mondjon példákat ilyen rendszerekre!
2. Állítsa be Newton első törvényét.
3. Az ISO-ban a test nyugalomban van. Határozza meg, hogy mekkora a sebessége IFR-ben, amely az első vonatkoztatási rendszerhez képest egy sebességgel mozog v?

Bármely testet befolyásolhatják az őt körülvevő más testek, aminek következtében a megfigyelt test mozgási (nyugalmi) állapota megváltozhat. Ugyanakkor az ilyen hatások kompenzálhatók (kiegyensúlyozhatók), és nem okoznak ilyen változásokat. Amikor azt mondják, hogy két vagy több test cselekvése kompenzálja egymást, ez azt jelenti, hogy közös cselekvésük eredménye ugyanaz, mintha ezek a testek egyáltalán nem léteznének. Ha más testek testre gyakorolt ​​hatását kiegyenlítjük, akkor a test a Földhöz képest vagy nyugalomban van, vagy egyenes vonalban és egyenletesen mozog.

Így elérkeztünk a mechanika egyik alaptörvényéhez, amelyet Newton első törvényének neveznek.

Newton 1. törvénye (tehetetlenségi törvény)

Vannak olyan vonatkoztatási rendszerek, amelyekben egy transzlációsan mozgó test nyugalomban van, vagy egyenletes egyenes vonalú mozgásban van (tehetetlenségi mozgás), amíg más testek hatásai ki nem hozzák ebből az állapotból.

Az elmondottakhoz képest egy test sebességének változását (azaz gyorsulást) mindig valamilyen más testnek a testre gyakorolt ​​hatása okozza.

Newton 1. törvénye csak inerciális vonatkoztatási rendszerben érvényes.

Meghatározás

Inerciálisnak nevezzük azokat a vonatkoztatási rendszereket, amelyekhez képest egy test, amelyre más testek nem hatnak, nyugalomban van, vagy egyenletesen és egyenes vonalúan mozog.

Azt, hogy egy adott vonatkoztatási rendszer inerciális-e, csak empirikusan lehet meghatározni. A legtöbb esetben a Földhöz vagy a Föld felszínéhez képest egyenletesen és egyenes vonalúan mozgó referenciatestekhez kapcsolódó inerciális vonatkoztatási rendszereket lehet figyelembe venni.

1. ábra Inerciális vonatkoztatási rendszerek

Jelenleg kísérletileg igazolták, hogy a Nap középpontjához és három "rögzített" csillaghoz kapcsolódó heliocentrikus vonatkoztatási rendszer gyakorlatilag inerciális.

Minden más vonatkoztatási rendszer, amely az inerciálishoz képest egyenletesen és egyenesen mozog, maga is inerciális.

Galileo megállapította, hogy lehetetlen meghatározni, hogy ez a rendszer nyugalomban van-e, vagy egyenletesen és egyenes vonalúan mozog-e, bármilyen mechanikai kísérlettel, amelyet inerciális vonatkoztatási rendszerben helyeztek el. Ezt az állítást nevezik Galilei relativitáselvének, vagy a relativitás mechanikus elvének.

Ezt az elvet később A. Einstein dolgozta ki, és ez a speciális relativitáselmélet egyik posztulátuma. Az IFR-ek rendkívül fontos szerepet játszanak a fizikában, hiszen az Einstein-féle relativitáselv szerint bármely fizikatörvény matematikai kifejezése minden IFR-ben azonos formában van.

Ha a referenciatest gyorsulással mozog, akkor a hozzá tartozó referenciakeret nem inerciális, és Newton 1. törvénye nem érvényes benne.

A testek azon tulajdonságát, hogy időben fenntartják állapotukat (mozgási sebesség, mozgásirány, nyugalmi állapot stb.), tehetetlenségnek nevezzük. Azt a jelenséget, amikor egy mozgó test megőrzi a sebességet külső hatások nélkül, tehetetlenségnek nevezzük.

2. ábra A tehetetlenségi nyomaték megnyilvánulásai a buszban a mozgás és a fékezés megkezdésekor

A testek tehetetlenségének megnyilvánulásával gyakran találkozunk a mindennapi életben. Az autóbusz éles gyorsításával a benne ülő utasok hátradőlnek (2. ábra, a), a busz éles fékezésével pedig előre dőlnek (2. kép, b), majd amikor a busz jobbra fordul - a bal falához. A felszálló repülőgép nagy gyorsulásával a pilóta teste, amely megpróbálja megtartani eredeti nyugalmi állapotát, az üléshez nyomódik.

A testek tehetetlensége egyértelműen a rendszer testeinek gyorsulásainak éles változásában nyilvánul meg, amikor az inerciális vonatkoztatási rendszert nem inerciálisra cserélik, és fordítva.

A test tehetetlenségét általában a tömegével (tehetetlenségi tömegével) jellemezzük.

A nem inerciális vonatkoztatási rendszerből a testre ható erőt tehetetlenségi erőnek nevezzük

Ha egy nem inerciális vonatkoztatási rendszerben egy testre egyszerre több erő hat, amelyek egy része "hétköznapi", mások tehetetlenségi erők, akkor a test egy eredő erőt fog kifejteni, amely a rá ható összes erő vektorösszege. . Ez az eredő erő nem tehetetlenségi erő. A tehetetlenségi erő csak egy összetevője a keletkező erőnek.

Ha a két vékony szálon felfüggesztett botot lassan húzza a közepéhez erősített zsinór, akkor:

1. a pálca eltörik;
2. a vezeték elszakad;
3. az egyik szál elszakad;
4. az alkalmazott erőtől függően bármelyik opció lehetséges

4. ábra

Az erőt a rúd közepére kell kifejteni, azon a helyen, ahol a zsinór lóg. Mivel Newton 1. törvénye szerint bármely testnek tehetetlensége van, a zsinór felfüggesztési pontján lévő pálca egy része az alkalmazott erő hatására elmozdul, és a pálca többi része, amelyre az erő nem hat. , nyugalomban marad. Ezért a pálca a felfüggesztés helyén eltörik.

Válasz. Helyes válasz 1.

Egy férfi két megkötött szánkót húz, és 300 -os szöget zár be a horizonthoz. Határozza meg ezt az erőt, ha ismert, hogy a szán egyenletesen mozog. A szán súlya 40 kg. Súrlódási tényező 0,3.

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

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

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

$g$ = 9,8 m/s2

5. ábra

Mivel a szán állandó sebességgel mozog, Newton első törvénye szerint a szánra ható erők összege nulla. Írjuk fel Newton első törvényét minden testre közvetlenül a tengelyre vetítésben, és adjuk hozzá a szánra vonatkozó Coulomb száraz súrlódási törvényét:

OX tengely OY tengely

\[\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(tömb) \jobbra.\left\( \begin(tömb)(c) N_1-mg=0 \\ N_2+F(sin \alpha \ )-mg=0 \end(tömb) \jobbra.\]

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

Általános fizika tanfolyam

Bevezetés.

Fizika (görögül physisből - természet), a természet tudománya, a legegyszerűbb és egyben a legtöbb tanulmányozása általános tulajdonságok anyagi világ(a természeti jelenségek mintázatai, az anyag tulajdonságai, szerkezete és mozgásának törvényei). A fizika fogalmai és törvényei minden természettudomány alapját képezik. A fizika az egzakt tudományok közé tartozik, és a jelenségek mennyiségi mintázatait vizsgálja. Ezért természetesen a fizika nyelve a matematika.

Az anyag két alapvető formában létezhet: anyag és mező. Összefüggenek egymással.

Példák: In nyugalom – szilárd testek, folyadékok, plazma, molekulák, atomok, elemi részecskék stb.

Terület- elektromágneses mező (a mező kvantumai (részei) - fotonok);

gravitációs tér (mezőkvantumok - gravitonok).

Az anyag és a mező kapcsolata– elektron-pozitron pár megsemmisítése.

A fizika minden bizonnyal világnézeti tudomány, alapjainak ismerete pedig az szükséges elem a modern ember bármilyen műveltsége, kultúrája.

Ugyanakkor a fizika nagy gyakorlati jelentőséggel bír. Ő az, aki az emberiség technikai, információs és kommunikációs vívmányainak túlnyomó részét köszönheti.

Ráadásul az elmúlt évtizedek fizikai módszerek a kutatást egyre gyakrabban alkalmazzák a fizikától távol álló tudományokban, például a szociológiában és a közgazdaságtanban.

Klasszikus mechanika.

A mechanika a fizika azon ága, amely azzal foglalkozik a legegyszerűbb forma az anyag mozgása - a testek mozgása térben és időben.

Kezdetben a mechanika, mint tudomány alapelveit (törvényeit) I. Newton fogalmazta meg három törvény formájában, amely a nevét kapta.

A leírás vektoros módszerével a sebesség egy pont vagy test sugárvektorának deriváltjaként definiálható , és a tömeg itt arányossági együtthatóként működik.

1. Amikor két test kölcsönhatásba lép, mindegyik egy másik testre hat azonos értékű, de ellentétes irányú erővel.

Ezek a törvények a tapasztalatból származnak. Minden klasszikus mechanika ezeken alapul. Hosszú idő azt hitték, hogy minden megfigyelt jelenség leírható ezekkel a törvényekkel. Idővel azonban az emberi képességek határai tágultak, és a tapasztalatok azt mutatták, hogy a Newton-törvények nem mindig érvényesek, és ebből adódóan a klasszikus mechanikának is vannak bizonyos alkalmazhatósági korlátai.

Emellett egy kicsit később egy kicsit más oldalról is rátérünk a klasszikus mechanikára - a megmaradási törvényekre alapozva, amelyek bizonyos értelemben általánosabb fizikatörvények, mint Newton törvényei.

1.2. A klasszikus mechanika alkalmazhatóságának korlátai.

Az első korlátozás a vizsgált objektumok sebességére vonatkozik. A tapasztalat azt mutatja, hogy a Newton-törvények csak akkor maradnak érvényben, ha a feltétellel , hol van a fény sebessége vákuumban ( ). Ilyen sebességgel lineáris skálákés az időintervallumok nem változnak, amikor egyik vonatkoztatási rendszerről a másikra lépünk. Ezért a tér és az idő abszolút a klasszikus mechanikában.

Tehát a klasszikus mechanika alacsony relatív sebességű mozgást ír le, pl. ez nem relativisztikus fizika. A nagy sebességre vonatkozó korlátozás a klasszikus newtoni mechanika alkalmazásának első korlátja.

Emellett a tapasztalat azt mutatja, hogy a newtoni mechanika törvényeinek alkalmazása illegális mikroobjektumok leírására: molekulák, atomok, magok, elemi részecskék stb. A méretekből kiindulva

(), a megfigyelt jelenségek megfelelő leírását más

törvények - kvantum. Ezeket kell használni, amikor a rendszert leíró és mérettel rendelkező jellemző mennyiséget kell használni , összehasonlítható a Planck-állandóhoz. Tegyük fel, hogy egy atomban lévő elektronhoz . Ekkor az a mennyiség, amelynek a szögimpulzus dimenziója van, egyenlő: .

Bármilyen fizikai jelenség az történések sorozata. esemény ami a tér adott pontjában történik, az ún Ebben a pillanatban idő.

Az események leírásához írja be tér és idő- az anyag létezésének főbb formáit jelző kategóriák. A tér az egyes tárgyak létrendjét, az idő pedig a jelenségek változási rendjét fejezi ki. A teret és az időt meg kell jelölni. A jelölés a referenciatestek és a referenciatestek (skála) bevezetésével történik.

Referencia rendszerek. Inerciális referenciarendszerek.

A test mozgásának vagy a használt modell leírására - az anyagi pont alkalmazható vektor módon leírások, amikor a számunkra érdekes objektum pozícióját a sugárvektor segítségével állítjuk be a referenciatestből egy számunkra érdekes pontra irányított szegmens, amelynek térbeli helyzete idővel változhat. A sugárvektor végeinek lokuszát ún röppálya mozgó pont.

2.1. Koordináta rendszerek.

Egy másik módszer a test mozgásának leírására az koordináta, amelyben egy bizonyos koordinátarendszer mereven kapcsolódik a referenciatesthez.

A mechanikában és általában a fizikában különféle problémákban kényelmesen használható különféle rendszerek koordináták. A leggyakrabban használt ún Derékszögű, hengeres és gömb alakú koordinátarendszerek.

1) Derékszögű koordinátarendszer: három egymásra merőleges tengelyt kell megadni meghatározott léptékkel mindhárom tengely mentén (vonalzók). Az összes tengely referenciapontja a referenciatestből származik. Az egyes koordináták változásának határai tól -ig.

A pont helyzetét meghatározó sugárvektor a koordinátáiban van megadva, mint

. (2.1)

Kis térfogat derékszögű rendszerben:

,

vagy végtelenül kicsiny lépésekben:

(2.2)

2) Hengeres koordinátarendszer: Változóként van kiválasztva a tengelytől való távolság, az x tengelytől mért elforgatási szög és a referenciatesttől mért tengely menti magasság.

3) Szférikus koordinátarendszer: adja meg a referenciatest és az érdekes pont távolságát és a szögeket

forgatás és , a tengelyekből számolva, ill.

Sugárvektor - változók függvénye

,

koordináták változási határértékei:

A derékszögű koordinátákat a gömbkoordinátákkal a következő összefüggések kapcsolják össze

(2.6)

Térfogatelem gömbkoordinátában:

(2.7)

2.2. Referencia rendszer.

Referenciarendszer felépítéséhez a referenciatesttel mereven összekötött koordinátarendszert órával kell kiegészíteni. Lehet, hogy bent van az óra különböző pontokat szóközök, ezért ezeket szinkronizálni kell. Az óra szinkronizálása jelek segítségével történik. Legyen a jel terjedési ideje az esemény bekövetkeztétől a megfigyelési pontig . Ekkor az óránk a jel megjelenésének pillanatában az időt kell mutatnia. ha az esemény időpontjában az esemény időpontjában lévő óra az időt mutatja . Az ilyen órákat szinkronizáltnak tekintjük.

Ha a tér azon pontjától, ahol az esemény bekövetkezett, a megfigyelési pont távolsága és a jelátviteli sebesség , akkor . A klasszikus mechanikában azt feltételezik, hogy a jel terjedési sebessége . Ezért minden térben egy órát vezetnek be.

Összesített referenciatestek, koordinátarendszerek és órák forma Referencia rendszer(CO).

Végtelen számú referenciarendszer létezik. A tapasztalat azt mutatja, hogy bár a sebességek kicsik a fénysebességhez képest , a lineáris léptékek és az időintervallumok nem változnak amikor az egyik referenciarendszerből a másikba lépünk.

Más szavakkal, a klasszikus mechanikában a tér és az idő abszolút.

Ha , akkor a léptékek és az időintervallumok az SS megválasztásától függenek, pl. tér és idő relatív fogalommá válnak. Ez már egy terület relativisztikus mechanika.

2.3.Inerciális vonatkoztatási rendszerek(ISO).

Tehát egy olyan referenciarendszer választása előtt állunk, amelyben a mechanika problémáit meg tudnánk oldani (a testek mozgásának leírása és az azt okozó okok feltárása). Kiderül, hogy nem minden vonatkoztatási rendszer egyenlő, nemcsak a probléma formális leírásában, hanem, ami még fontosabb, különböző módon reprezentálják azokat az okokat, amelyek a test állapotában változást okoznak.

A referenciakeret, amelyben a mechanika törvényei a legegyszerűbben megfogalmazódnak, lehetővé teszi Newton első törvényének megállapítását, amely a létezést feltételezi. inerciális vonatkoztatási rendszerek- ISO.

A klasszikus mechanika I. törvénye – Galileo-Newton tehetetlenségi törvénye.

Létezik egy ilyen vonatkoztatási rendszer, amelyben egy anyagi pont, ha kizárjuk az összes többi testtel való kölcsönhatását, tehetetlenséggel fog mozogni, pl. fenntartani a nyugalmi állapotot vagy az egyenruhát egyenes vonalú mozgás.

Ez az inerciális vonatkoztatási rendszer (ISO).

Az ISO-ban egy anyagi pont mozgásában bekövetkező változás (gyorsulás) csak a többi testtel való kölcsönhatásnak köszönhető, de nem magának a vonatkoztatási rendszernek a tulajdonságaitól függ.