Kerangka acuan inersia terlebih dahulu. Sistem referensi apa yang disebut inersia? Contoh kerangka acuan inersia

Hukum pertama Newton mendalilkan adanya fenomena seperti inersia benda. Oleh karena itu, ia juga dikenal sebagai Hukum Inersia. Kelembaman - ini adalah fenomena tubuh mempertahankan kecepatan gerakan (baik dalam besaran maupun arahnya), ketika tidak ada gaya yang bekerja pada tubuh. Untuk mengubah kecepatan gerakan, perlu untuk bertindak pada tubuh dengan beberapa kekuatan. Secara alami, hasil aksi gaya yang sama besarnya pada benda yang berbeda akan berbeda. Dengan demikian benda dikatakan memiliki inersia. Inersia adalah properti tubuh untuk menolak mengubah keadaan mereka saat ini. Nilai inersia ditandai dengan massa tubuh.

Kerangka acuan inersia

Hukum pertama Newton menyatakan (yang dapat diverifikasi secara eksperimental dengan berbagai tingkat akurasi) bahwa sistem inersia benar-benar ada. Hukum mekanika ini menempatkan kerangka acuan inersia pada posisi istimewa dan istimewa.

Kerangka acuan di mana hukum pertama Newton dipenuhi disebut inersia.

Sistem inersia referensi- ini adalah sistem dimana suatu titik material, tanpa adanya pengaruh eksternal di atasnya atau kompensasi timbal baliknya, diam atau bergerak secara seragam dan lurus.

Ada sejumlah sistem inersia yang tak terbatas. Kerangka acuan yang terkait dengan kereta api yang bergerak dengan kecepatan konstan di sepanjang bagian lintasan yang lurus juga merupakan kerangka inersia (kurang lebih), seperti kerangka yang terkait dengan Bumi. Semua kerangka acuan inersia membentuk kelas kerangka yang bergerak relatif satu sama lain secara seragam dan lurus. Percepatan setiap benda dalam kerangka inersia yang berbeda adalah sama.

Bagaimana mengatur apa? sistem ini referensi adalah inersia? Ini hanya bisa dilakukan dengan pengalaman. Pengamatan menunjukkan bahwa, dengan tingkat akurasi yang sangat tinggi, kerangka heliosentris dapat dianggap sebagai kerangka acuan inersia, di mana asal koordinat dikaitkan dengan Matahari, dan sumbunya diarahkan ke bintang "tetap" tertentu. Kerangka acuan yang secara kaku terhubung dengan permukaan bumi, secara tegas, tidak inersia, karena Bumi bergerak dalam orbit mengelilingi Matahari dan pada saat yang sama berputar di sekitar porosnya sendiri. Namun, ketika menggambarkan gerakan yang tidak memiliki skala global (yaitu, di seluruh dunia), sistem referensi yang terkait dengan Bumi dapat dianggap inersia dengan akurasi yang cukup.

Kerangka acuan yang bergerak secara seragam dan lurus relatif terhadap kerangka acuan inersia mana pun juga bersifat inersia.

Galileo menetapkan bahwa tidak mungkin untuk menentukan apakah sistem ini diam atau bergerak seragam dan lurus dengan eksperimen mekanis apa pun yang diatur di dalam kerangka acuan inersia. Pernyataan ini disebut prinsip relativitas Galileo atau prinsip relativitas mekanik.

Prinsip ini kemudian dikembangkan oleh A. Einstein dan merupakan salah satu postulat dari teori relativitas khusus. Kerangka acuan inersia memainkan peran yang sangat penting dalam fisika, karena, menurut prinsip relativitas Einstein, ekspresi matematis dari setiap hukum fisika memiliki bentuk yang sama di setiap kerangka acuan inersia. Di masa depan, kami hanya akan menggunakan sistem inersia (tanpa menyebutkan ini setiap saat).

Kerangka acuan di mana hukum pertama Newton tidak terpenuhi disebut non-inersia.

Sistem tersebut mencakup setiap kerangka acuan yang bergerak dengan percepatan relatif terhadap kerangka acuan inersia.

Dalam mekanika Newton, hukum interaksi benda dirumuskan untuk kelas kerangka acuan inersia.

Contoh eksperimen mekanik di mana non-inersia sistem yang terhubung dengan Bumi dimanifestasikan adalah perilaku pendulum Foucault. Ini adalah nama bola besar yang digantungkan pada benang yang cukup panjang dan membuat osilasi kecil di sekitar posisi keseimbangan. Jika sistem yang terhubung dengan Bumi adalah inersia, bidang osilasi pendulum Foucault akan tetap tidak berubah relatif terhadap Bumi. Faktanya, bidang ayunan pendulum berputar karena rotasi bumi, dan proyeksi lintasan pendulum ke permukaan bumi terlihat seperti roset (Gbr. 1).

Fakta bahwa tubuh cenderung tidak melakukan gerakan apa pun, yaitu bujursangkar, dibuktikan, misalnya, dengan eksperimen berikut (Gbr. 2). Sebuah bola yang bergerak lurus sepanjang permukaan horizontal yang datar, bertabrakan dengan rintangan yang berbentuk lengkung, dipaksa untuk bergerak dalam busur di bawah aksi rintangan ini. Namun, ketika bola mencapai tepi rintangan, ia berhenti bergerak dalam arah lengkung dan mulai bergerak dalam garis lurus lagi. Meringkas hasil pengamatan di atas (dan serupa), kita dapat menyimpulkan bahwa jika benda tertentu tidak terpengaruh oleh benda lain atau tindakan mereka saling dikompensasi, benda ini diam atau kecepatannya tetap tidak berubah relatif terhadap kerangka acuan tetap. berhubungan dengan permukaan bumi.

Pertanyaan #6:

Dikhawatirkan sebagian besar pembaca sudah bosan dengan penalaran teoritis dan mereka akan menuntut untuk memberi contoh spesifik sistem inersia di alam. Mari kita berusaha untuk memenuhi keinginan mereka sejauh mungkin. Mari kita pertimbangkan contoh spesifik: apakah LTT merupakan sistem inersia Bumi? Setiap siswa akan mengatakan ini: “Semua contoh yang diberikan guru fisika dalam pelajaran, menjelaskan hukum Newton, berhubungan dengan pergerakan benda di Bumi. Saya memahami ini sedemikian rupa sehingga pergerakan semua benda di Bumi terjadi sesuai dengan hukum Newton. Oleh karena itu, Bumi adalah sistem inersia.”

Namun kesimpulan ini tidak akurat. Untuk memverifikasi ini, mari kita secara mental pindah ke Paris Pantheon, di mana pada tahun 1851 Leon Foucault, anggota Akademi Ilmu Pengetahuan Prancis, menunjukkan pengalamannya yang terkenal.

Sebuah kabel sepanjang 67 meter digantungkan dari kubah Pantheon, yang dipasangi sebuah beban tembaga seberat 28 . kg. Pendulum raksasa ini diatur untuk berayun. Setelah beberapa osilasi, sebuah fenomena luar biasa terungkap: bidang di mana ayunan pendulum mulai berputar perlahan. Mengapa? Foucault menjelaskan hasil percobaan rotasi bumi pada porosnya. Bumi berputar, tetapi bidang ayunan pendulum tidak berubah - ini mengarah pada rotasi bidang osilasi pendulum relatif terhadap permukaan bumi. Kami sepenuhnya setuju dengan penjelasan ini, hanya saja kami akan mengungkapkannya sedikit berbeda: Bumi bukanlah sistem inersia. Bidang osilasi pendulum berputar relatif terhadap Bumi, tetapi tidak mungkin menemukan benda apa pun yang akan menjadi sumber gaya yang menyebabkan rotasi ini. Dalam hal ini, percepatan (rotasi mengacu pada gerakan yang dipercepat) terjadi tanpa pengaruh gaya nyata. Dalam sistem inersia, di mana hukum Newton berlaku, fenomena seperti itu tidak mungkin.

Bumi dapat dianggap sebagai sistem inersia hanya kira-kira; dengan kata lain, kita dapat menganggap Bumi sebagai sistem inersia hanya untuk menggambarkan proses seperti itu, di mana rotasinya praktis tidak memiliki efek nyata. Sebagian besar fenomena yang mengelilingi kita berdasarkan sifatnya adalah seperti itu. Oleh karena itu, dalam kehidupan praktis, kita dapat dengan aman menerapkan hukum Newton pada gerakan di Bumi.

Fakta bahwa Bumi bukanlah sistem inersia dikonfirmasi oleh fenomena lain. Pada tahun 1802, sebuah percobaan dilakukan di Hamburg, di mana, dari ketinggian 76 m sesosok tubuh yang berat jatuh ke tanah. Ternyata tubuh tidak jatuh tepat ke arah gaya gravitasi yang bekerja padanya, tetapi menyimpang hampir 1 cm ke timur. Ini hanya dapat dijelaskan oleh fakta bahwa Bumi adalah sistem non-inersia.

Pada tahun 1857, akademisi Rusia Karl Baer menetapkan hukum erosi tepi sungai yang terkenal: untuk sungai yang mengalir di sepanjang meridian di belahan bumi utara, tepi kanan tinggi dan tepi kiri rendah, di belahan bumi selatan, di sebaliknya, tepi kiri tinggi dan tepi kanan rendah. Pola ini terutama terlihat di sungai-sungai besar. Sungai Nil, Ob, Irtysh, Lena, Volga, Danube, Dnieper, Don, dll memiliki tepi kanan yang tinggi. Tepi kiri lebih tinggi dari tepi kanan di dekat sungai-sungai di belahan bumi selatan seperti Parana dan Paraguay. Ini hanya dapat dijelaskan oleh fakta bahwa air sungai yang mengalir di sepanjang meridian di belahan bumi utara bergeser ke kanan (masing-masing di belahan bumi selatan, ke kiri), menyapu tepi kanan, dan tepi kiri, terbentuk dari pasir yang dicuci, menjadi miring.

Mengapa sungai yang mengalir di sepanjang meridian harus menyimpang ke samping? Untuk alasan yang sama bahwa bidang pendulum berputar dan benda jatuh bebas menyimpang. Ahli geografi akan menjawab bahwa semua fenomena ini disebabkan oleh rotasi bumi pada porosnya. Fisikawan akan menjelaskan bahwa ini mengungkapkan non-kelembaman Bumi sebagai benda referensi. Bumi berputar relatif terhadap sistem inersia.

Menemukan kerangka inersia, pada prinsipnya, tidak sulit: Anda hanya perlu menemukan kerangka acuan di mana hukum Newton berlaku secara tepat. Namun, dalam praktiknya, sama sekali tidak sesederhana itu. Sistem inersia hanya dapat menjadi sistem yang terkait dengan benda bebas. Di alam, seperti yang telah disebutkan, tidak tubuh bebas; semua benda berinteraksi dengan benda lain, meskipun interaksi ini bisa sangat kecil. Oleh karena itu, tidak mungkin untuk menunjukkan di alam sistem inersia tertentu, tetapi orang selalu dapat menemukan sistem yang, ketika mempelajari masalah yang diberikan, dapat dianggap inersia dengan akurasi yang cukup untuk latihan. sistem yang diinginkan harus selalu dipilih sehingga fenomena karena non-inersianya lebih kecil dari kesalahan yang digunakan alat pengukur. Seperti yang telah kita catat, ketika menggambarkan "mayoritas" gerakan bumi planet kita mungkin dianggap sebagai sistem inersia. Dalam percobaan Foucault, serta dalam mempelajari gerakan Bumi, sistem inersia harus dikaitkan dengan Matahari. Pergerakan Matahari dapat digambarkan dalam kerangka inersia yang terkait dengan bintang-bintang di sekitarnya (bintang-bintang diasumsikan praktis tidak bergerak), dan ketika mempelajari rotasi Galaksi, kita harus mengaitkan kerangka inersia dengan pusat massa galaksi.

Kami mempersembahkan kepada Anda pelajaran video yang didedikasikan untuk topik “Kerangka referensi inersia. Hukum pertama Newton, yang termasuk dalam kursus fisika sekolah untuk kelas 9. Di awal pelajaran, guru akan mengingatkan Anda tentang pentingnya kerangka acuan yang dipilih. Dan kemudian dia akan berbicara tentang kebenaran dan fitur dari sistem referensi yang dipilih, dan juga menjelaskan istilah "kelembaman".

Dalam pelajaran sebelumnya, kita berbicara tentang pentingnya memilih kerangka acuan. Ingatlah bahwa lintasan, jarak yang ditempuh, dan kecepatan akan tergantung pada bagaimana kita memilih CO. Ada sejumlah fitur lain yang terkait dengan pilihan sistem referensi, dan kami akan membicarakannya.

Beras. 1. Ketergantungan lintasan jatuhnya beban pada pilihan sistem referensi

Di kelas tujuh, Anda mempelajari konsep "kelembaman" dan "kelembaman".

Kelembaman - ini fenomena, di mana tubuh cenderung mempertahankan keadaan aslinya. Jika tubuh sedang bergerak, maka ia harus berusaha untuk menjaga kecepatan gerakan ini. Dan jika dalam keadaan diam, ia akan berusaha untuk mempertahankan keadaan istirahatnya.

kelembaman - ini Properti tubuh untuk mempertahankan keadaan gerak. Sifat inersia dicirikan oleh kuantitas seperti massa. Bobot – ukuran inersia tubuh. Semakin berat tubuh, semakin sulit untuk bergerak atau, sebaliknya, berhenti.

Harap dicatat bahwa konsep-konsep ini berhubungan langsung dengan konsep " kerangka referensi inersia» (ISO), yang akan dibahas di bawah ini.

Pertimbangkan gerakan tubuh (atau keadaan istirahat) jika tidak ada tubuh lain yang bekerja pada tubuh. Kesimpulan tentang bagaimana tubuh akan berperilaku tanpa adanya aksi tubuh lain pertama kali diusulkan oleh Rene Descartes (Gbr. 2) dan dilanjutkan dalam eksperimen Galileo (Gbr. 3).

Beras. 2. Rene Descartes

Beras. 3. Galileo Galilei

Jika tubuh bergerak dan tidak ada tubuh lain yang bertindak padanya, maka gerakan itu akan dipertahankan, itu akan tetap lurus dan seragam. Jika tubuh lain tidak bekerja pada tubuh, dan tubuh dalam keadaan istirahat, maka keadaan istirahat akan dipertahankan. Tetapi diketahui bahwa keadaan istirahat terhubung dengan kerangka acuan: di satu FR tubuh dalam keadaan diam, dan di FR lain ia bergerak cukup berhasil dan cepat. Hasil eksperimen dan penalaran mengarah pada kesimpulan bahwa tidak semua kerangka acuan benda akan bergerak dalam garis lurus dan seragam atau diam tanpa adanya benda lain yang bekerja padanya.

Akibatnya, untuk memecahkan masalah utama mekanika, penting untuk memilih sistem pelaporan seperti itu, di mana hukum inersia terpenuhi, di mana alasan yang menyebabkan perubahan gerakan tubuh jelas. Jika tubuh bergerak dalam garis lurus dan seragam tanpa adanya aksi tubuh lain, kerangka acuan seperti itu akan lebih disukai bagi kita, dan itu akan disebut kerangka acuan inersia(ISO).

Sudut pandang Aristoteles tentang penyebab gerak

Kerangka acuan inersia adalah model yang nyaman untuk menggambarkan gerakan benda dan alasan yang menyebabkan gerakan tersebut. Untuk pertama kalinya konsep ini muncul berkat Isaac Newton (Gbr. 5).

Beras. 5. Isaac Newton (1643-1727)

Orang Yunani kuno membayangkan gerakan dengan cara yang sama sekali berbeda. Kita akan berkenalan dengan sudut pandang Aristotelian tentang gerakan (Gbr. 6).

Beras. 6. Aristoteles

Menurut Aristoteles, hanya ada satu kerangka acuan inersia - kerangka acuan yang terkait dengan Bumi. Semua sistem referensi lainnya, menurut Aristoteles, adalah sekunder. Dengan demikian, semua gerakan dapat dibagi menjadi dua jenis: 1) alami, yaitu yang dilaporkan Bumi; 2) dipaksa, yaitu, sisanya.

Contoh paling sederhana dari gerak alami adalah jatuh bebas suatu benda ke Bumi, karena Bumi dalam hal ini memberikan kecepatan pada benda tersebut.

Perhatikan contoh gerakan paksa. Ini adalah situasi ketika kuda menarik kereta. Selama kuda memberikan gaya, kereta bergerak (Gbr. 7). Begitu kuda berhenti, kereta juga berhenti. Tidak ada kekuatan, tidak ada kecepatan. Menurut Aristoteles, itu adalah kekuatan yang menjelaskan adanya kecepatan dalam tubuh.

Beras. 7. Gerakan paksa

Sampai saat ini, sebagian orang awam menganggap pandangan Aristoteles itu adil. Misalnya, Kolonel Friedrich Kraus von Zillergut dari The Adventures of the Good Soldier Schweik selama Perang Dunia mencoba menggambarkan prinsip "Tidak ada daya - tidak ada kecepatan": "Ketika semua bensin habis," kata kolonel, "mobil itu terpaksa berhenti. Ini yang saya lihat kemarin. Dan setelah itu mereka masih berbicara tentang inersia, tuan-tuan. Tidak pergi, berdiri, tidak bergerak dari suatu tempat. Tidak ada bensin! Nah, lucu bukan?

Seperti dalam bisnis pertunjukan modern, di mana ada penggemar, akan selalu ada kritik. Aristoteles juga memiliki kritik. Mereka menyarankan agar dia melakukan eksperimen berikut: lepaskan tubuh, dan itu akan jatuh tepat di bawah tempat kita melepaskannya. Mari kita beri contoh kritik terhadap teori Aristoteles, mirip dengan contoh orang-orang sezamannya. Bayangkan sebuah pesawat terbang melemparkan bom (Gbr. 8). Akankah bom itu jatuh tepat di bawah tempat kita melepaskannya?

Beras. 8. Ilustrasi misalnya

Tentu saja tidak. Tapi bagaimanapun, ini adalah gerakan alami - gerakan yang dilaporkan Bumi. Lalu apa yang membuat bom ini bergerak semakin jauh? Aristoteles menjawab seperti ini: faktanya adalah bahwa gerakan alami yang dilaporkan Bumi adalah jatuh lurus ke bawah. Tetapi ketika bergerak di udara, bom itu terbawa oleh turbulensinya, dan turbulensi ini seolah-olah mendorong bom ke depan.

Apa yang akan terjadi jika udara dihilangkan dan ruang hampa tercipta? Lagi pula, jika tidak ada udara, maka, menurut Aristoteles, bom harus benar-benar jatuh di bawah tempat dilemparnya. Aristoteles berpendapat bahwa jika tidak ada udara, maka situasi seperti itu mungkin terjadi, tetapi pada kenyataannya tidak ada kekosongan di alam, tidak ada kekosongan. Dan jika tidak ada vakum, tidak ada masalah.

Dan hanya Galileo Galilei yang merumuskan prinsip inersia dalam bentuk yang biasa kita gunakan. Alasan perubahan kecepatan adalah efek dari benda lain pada tubuh. Jika tubuh lain tidak bekerja pada tubuh atau tindakan ini dikompensasi, maka kecepatan tubuh tidak akan berubah.

Kita dapat membuat alasan berikut mengenai kerangka acuan inersia. Bayangkan sebuah situasi di mana sebuah mobil bergerak, kemudian pengemudi mematikan mesin, dan kemudian mobil bergerak dengan inersia (Gbr. 9). Tetapi ini adalah pernyataan yang salah karena alasan sederhana bahwa seiring waktu mobil akan berhenti sebagai akibat dari gaya gesekan. Oleh karena itu, dalam hal ini tidak akan ada gerakan seragam- salah satu syarat tidak ada.

Beras. 9. Kecepatan mobil berubah sebagai akibat dari gaya gesekan

Pertimbangkan kasus lain: sebuah traktor besar dan besar bergerak dengan kecepatan konstan, sementara di depannya ia menyeret beban besar dengan ember. Gerakan seperti itu dapat dianggap bujursangkar dan seragam, karena dalam hal ini semua gaya yang bekerja pada tubuh dikompensasikan dan saling menyeimbangkan (Gbr. 10). Oleh karena itu, kerangka acuan yang terkait dengan benda ini, dapat kita pertimbangkan inersia.

Beras. 10. Traktor bergerak secara merata dan lurus. Tindakan semua tubuh dikompensasi

Mungkin ada banyak kerangka acuan inersia. Namun pada kenyataannya, kerangka acuan seperti itu masih diidealkan, karena jika ditelaah lebih dekat, kerangka acuan seperti itu dalam arti yang utuh tidak ada. ISO adalah semacam idealisasi yang memungkinkan Anda untuk secara efektif mensimulasikan proses fisik nyata.

Untuk sistem referensi inersia, rumus Galileo untuk menambahkan kecepatan adalah valid. Perhatikan juga bahwa semua kerangka acuan, yang telah kita bicarakan sebelumnya, dapat dianggap inersia dalam beberapa pendekatan.

Isaac Newton adalah orang pertama yang merumuskan hukum yang didedikasikan untuk ISO. Kelebihan Newton terletak pada kenyataan bahwa ia adalah orang pertama yang secara ilmiah menunjukkan bahwa kecepatan benda yang bergerak tidak berubah secara instan, tetapi sebagai akibat dari beberapa tindakan dari waktu ke waktu. Fakta ini menjadi dasar penciptaan hukum, yang kita sebut hukum pertama Newton.

hukum pertama Newton : ada sistem referensi di mana tubuh bergerak dalam garis lurus dan seragam atau diam jika tidak ada gaya yang bekerja pada tubuh atau semua gaya yang bekerja pada tubuh dikompensasi. Kerangka acuan seperti itu disebut inersia.

Dengan cara lain, mereka kadang-kadang mengatakan ini: kerangka acuan inersia adalah kerangka di mana hukum Newton terpenuhi.

Mengapa Bumi adalah CO non-inersia. bandul Foucault

PADA dalam jumlah besar masalah, perlu untuk mempertimbangkan gerakan tubuh relatif terhadap Bumi, sementara kami menganggap Bumi sebagai kerangka acuan inersia. Ternyata pernyataan ini tidak selalu benar. Jika kita mempertimbangkan pergerakan Bumi relatif terhadap porosnya atau relatif terhadap bintang-bintang, maka pergerakan ini terjadi dengan beberapa percepatan. SO, yang bergerak dengan percepatan tertentu, tidak dapat dianggap inersia dalam arti penuh.

Bumi berputar pada porosnya, yang berarti bahwa semua titik yang terletak di permukaannya terus-menerus mengubah arah kecepatannya. Kecepatan adalah besaran vektor. Jika arahnya berubah, maka beberapa percepatan muncul. Oleh karena itu, Earth tidak dapat menjadi ISO yang benar. Jika kita menghitung percepatan ini untuk titik-titik yang terletak di ekuator (titik-titik yang memiliki percepatan maksimum relatif terhadap titik-titik yang lebih dekat ke kutub), maka nilainya adalah . Indeks menunjukkan bahwa percepatan adalah sentripetal. Dibandingkan dengan percepatan jatuh bebas, percepatan dapat diabaikan dan Bumi dapat dianggap sebagai kerangka acuan inersia.

Namun, selama pengamatan jangka panjang, orang tidak boleh melupakan rotasi Bumi. Ini secara meyakinkan ditunjukkan oleh ilmuwan Prancis Jean Bernard Leon Foucault (Gbr. 11).

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

bandul Foucault(Gbr. 12) - itu adalah beban besar yang tergantung pada utas yang sangat panjang.

Beras. 12. Model pendulum Foucault

Jika bandul Foucault dikeluarkan dari kesetimbangan, maka akan menggambarkan lintasan berikutnya selain garis lurus (Gbr. 13). Pergeseran bandul tersebut disebabkan oleh rotasi bumi.

Beras. 13. Osilasi bandul Foucault. Lihat dari atas.

Rotasi bumi disebabkan oleh deret fakta Menarik. Misalnya, di sungai-sungai di belahan bumi utara, sebagai aturan, tepi kanan lebih curam, dan tepi kiri lebih landai. Di sungai-sungai di belahan bumi selatan - sebaliknya. Semua ini justru disebabkan oleh rotasi Bumi dan gaya Coriolis yang dihasilkan.

Pada pertanyaan tentang rumusan hukum pertama Newton

hukum pertama Newton: jika tidak ada tubuh yang bekerja pada tubuh atau aksinya saling seimbang (berkompensasi), maka tubuh ini akan diam atau bergerak secara seragam dan lurus.

Mari kita pertimbangkan situasi yang akan menunjukkan kepada kita bahwa rumusan hukum pertama Newton seperti itu perlu dikoreksi. Bayangkan sebuah kereta dengan jendela bertirai. Dalam kereta api seperti itu, penumpang tidak dapat menentukan apakah kereta api itu bergerak atau tidak oleh benda-benda di luar. Mari kita pertimbangkan dua kerangka acuan: FR terkait dengan penumpang Volodya dan FR terkait dengan pengamat di peron Katya. Kereta mulai berakselerasi, kecepatannya meningkat. Apa yang akan terjadi pada apel di atas meja? Ini akan bergulir ke arah yang berlawanan. Bagi Katya, jelas bahwa apel itu bergerak dengan inersia, tetapi bagi Volodya itu tidak dapat dipahami. Dia tidak melihat bahwa kereta mulai bergerak, dan tiba-tiba sebuah apel yang tergeletak di atas meja mulai menggelinding di atasnya. Bagaimana ini bisa terjadi? Bagaimanapun, menurut hukum pertama Newton, apel harus tetap diam. Oleh karena itu, perlu dilakukan penyempurnaan definisi hukum pertama Newton.

Beras. 14. Contoh ilustrasi

Rumusan hukum pertama Newton yang benar terdengar seperti ini: ada sistem referensi di mana tubuh bergerak dalam garis lurus dan seragam atau diam jika tidak ada gaya yang bekerja pada tubuh atau semua gaya yang bekerja pada tubuh dikompensasi.

Volodya berada dalam kerangka acuan non-inersia, dan Katya dalam kerangka acuan inersia.

Sebagian besar sistem, sistem referensi nyata - non-inersia. Pertimbangkan contoh sederhana: duduk di kereta, Anda meletakkan beberapa tubuh (misalnya, sebuah apel) di atas meja. Ketika kereta mulai bergerak, kita akan mengamati gambar yang aneh: apel akan bergerak, berguling ke arah yang berlawanan dengan pergerakan kereta (Gbr. 15). Dalam hal ini, kita tidak akan dapat menentukan tubuh apa yang bertindak, membuat apel bergerak. Dalam hal ini, sistem dikatakan non-inersia. Tapi Anda bisa keluar dari situasi dengan masuk gaya inersia.

Beras. 15. Contoh CO . non-inersia

Contoh lain: ketika sebuah benda bergerak sepanjang putaran jalan (Gbr. 16), timbul gaya yang menyebabkan benda menyimpang dari arah gerak bujursangkar. Dalam hal ini, kita juga harus mempertimbangkan kerangka acuan non-inersia, tetapi, seperti pada kasus sebelumnya, kita juga dapat keluar dari situasi tersebut dengan memperkenalkan apa yang disebut. gaya inersia.

Beras. 16. Gaya inersia saat bergerak di sepanjang jalan yang dibulatkan

Kesimpulan

Ada sejumlah sistem referensi yang tak terbatas, tetapi kebanyakan dari mereka adalah yang tidak dapat kita anggap sebagai sistem referensi inersia. Kerangka acuan inersia adalah model ideal. Omong-omong, kita dapat mengambil sistem referensi seperti itu sebagai sistem referensi yang terkait dengan Bumi atau beberapa objek yang jauh (misalnya, dengan bintang).

Bibliografi

1. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fisika: Buku Pelajaran untuk Kelas 9 SMA. - M.: Pencerahan.
2. Peryshkin A.V., Gutnik E.M. Fisika. Kelas 9: buku teks untuk pendidikan umum. institusi / A. V. Peryshkin, E. M. Gutnik. - Edisi ke-14, stereotip. - M.: Bustard, 2009. - 300.
3. Sokolovich Yu.A., Bogdanova G.S. Fisika: Buku pegangan dengan contoh pemecahan masalah. - Edisi ke-2, redistribusi. - X .: Vesta: Rumah penerbitan "Ranok", 2005. - 464 hal.

1. Portal internet "physics.ru" ()
2. Portal internet "ens.tpu.ru" ()
3. Portal internet "prosto-o-slognom.ru" ()

Pekerjaan rumah

1. Merumuskan definisi kerangka acuan inersia dan non-inersia. Berikan contoh sistem seperti itu.
2. Nyatakan hukum pertama Newton.
3. Dalam ISO, tubuh dalam keadaan istirahat. Tentukan berapa nilai kecepatannya dalam IFR, yang bergerak relatif terhadap kerangka acuan pertama dengan kecepatan v?

Setiap benda dapat dipengaruhi oleh benda lain di sekitarnya, akibatnya keadaan gerak (istirahat) benda yang diamati dapat berubah. Pada saat yang sama, dampak tersebut dapat dikompensasikan (seimbang) dan tidak menyebabkan perubahan tersebut. Ketika mereka mengatakan bahwa tindakan dua atau lebih badan saling mengimbangi, ini berarti bahwa hasil dari tindakan bersama mereka sama seolah-olah badan-badan ini tidak ada sama sekali. Jika pengaruh benda lain pada tubuh dikompensasi, maka relatif terhadap Bumi benda itu diam atau bergerak dalam garis lurus dan seragam.

Jadi, kita sampai pada salah satu hukum dasar mekanika, yang disebut hukum pertama Newton.

Hukum 1 Newton (hukum inersia)

Ada sistem referensi seperti itu di mana benda yang bergerak secara translasi berada dalam keadaan diam atau gerak lurus beraturan (gerak oleh inersia) sampai pengaruh dari benda lain membawanya keluar dari keadaan ini.

Sehubungan dengan apa yang telah dikatakan, perubahan kecepatan suatu benda (yaitu, percepatan) selalu disebabkan oleh tumbukan beberapa benda lain pada benda ini.

Hukum 1 Newton hanya berlaku dalam kerangka acuan inersia.

Definisi

Kerangka acuan, relatif terhadap benda yang tidak terpengaruh oleh benda lain, diam atau bergerak secara seragam dan lurus, disebut inersia.

Adalah mungkin untuk menentukan apakah kerangka acuan yang diberikan bersifat inersia hanya secara empiris. Dalam kebanyakan kasus, seseorang dapat mempertimbangkan kerangka acuan inersia yang terkait dengan Bumi atau dengan benda acuan yang bergerak secara seragam dan lurus terhadap permukaan bumi.

Gambar 1. Kerangka acuan inersia

Saat ini, secara eksperimental telah dikonfirmasi bahwa kerangka acuan heliosentris yang terkait dengan pusat Matahari dan tiga bintang "tetap" praktis bersifat inersia.

Setiap kerangka acuan lain yang bergerak secara seragam dan lurus relatif terhadap kerangka acuan inersia itu sendiri adalah inersia.

Galileo menetapkan bahwa tidak mungkin untuk menentukan apakah sistem ini diam atau bergerak seragam dan lurus dengan eksperimen mekanis apa pun yang diatur di dalam kerangka acuan inersia. Pernyataan ini disebut prinsip relativitas Galileo, atau prinsip relativitas mekanik.

Prinsip ini kemudian dikembangkan oleh A. Einstein dan merupakan salah satu postulat dari teori relativitas khusus. IFR memainkan peran yang sangat penting dalam fisika, karena, menurut prinsip relativitas Einstein, ekspresi matematis dari setiap hukum fisika memiliki bentuk yang sama di setiap IFR.

Jika benda acuan bergerak dengan percepatan, maka kerangka acuan yang terkait dengannya adalah non-inersia, dan hukum 1 Newton tidak berlaku di dalamnya.

Properti tubuh untuk mempertahankan keadaan mereka dalam waktu (kecepatan gerakan, arah gerakan, keadaan istirahat, dll) disebut inersia. Fenomena kekekalan kecepatan oleh benda yang bergerak tanpa adanya pengaruh eksternal disebut inersia.

Gambar 2. Manifestasi inersia di bus pada awal gerakan dan pengereman

Dengan manifestasi kelembaman tubuh, kita sering bertemu dalam kehidupan sehari-hari. Dengan percepatan bus yang tajam, penumpang di dalamnya bersandar ke belakang (Gbr. 2, a), dan dengan pengereman bus yang tajam, mereka mencondongkan tubuh ke depan (Gbr. 2, b), dan ketika bus berbelok ke kanan - ke dinding kirinya. Dengan percepatan besar pesawat lepas landas, tubuh pilot, yang berusaha mempertahankan keadaan istirahat aslinya, ditekan ke kursi.

Inersia benda dimanifestasikan dengan jelas dalam perubahan tajam dalam percepatan benda sistem, ketika kerangka acuan inersia digantikan oleh kerangka non-inersia, dan sebaliknya.

Inersia suatu benda biasanya dicirikan oleh massanya (massa inersia).

Gaya yang bekerja pada benda dari kerangka acuan non-inersia disebut gaya inersia

Jika beberapa gaya bekerja secara simultan pada sebuah benda dalam kerangka acuan non-inersia, beberapa di antaranya adalah gaya "biasa", dan yang lainnya adalah gaya inersia, maka benda tersebut akan mengalami satu gaya resultan, yang merupakan jumlah vektor dari semua gaya yang bekerja padanya. . Gaya resultan ini bukan gaya inersia. Gaya inersia hanya merupakan komponen dari gaya yang dihasilkan.

Jika sebuah tongkat, tergantung pada dua benang tipis, ditarik perlahan dengan tali yang terpasang di tengahnya, maka:

1. tongkat akan patah;
2. kabelnya putus;
3. salah satu utas akan putus;
4. opsi apa pun dimungkinkan, tergantung pada gaya yang diterapkan

Gambar 4

Gaya diterapkan ke bagian tengah tongkat, di tempat tali digantung. Karena, menurut hukum 1 Newton, setiap benda memiliki inersia, bagian tongkat pada titik suspensi tali akan bergerak di bawah aksi gaya yang diterapkan, dan bagian lain dari tongkat, di mana gaya tidak bekerja. , akan tetap diam. Oleh karena itu, tongkat akan patah pada titik suspensi.

Menjawab. Jawaban yang benar 1.

Seorang pria menarik dua kereta luncur terikat, menerapkan gaya pada sudut 300 ke cakrawala. Temukan gaya ini jika diketahui bahwa giring bergerak beraturan. Berat giring adalah 40 kg. Koefisien gesekan 0,3.

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

$(\mathbf \mu )$ = 0.3

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

$g$ = 9,8 m/s2

Gambar 5

Karena kereta luncur bergerak dengan kecepatan konstan, menurut hukum pertama Newton, jumlah gaya yang bekerja pada kereta luncur adalah nol. Mari kita tuliskan hukum pertama Newton untuk setiap benda segera dalam proyeksi pada sumbu, dan tambahkan hukum gesekan kering Coulomb untuk kereta luncur:

Sumbu OX Sumbu OY

\[\left\( \begin(array)(c) T-F_(tr1)=0 \\ F_(tr1)=\mu N_1 \\ F_(tr2)=\mu N_2 \\ F(cos \alpha - \ )F_(tr2)-T=0 \end(array) \right.\left\( \begin(array)(c) N_1-mg=0 \\ N_2+F(sin \alpha \ )-mg=0 \end(array) \benar.\]

$F=\frac(2\mu mg)((cos \alpha \ )+\mu (sin \alpha \ ))=\ \frac(2\cdot 0.3\cdot 40\cdot 9.8)((cos 30() ^\circ \ )+0.3\cdot (sin 30()^\circ \ ))=231.5\ H$

Mata kuliah fisika umum

Pengantar.

Fisika (Yunani, dari physis - alam), ilmu alam, mempelajari yang paling sederhana dan sekaligus paling properti Umum dunia materi(pola fenomena alam, sifat dan struktur materi dan hukum geraknya). Konsep fisika dan hukumnya mendasari semua ilmu alam. Fisika termasuk dalam ilmu eksakta dan mempelajari pola kuantitatif fenomena. Oleh karena itu, wajar jika bahasa fisika adalah matematika.

Materi dapat eksis dalam dua bentuk dasar: materi dan medan. Mereka saling berhubungan.

Contoh: Dalam keheningan – benda padat, cairan, plasma, molekul, atom, partikel dasar, dll.

Bidang- medan elektromagnetik (kuanta (bagian) dari medan - foton);

medan gravitasi (bidang kuanta - graviton).

Hubungan antara materi dan medan- Pemusnahan pasangan elektron-positron.

Fisika tentu saja merupakan ilmu pandangan dunia, dan pengetahuan tentang fondasinya adalah elemen yang diperlukan pendidikan apapun, budaya manusia modern.

Pada saat yang sama, fisika sangat penting secara praktis. Dialah yang berutang sebagian besar pencapaian teknis, informasi dan komunikasi umat manusia.

Apalagi beberapa dekade terakhir metode fisik penelitian semakin banyak digunakan dalam ilmu-ilmu yang tampaknya jauh dari fisika, seperti sosiologi dan ekonomi.

Mekanika klasik.

Mekanika adalah cabang fisika yang berhubungan dengan bentuk paling sederhana gerak materi - pergerakan benda dalam ruang dan waktu.

Awalnya, prinsip dasar (hukum) mekanika sebagai ilmu dirumuskan oleh I. Newton dalam bentuk tiga hukum yang menerima namanya.

Menggunakan metode vektor deskripsi, kecepatan dapat didefinisikan sebagai turunan dari vektor jari-jari suatu titik atau benda , dan massa bertindak di sini sebagai koefisien proporsionalitas.

1. Ketika dua benda berinteraksi, masing-masing dari mereka bekerja pada benda lain dengan nilai yang sama, tetapi berlawanan arah, gaya.

Hukum-hukum ini berasal dari pengalaman. Semua mekanika klasik didasarkan pada mereka. Untuk waktu yang lama diyakini bahwa semua fenomena yang diamati dapat dijelaskan oleh hukum-hukum ini. Namun, seiring waktu, batas kemampuan manusia meluas, dan pengalaman menunjukkan bahwa hukum Newton tidak selalu valid, dan mekanika klasik, sebagai akibatnya, memiliki batas penerapan tertentu.

Selain itu, beberapa saat kemudian kita akan beralih ke mekanika klasik dari sudut yang sedikit berbeda - berdasarkan hukum kekekalan, yang dalam arti tertentu adalah hukum fisika yang lebih umum daripada hukum Newton.

1.2. Batas penerapan mekanika klasik.

Keterbatasan pertama terkait dengan kecepatan objek yang dipertimbangkan. Pengalaman telah menunjukkan bahwa hukum Newton tetap berlaku hanya dalam kondisi , di mana adalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa ( ). Pada kecepatan ini skala linier dan interval waktu tidak berubah ketika berpindah dari satu kerangka acuan ke kerangka acuan lainnya. Itu sebabnya ruang dan waktu adalah mutlak dalam mekanika klasik.

Jadi, mekanika klasik menggambarkan gerak dengan kecepatan relatif rendah, yaitu ini adalah fisika non-relativistik. Pembatasan dari kecepatan tinggi adalah batasan pertama dari penerapan mekanika Newton klasik.

Selain itu, pengalaman menunjukkan bahwa penerapan hukum mekanika Newton adalah ilegal untuk menggambarkan objek mikro: molekul, atom, inti, partikel dasar dll. Mulai dari dimensi

(), deskripsi yang memadai dari fenomena yang diamati diberikan oleh orang lain

hukum - kuantum. Merekalah yang harus digunakan ketika kuantitas karakteristik menggambarkan sistem dan memiliki dimensi , sebanding dengan konstanta Planck Katakanlah, untuk sebuah elektron dalam sebuah atom, kita memiliki . Maka besaran yang memiliki dimensi momentum sudut sama dengan: .

Setiap fenomena fisik adalah urutan peristiwa. peristiwa yang terjadi pada suatu titik tertentu dalam ruang disebut saat ini waktu.

Untuk mendeskripsikan acara, masukkan ruang dan waktu- kategori yang menunjukkan bentuk utama keberadaan materi. Ruang mengungkapkan urutan keberadaan objek individu, dan waktu mengungkapkan urutan perubahan fenomena. Ruang dan waktu harus ditandai. Penandaan dilakukan dengan memperkenalkan badan referensi dan badan referensi (skala).

Sistem referensi. Sistem referensi inersia.

Untuk menggambarkan gerakan tubuh atau model yang digunakan - titik material dapat diterapkan cara vektor deskripsi, ketika posisi objek yang menarik bagi kami diatur menggunakan vektor radius segmen yang diarahkan dari badan referensi ke tempat menarik bagi kita, yang posisinya dalam ruang dapat berubah seiring waktu. Tempat kedudukan ujung-ujung vektor jari-jari disebut lintasan titik bergerak.

2.1. Sistem koordinat.

Cara lain untuk menggambarkan gerak suatu benda adalah koordinat, di mana sistem koordinat tertentu secara kaku terkait dengan badan referensi.

Dalam mekanika, dan fisika secara umum, dalam berbagai masalah akan lebih mudah digunakan berbagai sistem koordinat. Yang paling umum digunakan disebut Cartesian, silinder dan bola sistem koordinat.

1) Sistem koordinasi cartesian: tiga sumbu yang saling tegak lurus dengan skala tertentu di sepanjang ketiga sumbu (penggaris) dimasukkan. Titik referensi untuk semua sumbu diambil dari badan referensi. Batas perubahan masing-masing koordinat dari ke .

Vektor radius yang menentukan posisi suatu titik didefinisikan dalam koordinatnya sebagai

. (2.1)

Volume kecil dalam sistem Cartesian:

,

atau dalam peningkatan yang sangat kecil:

(2.2)

2) Sistem koordinat silinder: Jarak dari sumbu, sudut rotasi dari sumbu x, dan tinggi sepanjang sumbu dari badan referensi dipilih sebagai variabel.

3) Sistem koordinat bola: masukkan jarak dari badan referensi ke tempat tujuan dan sudut

rotasi dan , dihitung dari sumbu dan , Masing-masing.

Vektor radius - fungsi variabel

,

batas perubahan koordinat:

Koordinat kartesius terkait dengan koordinat bola dengan hubungan berikut:

(2.6)

Elemen volume dalam koordinat bola:

(2.7)

2.2. Sistem referensi.

Untuk membangun sistem referensi, sistem koordinat yang terhubung secara kaku dengan badan referensi harus dilengkapi dengan jam. Jam mungkin masuk berbagai titik spasi, sehingga perlu disinkronkan. Sinkronisasi jam dilakukan dengan menggunakan sinyal. Biarkan waktu perambatan sinyal dari titik di mana peristiwa terjadi ke titik pengamatan menjadi . Maka jam kita harus menunjukkan waktu pada saat sinyal muncul. jika jam pada titik kejadian pada saat kejadiannya menunjukkan waktu . Kami akan mempertimbangkan jam tersebut untuk disinkronkan.

Jika jarak dari titik dalam ruang dimana peristiwa itu terjadi ke titik pengamatan adalah , dan laju transmisi sinyal adalah , maka . Dalam mekanika klasik, diasumsikan bahwa kecepatan rambat sinyal . Oleh karena itu, satu jam diperkenalkan di semua ruang.

Agregat badan referensi, sistem koordinat dan jam membentuk Sistem referensi(BERSAMA).

Ada jumlah tak terbatas dari sistem referensi. Pengalaman menunjukkan bahwa meskipun kecepatannya kecil dibandingkan dengan kecepatan cahaya , skala linier dan interval waktu tidak berubah ketika berpindah dari satu sistem referensi ke sistem referensi lainnya.

Dengan kata lain, dalam mekanika klasik, ruang dan waktu adalah mutlak.

Jika sebuah , maka skala dan interval waktu tergantung pada pilihan SS, yaitu ruang dan waktu menjadi konsep yang relatif. Ini sudah merupakan area mekanika relativistik.

2.3.Kerangka acuan inersia(ISO).

Jadi, kita dihadapkan pada pilihan sistem referensi di mana kita dapat memecahkan masalah mekanika (jelaskan pergerakan benda dan tentukan penyebab yang menyebabkannya). Ternyata tidak semua kerangka acuan sama, tidak hanya dalam deskripsi formal masalah, tetapi, yang lebih penting, mereka mewakili penyebab yang menyebabkan perubahan keadaan tubuh dengan cara yang berbeda.

Kerangka acuan di mana hukum mekanika dirumuskan paling sederhana, memungkinkan Anda untuk menetapkan hukum pertama Newton, yang mendalilkan keberadaan kerangka acuan inersia- ISO.

Hukum I mekanika klasik - hukum kelembaman Galileo-Newton.

Ada sistem referensi seperti itu di mana titik material, jika kita mengecualikan interaksinya dengan semua benda lain, akan bergerak dengan inersia, yaitu. mempertahankan keadaan istirahat atau seragam gerak lurus.

Ini adalah kerangka acuan inersia (ISO).

Dalam ISO, perubahan gerakan titik material (percepatan) hanya disebabkan oleh interaksinya dengan benda lain, tetapi tidak bergantung pada properti kerangka acuan itu sendiri.