Inerciālās atskaites sistēmas īsumā fizika. Inerciālās atskaites sistēmas: Ņūtona pirmais likums

Atskaites sistēmu, kas pārvietojas (attiecībā pret zvaigznēm) vienmērīgi un taisni (t.i., pēc inerces), sauc par inerciālu. Acīmredzot šādu atskaites kadru ir neskaitāms skaits, jo jebkurš kadrs, kas pārvietojas vienmērīgi un taisni attiecībā pret kādu inerciālu atskaites rāmi, arī ir inerciāls.Atsauces kadrus, kas pārvietojas (attiecībā pret inerciālo kadru) ar paātrinājumu, sauc par neinerciālu.

Pieredze to rāda

visās inerciālajās atskaites sistēmās visi mehāniskie procesi notiek tieši tādā pašā veidā (vienādos apstākļos).

Šo nostāju, ko sauc par mehānisko relativitātes principu (vai Galileo relativitātes principu), Galileo formulēja 1636. gadā. Galileo to skaidroja ar piemēru par mehāniskiem procesiem, kas notiek kuģa kabīnē, kas vienmērīgi un taisni kuģo pa mierīgu jūru. Novērotājam kajītē svārsta svārstības, ķermeņu krišana un citi mehāniskie procesi norit tieši tāpat kā uz stāvoša kuģa. Tāpēc, novērojot šos procesus, nav iespējams noteikt ne ātruma lielumu, ne pat pašu kuģa kustības faktu. Lai spriestu par kuģa kustību attiecībā pret jebkuru atskaites sistēmu (piemēram, okeāna virsmu), ir nepieciešams novērot arī šo sistēmu (lai redzētu, kā attālinās uz ūdens guļošie objekti utt.).

Līdz XX gadsimta sākumam. izrādījās, ka ne tikai mehāniskie, bet arī termiskie, elektriskie, optiskie un visi citi dabas procesi un parādības norisinās pilnīgi vienādi visos inerciālajos atskaites rāmjos. Pamatojoties uz to, Einšteins 1905. gadā formulēja vispārināto relativitātes principu, ko vēlāk sauca par Einšteina relativitātes principu:

visās inerciālajās atskaites sistēmās visi fizikālie procesi notiek tieši tāpat (ar vienādiem nosacījumiem).

Šis princips kopā ar apgalvojumu, ka gaismas ātrums vakuumā nav atkarīgs no gaismas avota kustības (skat. § 20), veidoja Einšteina izstrādātās īpašās relativitātes teorijas pamatu.

Ņūtona likumi un citi mūsu aplūkotie dinamikas likumi izpildās tikai inerciālās atskaites sistēmās. Neinerciālās atskaites sistēmās šie likumi, vispārīgi runājot, vairs nav spēkā. Apsveriet vienkāršu piemēru, lai precizētu pēdējo apgalvojumu.

Uz pilnīgi gludas platformas, kas pārvietojas vienmērīgi un taisni, masas bumba atrodas uz tās pašas platformas kā novērotājs. Cits novērotājs stāv uz Zemes netālu no vietas, kur platforma gatavojas iet garām. Ir skaidrs, ka abi novērotāji ir saistīti ar inerciālām atskaites sistēmām.

Lai tagad, ar Zemi savienotā novērotāja garāmešanas brīdī, platforma sāk kustēties ar paātrinājumu a, t.i., kļūst par neinerciālu atskaites sistēmu. Šajā gadījumā bumba, kas iepriekš atradās miera stāvoklī attiecībā pret platformu, sāks kustēties (attiecībā pret to) ar paātrinājumu a, kas ir pretējs virzienā un ir vienāds ar platformas iegūto paātrinājumu. Noskaidrosim, kā izskatās bumbiņas uzvedība no katra novērotāja viedokļa.

Novērotājam, kas saistīts ar inerciālu atskaites sistēmu - Zemi, bumba turpina kustēties vienmērīgi un taisni, pilnībā ievērojot inerces likumu (jo uz to neiedarbojas nekādi spēki, izņemot gravitāciju, ko līdzsvaro atbalsta reakcija).

Novērotājam, kas saistīts ar neinerciālu atskaites sistēmu - platformu, ir atšķirīgs attēls: bumba sāk kustēties un iegūst paātrinājumu, bet bez spēka ietekmes (jo novērotājs nekonstatē citu ķermeņu triecienu uz lodi). kas piešķir bumbiņai paātrinājumu). Tas nepārprotami ir pretrunā ar inerces likumu. Nav izpildīts arī Ņūtona otrais likums: to piemērojot, novērotājs iegūtu, ka (spēks) a tas nav iespējams, jo ne a, ne a nav vienādi ar nulli.

Taču dinamikas likumus var piemērot kustību aprakstam neinerciālās atskaites sistēmās, ja ņem vērā īpaša veida spēkus - inerces spēkus. Tad mūsu piemērā novērotājs, kas savienots ar platformu, var pieņemt, ka bumba kustas inerces spēka ietekmē

Inerces spēka ieviešana dod iespēju pierakstīt Ņūtona otro likumu (un tā sekas) parastajā formā (sk. 7. §); tikai ar darbojošos spēku tagad ir jāsaprot "parasto" spēku un inerces spēku rezultants

kur ir ķermeņa masa un tās paātrinājums.

Inerces spēkus mēs saucām par "īpaša veida" spēkiem, pirmkārt, tāpēc, ka tie darbojas tikai neinerciālos atskaites sistēmās, un, otrkārt, tāpēc, ka tiem, atšķirībā no "parastajiem" spēkiem, nav iespējams norādīt, kuri citi ķermeņi. (uz attiecīgā ķermeņa), tie ir kondicionēti. Acīmredzot šī iemesla dēļ nav iespējams piemērot Ņūtona trešo likumu (un tā sekas) inerces spēkiem; šī ir trešā inerciālo spēku iezīme.

Tas, ka nav iespējams norādīt atsevišķus ķermeņus, kuru darbība (uz aplūkojamo ķermeni) ir saistīta ar inerces spēkiem, protams, nenozīmē, ka šo spēku rašanās nemaz nav saistīta ar kāda materiāla darbību. ķermeņi. Ir nopietni iemesli uzskatīt, ka inerces spēki rodas visu Visuma ķermeņu kopas (Visuma masas kopumā) darbības rezultātā.

Fakts ir tāds, ka pastāv liela līdzība starp inerces spēkiem un gravitācijas spēkiem: abi ir proporcionāli ķermeņa masai, uz kuru tie iedarbojas, un tāpēc paātrinājums, ko katrs no šiem spēkiem piešķir ķermenim, nav atkarīgs. uz ķermeņa masu. Noteiktos apstākļos šos spēkus vispār nevar atšķirt. Lai, piemēram, kosmosa kuģis pārvietojas ar paātrinājumu (dzinēju darbības dēļ) kaut kur kosmosā. Tajā esošais kosmonauts piedzīvos spēku, kas viņu piespiež pie kosmosa kuģa "grīdas" (aizmugurējās sienas attiecībā pret kustības virzienu). Šis spēks radīs tieši tādu pašu efektu un radīs astronautā tādas pašas sajūtas, kādas radītu attiecīgais gravitācijas spēks.

Ja astronauts uzskata, ka viņa kuģis pārvietojas ar paātrinājumu, kas ir relatīvs pret Visumu, tad spēku, kas uz to iedarbojas, viņš nosauks par inerces spēku. Ja kosmonauts uzskata, ka viņa kuģis ir nekustīgs un Visums steidzas tam garām ar tādu pašu paātrinājumu a, tad viņš šo spēku nosauks par gravitācijas spēku. Un abi viedokļi būs absolūti līdzvērtīgi. Neviens kuģa iekšienē veikts eksperiments nevar pierādīt viena viedokļa pareizību un otra viedokļa maldīgumu.

No aplūkotajiem un citiem līdzīgiem piemēriem izriet, ka atskaites sistēmas paātrinātā kustība ir līdzvērtīga (pēc ietekmes uz ķermeņiem) atbilstošo gravitācijas spēku rašanās brīdim. Šo pozīciju sauc par gravitācijas un inerces spēku ekvivalences principu (Einšteina ekvivalences princips); šis princips ir vispārējās relativitātes teorijas pamatā.

Inerces spēki rodas ne tikai taisnvirziena kustībā, bet arī rotējošās neinerciālās atskaites sistēmās. Lai, piemēram, uz horizontālas platformas, kas var griezties ap vertikālo asi, atrodas masas ķermenis, kas ar gumijas auklu savienots ar rotācijas centru O (18. att.). Ja platforma sāk griezties ar leņķisko ātrumu ω (un līdz ar to pārvēršas par neinerciālu sistēmu), tad berzes dēļ rotācijā tiks iesaistīts arī ķermenis. Tomēr tas pārvietosies radiālā virzienā no platformas centra, līdz pieaugošais stiepes auklas elastīgais spēks apturēs šo kustību. Tad ķermenis sāks griezties attālumā no centra O.

No novērotāja, kas ir savienots ar platformu, skatījumā, lodītes kustība attiecībā pret to notiek ar kādu spēku.Tas ir inerces spēks, jo to neizraisa citu noteiktu ķermeņu darbība uz bumbu; to sauc par centrbēdzes inerces spēku. Acīmredzot centrbēdzes inerces spēks ir vienāds pēc lieluma un pretējs virzienam izstieptas auklas elastības spēkam, kas spēlē centripetāla spēka lomu, kas iedarbojas uz ķermeni, kas rotē attiecībā pret inerciālo rāmi (sk. 13. §)

tāpēc centrbēdzes inerces spēks ir proporcionāls ķermeņa attālumam no rotācijas ass.

Uzsveram, ka centrbēdzes inerces spēku nedrīkst jaukt ar “parasto” centrbēdzes spēku, kas minēts 13.§ beigās. Tie ir dažāda rakstura spēki, kas tiek pielietoti dažādiem objektiem: ķermenim tiek pielikts centrbēdzes inerces spēks. un savienojumam tiek pielikts centrbēdzes spēks.

Noslēgumā atzīmējam, ka no gravitācijas un inerces spēku līdzvērtības principa viedokļa ir sniegts vienkāršs skaidrojums visu centrbēdzes mehānismu darbībai: sūkņiem, separatoriem utt. (sk. 13. §).

Jebkuru centrbēdzes mehānismu var uzskatīt par rotējošu neinerciālu sistēmu, kas izraisa radiālas konfigurācijas gravitācijas lauka parādīšanos, kas ierobežotā zonā ievērojami pārsniedz zemes gravitācijas lauku. Šajā laukā rotējošas vides blīvākas daļiņas vai ar to vāji piesaistītas daļiņas virzās uz tās perifēriju (it kā iet "uz leju").

Pirmais mehānikas likums jeb inerces likums ( inerce- šī ir ķermeņu īpašība saglabāt savu ātrumu, ja citi ķermeņi uz to nedarbojas ), kā to bieži sauc, izveidoja Galileo. Bet Ņūtons sniedza stingru šī likuma formulējumu un iekļāva to starp mehānikas pamatlikumiem. Inerces likums attiecas uz vienkāršāko kustības gadījumu - tāda ķermeņa kustību, kuru neietekmē citi ķermeņi. Šādus ķermeņus sauc par brīvajiem ķermeņiem.

Nav iespējams atbildēt uz jautājumu, kā brīvie ķermeņi pārvietojas, neatsaucoties uz pieredzi. Tomēr nav iespējams izveidot vienu eksperimentu, kas tīrā veidā parādītu, kā kustas ķermenis, kas ne ar ko nesadarbojas, jo tādu ķermeņu nav. Kā būt?

Ir tikai viena izeja. Ir jārada organismam apstākļi, kuros ārējās ietekmes ietekmi var padarīt arvien mazāku un novērot, pie kā tas noved. Ir iespējams, piemēram, novērot gluda akmens kustību uz horizontālas virsmas pēc tam, kad tam ir piešķirts noteikts ātrums. (Akmens pievilcību zemei ​​līdzsvaro tās virsmas darbība, uz kuras tas balstās, un tā ātrumu ietekmē tikai berze.) Tomēr ir viegli konstatēt, ka jo gludāka būs virsma, jo lēnāk samazināsies akmens ātrums. Uz gluda ledus akmens slīd ļoti ilgi, manāmi nemainot ātrumu. Berzi var samazināt līdz minimumam, izmantojot gaisa spilvenu – gaisa strūklas, kas atbalsta ķermeni virs cietas virsmas, pa kuru notiek kustība. Šo principu izmanto ūdens transportā (lidmašīnās). Pamatojoties uz šādiem novērojumiem, varam secināt, ja virsma būtu ideāli gluda, tad, ja nebūtu gaisa pretestības (vakuumā), akmens nemaz nemainītu savu ātrumu. Galileo pirmo reizi nonāca pie šāda secinājuma.

No otras puses, ir viegli redzēt, ka, mainoties ķermeņa ātrumam, vienmēr tiek konstatēta citu ķermeņu ietekme uz to. No tā var secināt, ka ķermenis pietiekami tālu no citiem ķermeņiem un šī iemesla dēļ, nesadarbojoties ar tiem, pārvietojas nemainīgā ātrumā.

Kustība ir relatīva, tāpēc ir jēga runāt tikai par ķermeņa kustību attiecībā pret atskaites sistēmu, kas saistīta ar citu ķermeni. Tūlīt rodas jautājums: vai brīvs ķermenis pārvietosies ar nemainīgu ātrumu attiecībā pret jebkuru citu ķermeni? Atbilde, protams, ir nē. Tātad, ja attiecībā pret Zemi brīvs ķermenis kustas taisni un vienmērīgi, tad attiecībā pret rotējošu karuseli ķermenis šādā veidā acīmredzot nekustēsies.

Ķermeņu kustību novērojumi un pārdomas par šo kustību būtību liek secināt, ka brīvie ķermeņi pārvietojas ar nemainīgu ātrumu, vismaz attiecībā uz noteiktiem ķermeņiem un ar tiem saistītajiem atskaites sistēmām. Piemēram, attiecībā pret Zemi. Tas ir galvenais inerces likuma saturs.

Tātad Pirmais Ņūtona likums var formulēt šādi:

ir tādi atskaites rāmji, attiecībā pret kuriem ķermenis (materiālais punkts), ja uz to nav ārējas ietekmes (vai ar to savstarpēju kompensāciju), saglabā miera stāvokli vai vienmērīgu taisnvirziena kustību.

Inerciālā atskaites sistēma

Pirmais Ņūtona likums apgalvo (to var pārbaudīt eksperimentāli ar dažādu precizitātes pakāpi), ka inerciālās sistēmas patiešām pastāv. Šis mehānikas likums nostāda inerciālās atskaites sistēmas īpašā, priviliģētā stāvoklī.

atsauces sistēmas, kurā ir izpildīts pirmais Ņūtona likums, sauc par inerciālo.

Inerciālās atskaites sistēmas- tās ir sistēmas, attiecībā uz kurām materiālais punkts, ja uz to nav ārējas ietekmes vai to savstarpējas kompensācijas, atrodas miera stāvoklī vai pārvietojas vienmērīgi un taisni.

Ir bezgalīgi daudz inerciālo sistēmu. Atskaites sistēma, kas saistīta ar vilcienu, kas pārvietojas ar nemainīgu ātrumu pa taisnu sliežu ceļa posmu, ir arī inerciāls rāmis (aptuveni), tāpat kā rāmis, kas saistīts ar Zemi. Visi inerciālie atskaites kadri veido kadru klasi, kas pārvietojas viens pret otru vienmērīgi un taisni. Jebkura ķermeņa paātrinājumi dažādos inerciālajos rāmjos ir vienādi.

Kā noteikt, ka dotā atskaites sistēma ir inerciāla? To var izdarīt tikai pieredze. Novērojumi liecina, ka ar ļoti augstu precizitātes pakāpi heliocentrisko rāmi var uzskatīt par inerciālu atskaites sistēmu, kurā koordinātu izcelsme ir saistīta ar Sauli, un asis ir vērstas uz noteiktām "fiksētām" zvaigznēm. Atskaites rāmji, kas stingri saistīti ar Zemes virsmu, stingri runājot, nav inerciāli, jo Zeme pārvietojas orbītā ap Sauli un tajā pašā laikā griežas ap savu asi. Taču, aprakstot kustības, kurām nav globāla (t.i., pasaules) mēroga, ar Zemi saistītās atskaites sistēmas var uzskatīt par inerciālām ar pietiekamu precizitāti.

Inerciālās atskaites sistēmas ir tās, kas pārvietojas vienmērīgi un taisni attiecībā pret jebkuru inerciālo atskaites sistēmu..

Galileo to noteica ja inerciālā atskaites sistēmā nav izveidoti mehāniski eksperimenti, nav iespējams noteikt, vai šis rāmis atrodas miera stāvoklī vai pārvietojas vienmērīgi un taisni. Šo paziņojumu sauc Galileja relativitātes princips vai mehāniskais relativitātes princips.

Šo principu vēlāk izstrādāja A. Einšteins, un tas ir viens no speciālās relativitātes teorijas postulātiem. Inerciālajiem atskaites sistēmām fizikā ir ārkārtīgi liela nozīme, jo saskaņā ar Einšteina relativitātes principu jebkura fizikas likuma matemātiskā izteiksme katrā inerciālajā atskaites sistēmā ir vienāda. Nākotnē izmantosim tikai inerciālas sistēmas (par to katru reizi neminot).

Tiek izsaukti atskaites rāmji, kuros Ņūtona pirmais likums nepastāv neinerciāls un.

Šādas sistēmas ietver jebkuru atskaites sistēmu, kas pārvietojas ar paātrinājumu attiecībā pret inerciālo atskaites sistēmu.

Ņūtona mehānikā ķermeņu mijiedarbības likumi ir formulēti inerciālo atskaites sistēmu klasei.

Piemērs mehāniskam eksperimentam, kurā izpaužas ar Zemi saistītas sistēmas neinercialitāte, ir Fuko svārsts. Tā sauc masīvu bumbiņu, kas piekārta uz pietiekami gara pavediena un rada nelielas svārstības ap līdzsvara stāvokli. Ja sistēma, kas savienota ar Zemi, būtu inerciāla, Fuko svārsta svārstību plakne attiecībā pret Zemi paliktu nemainīga. Faktiski svārsta šūpošanās plakne griežas, pateicoties Zemes rotācijai, un svārsta trajektorijas projekcija uz Zemes virsmas izskatās pēc rozetes (1. att.). Rīsi. 2

Literatūra

1. Open Physics 2.5 (http://college.ru/physics/)
2. Fizika: mehānika. 10. klase: Proc. fizikas padziļinātai apguvei / M.M. Balašovs, A.I. Gomonova, A.B. Doļickis un citi; Ed. G.Ya. Mjakiševs. – M.: Bustards, 2002. – 496 lpp.

Pirmais Ņūtona likums ir formulēts šādi: ķermenis, kas nav pakļauts ārējai ietekmei, atrodas miera stāvoklī vai kustas taisni un vienmērīgi. Tādu ķermeni sauc bezmaksas, un tā kustība - brīva kustība vai kustība pēc inerces. Ķermeņa īpašību uzturēt miera stāvokli vai vienmērīgu taisnvirziena kustību, ja citi ķermeņi to neietekmē, sauc. inerce. Tāpēc Ņūtona pirmo likumu sauc par inerces likumu. Brīvi ķermeņi, stingri ņemot, neeksistē. Tomēr ir dabiski pieņemt, ka jo tālāk daļiņa atrodas no citiem materiālajiem objektiem, jo ​​mazāka ir tās ietekme uz to. Iedomājoties, ka šīs ietekmes samazinās, mēs nonākam pie idejas par brīvu ķermeni un brīvām kustībām.

Nav iespējams eksperimentāli pārbaudīt pieņēmumu par brīvas daļiņas kustības raksturu, jo nav iespējams pilnīgi droši noteikt mijiedarbības neesamības faktu. Šo situāciju ir iespējams simulēt tikai ar noteiktu precizitātes pakāpi, izmantojot eksperimentālo faktu par attālu ķermeņu mijiedarbības samazināšanos. Vairāku eksperimentālu faktu vispārināšana, kā arī no likuma izrietošo seku sakritība ar eksperimentālajiem datiem pierāda tā pamatotību. Kustoties, ķermenis saglabā ātrumu, jo ilgāk, jo vājāk uz to iedarbojas citi ķermeņi; piemēram, akmens, kas slīd pa virsmu, kustas ilgāk, jo šī virsma ir gludāka, tas ir, jo mazāka ir šīs virsmas ietekme uz to.

Mehāniskā kustība ir relatīva, un tās raksturs ir atkarīgs no atskaites sistēmas. Kinemātikā atsauces sistēmas izvēle nebija būtiska. Dinamikā tas tā nav. Ja jebkurā atskaites sistēmā ķermenis kustas taisni un vienmērīgi, tad atskaites sistēmā, kas kustas attiecībā pret pirmo paātrināto, tas vairs nenotiks. No tā izriet, ka inerces likums nevar būt spēkā visās atskaites sistēmās. Klasiskā mehānika postulē, ka pastāv atskaites sistēma, kurā visi brīvie ķermeņi pārvietojas taisnā līnijā un vienmērīgi. Šādu atskaites sistēmu sauc par inerciālo atskaites sistēmu (ISR). Inerces likuma saturs būtībā ir samazināts līdz apgalvojumam, ka pastāv tādi atskaites rāmji, kuros ķermenis, kas nav pakļauts ārējai ietekmei, pārvietojas vienmērīgi un taisni vai atrodas miera stāvoklī.

Noteikt, kuras atskaites sistēmas ir inerciālas un kuras neinerces, ir iespējams tikai pēc pieredzes. Pieņemsim, piemēram, ka mēs runājam par zvaigžņu un citu astronomisku objektu kustību mūsu novērojumiem pieejamā Visuma daļā. Izvēlēsimies atskaites sistēmu, kurā Zeme uzskatāma par nekustīgu (šādu rāmi sauksim par zemes rāmi). Vai tas būs inerciāls?

Jūs varat izvēlēties zvaigzni kā brīvu ķermeni. Patiešām, katra zvaigzne, ņemot vērā tās milzīgo attālumu no citiem debess ķermeņiem, praktiski ir brīvs ķermenis. Tomēr zemes atskaites sistēmā zvaigznes katru dienu veic rotācijas debesīs un līdz ar to pārvietojas ar paātrinājumu, kas vērsts uz Zemes centru. Tādējādi brīvā ķermeņa (zvaigznes) kustība zemes atskaites sistēmā tiek veikta pa apli, nevis taisni. Tas nepakļaujas inerces likumam, tāpēc Zemes atskaites sistēma nebūs inerciāla.

Tāpēc, lai atrisinātu problēmu, ir jāpārbauda citas atskaites sistēmas inercei. Par atskaites ķermeni izvēlēsimies Sauli. Šādu atskaites sistēmu sauc par heliocentrisko atskaites sistēmu vai Kopernika sistēmu. Ar to saistītās koordinātu sistēmas koordinātu asis ir taisnes, kas vērstas uz trim attālām zvaigznēm, kas neatrodas vienā plaknē (2.1. att.).

Tādējādi, pētot kustības, kas notiek mūsu planētu sistēmas mērogā, kā arī jebkuras citas sistēmas, kuru izmēri ir mazi, salīdzinot ar attālumu līdz tām trim zvaigznēm, kuras Kopernika sistēmā ir izvēlētas par atskaiti, Kopernika sistēma ir praktiski inerciāla atskaites sistēma.

Piemērs

Zemes atskaites sistēmas neinercialitāte ir izskaidrojama ar to, ka Zeme griežas ap savu asi un ap Sauli, tas ir, tā pārvietojas ar paātrinātu ātrumu attiecībā pret Kopernika sistēmu. Tā kā abas šīs rotācijas notiek lēni, zemes sistēma uzvedas praktiski kā inerciāla sistēma attiecībā uz milzīgu parādību klāstu. Tāpēc dinamikas pamatlikumu noteikšana var sākties ar ķermeņu kustības izpēti attiecībā pret Zemi, abstrahējoties no tās rotācijas, tas ir, ņemot Zemi aptuveni ISO.

SPĒKS. ĶERMEŅA MASA

Kā liecina pieredze, jebkuras ķermeņa ātruma izmaiņas notiek citu ķermeņu ietekmē. Mehānikā kustības rakstura maiņas procesu citu ķermeņu ietekmē sauc par ķermeņu mijiedarbību. Lai noteiktu šīs mijiedarbības intensitāti, Ņūtons ieviesa spēka jēdzienu. Spēki var izraisīt ne tikai materiālo ķermeņu ātruma izmaiņas, bet arī to deformāciju. Tāpēc spēka jēdzienam var dot šādu definīciju: spēks ir kvantitatīvs vismaz divu ķermeņu mijiedarbības mērs, kas liek ķermenim paātrināties vai mainīt formu, vai abus.

Ķermeņa deformācijas piemērs spēka iedarbībā ir saspiesta vai izstiepta atspere. To ir viegli izmantot kā spēka etalonu: par spēka mērvienību tiek ņemts elastīgais spēks, kas darbojas atsperē, zināmā mērā izstiepts vai saspiests. Izmantojot šādu standartu, var salīdzināt spēkus un izpētīt to īpašības. Spēkiem ir šādas īpašības.

ü Spēks ir vektora lielums, un to raksturo virziens, modulis (skaitliskā vērtība) un pielietojuma punkts. Vienam ķermenim pieliktos spēkus saskaita saskaņā ar paralelograma likumu.

ü Spēks ir paātrinājuma cēlonis. Paātrinājuma vektora virziens ir paralēls spēka vektoram.

ü Spēkam ir materiāla izcelsme. Nav materiālo ķermeņu – nav spēku.

Spēka darbība nav atkarīga no tā, vai ķermenis atrodas miera stāvoklī vai kustas.

ü Vienlaicīgi iedarbojoties vairākiem spēkiem, ķermenis saņem tādu paātrinājumu, kādu tas saņemtu rezultējošā spēka iedarbībā.

Pēdējais apgalvojums ir spēku superpozīcijas principa saturs. Superpozīcijas princips ir balstīts uz ideju par spēku darbības neatkarību: katrs spēks piešķir apskatāmajam ķermenim vienādu paātrinājumu neatkarīgi no tā, vai tikai i spēku avots vai visi avoti vienlaikus. To var formulēt dažādi. Spēks, ar kādu viena daļiņa iedarbojas uz otru, ir atkarīgs tikai no šo divu daļiņu rādiusa vektoriem un ātrumiem. Citu daļiņu klātbūtne šo spēku neietekmē. Šo īpašumu sauc neatkarības likumu spēku darbība jeb pāru mijiedarbības likums. Šī likuma darbības joma aptver visu klasisko mehāniku.

No otras puses, lai atrisinātu daudzas problēmas, var būt nepieciešams atrast vairākus spēkus, kas ar savu kopīgu darbību varētu aizstāt vienu konkrēto spēku. Šo darbību sauc par dotā spēka sadalīšanu komponentos.

No pieredzes ir zināms, ka ar vienādām mijiedarbībām dažādi ķermeņi maina savu kustības ātrumu nevienmērīgi. Kustības ātruma izmaiņu raksturs ir atkarīgs ne tikai no spēka lieluma un darbības laika, bet arī no paša ķermeņa īpašībām. Kā liecina pieredze, konkrētam ķermenim katra spēka, kas uz to iedarbojas, attiecība pret šī spēka radīto paātrinājumu ir nemainīga vērtība. . Šī attiecība ir atkarīga no paātrinātā ķermeņa īpašībām un tiek saukta inerciālā masaķermenis. Tādējādi ķermeņa masu definē kā spēka, kas iedarbojas uz ķermeni, attiecību pret šī spēka paziņoto paātrinājumu. Jo lielāka masa, jo lielāks spēks vajadzīgs, lai ķermenim piešķirtu noteiktu paātrinājumu. Ķermenis it kā pretojas mēģinājumam mainīt ātrumu.

Ķermeņu īpašību, kas izpaužas spējā saglabāt savu stāvokli laikā (kustības ātrums, kustības virziens vai miera stāvoklis), sauc par inerci. Ķermeņa inerces mērs ir tā inerces masa.Ar tādu pašu ietekmi no apkārtējiem ķermeņiem viens ķermenis var ātri mainīt ātrumu, bet otrs tādos pašos apstākļos daudz lēnāk (2.2. att.). Ir pieņemts teikt, ka otrajam no šiem diviem ķermeņiem ir lielāka inerce vai, citiem vārdiem sakot, otrajam ķermenim ir lielāka masa. Starptautiskajā vienību sistēmā (SI) ķermeņa svaru mēra kilogramos (kg). Masas jēdzienu nevar reducēt uz vienkāršākiem jēdzieniem. Jo lielāka ir ķermeņa masa, jo mazāku paātrinājumu tas iegūs tāda paša spēka iedarbībā. Jo lielāks spēks, jo lielāks ir paātrinājums, un līdz ar to, jo lielāks ir gala ātrums, ķermenis pārvietosies.

Spēka mērvienība SI mērvienību sistēmā ir N (ņūtons). Viens N (ņūtons) ir skaitliski vienāds ar spēku, kas informē ķermeņa masu m = 1 Kilograms paātrinājums .

komentēt.

Attiecība ir spēkā tikai pie pietiekami maziem ātrumiem. Palielinoties ātrumam, šī attiecība mainās, palielinoties ātrumam.

ŅŪTONA OTRAIS LIKUMS

No pieredzes izriet, ka inerciālās atskaites sistēmās ķermeņa paātrinājums ir proporcionāls visu uz to iedarbojošo spēku vektora summai un apgriezti proporcionāls ķermeņa masai:

Otrais Ņūtona likums izsaka attiecības starp visu spēku rezultantu un tā izraisīto paātrinājumu:

Šeit ir redzamas materiālā punkta impulsa izmaiņas laika gaitā. Iestatīsim laika intervālu uz nulli:

tad saņemam

	Ekstrēmo izklaides veidu vidū īpašu vietu ieņem gumijlēkšana jeb gumijlēkšana. Pilsētā Jeffrey Bay ir lielākais no reģistrētajiem "bungee" - 221 m Tas ir pat iekļauts Ginesa rekordu grāmatā. Virves garums ir aprēķināts tā, lai cilvēks, kurš lec lejā, apstājas pašā ūdens malā vai vienkārši pieskaras tai. Lēcošo cilvēku notur deformētās virves elastīgais spēks. Parasti kabelis ir kopā austas gumijas šķipsnu komplekts. Tātad, krītot, trose atsperas, neļaujot džemperim atrauties kājām un pievienojot lēcienam papildu sajūtas. Pilnībā saskaņā ar otro Ņūtona likumu, džempera un virves mijiedarbības laika palielināšanās noved pie spēka, kas no virves iedarbojas uz cilvēku, vājināšanās.
	Lai, spēlējot volejbolu, saņemtu lielā ātrumā lidojošu bumbu, ir nepieciešams virzīt rokas bumbas virzienā. Tas palielina mijiedarbības laiku ar bumbu, un tāpēc, pilnībā saskaņā ar Ņūtona otro likumu, spēka, kas iedarbojas uz rokām, lielums samazinās.

Šajā formā Ņūtona otrais likums satur jaunu fizisko lielumu - impulsu. Ātrumā, kas ir tuvu gaismas ātrumam vakuumā, impulss kļūst par galveno eksperimentos izmērīto lielumu. Tāpēc vienādojums (2.2) ir relatīvistisko ātrumu kustības vienādojuma vispārinājums.

Kā redzams no (2.2) vienādojuma, ja , tad nemainīga vērtība, no tā izriet, ka tā ir nemainīga, tas ir, impulss un līdz ar to brīvi kustīga materiāla punkta ātrums ir nemainīgs. Tādējādi formāli Ņūtona pirmais likums ir otrā likuma sekas. Kāpēc tad tas tiek izcelts kā neatkarīgs likums? Fakts ir tāds, ka vienādojumam, kas izsaka Ņūtona otro likumu, ir jēga tikai tad, ja ir norādīts atskaites rāmis, kurā tas ir spēkā. Tas ir pirmais Ņūtona likums, kas ļauj mums izcelt šādu atskaites sistēmu. Viņš apgalvo, ka pastāv atskaites sistēma, kurā brīvs materiālais punkts pārvietojas bez paātrinājuma. Šādā atskaites sistēmā jebkura materiāla punkta kustība pakļaujas Ņūtona kustības vienādojumam. Tādējādi pēc būtības pirmo likumu nevar uzskatīt par vienkāršu otrā likuma loģisku konsekvenci. Saikne starp šiem likumiem ir dziļāka.

No (2.2) vienādojuma izriet, ka, tas ir, bezgalīgi nelielas impulsa izmaiņas bezgalīgi mazā laika periodā ir vienādas ar reizinājumu, ko sauc spēka impulss. Jo lielāks ir spēka impulss, jo lielākas ir impulsa izmaiņas.

SPĒKA VEIDI

Visa dabā pastāvošā mijiedarbības dažādība ir samazināta līdz četriem veidiem: gravitācijas, elektromagnētiskā, spēcīga un vāja. Spēcīga un vāja mijiedarbība ir nozīmīga tik mazos attālumos, ka Ņūtona mehānikas likumi vairs nav piemērojami. Visas makroskopiskās parādības apkārtējā pasaulē nosaka gravitācijas un elektromagnētiskā mijiedarbība. Tikai šāda veida mijiedarbībām spēka jēdzienu var izmantot Ņūtona mehānikas izpratnē. Gravitācijas spēki ir visnozīmīgākie lielu masu mijiedarbībā. Elektromagnētisko spēku izpausmes ir ārkārtīgi dažādas. Labi zināmie berzes spēki, elastības spēki ir elektromagnētiski. Tā kā Ņūtona otrais likums nosaka ķermeņa paātrinājumu neatkarīgi no paātrinājumu izraisošo spēku rakstura, tad turpmāk izmantosim tā saukto fenomenoloģisko pieeju: balstoties uz pieredzi, izveidosim šo spēku kvantitatīvos modeļus.

elastīgie spēki. Elastīgie spēki rodas ķermenī, kuru ietekmē citi ķermeņi vai lauki un ir saistīti ar ķermeņa deformāciju. Deformācijas ir īpašs kustību veids, proti, ķermeņa daļu kustība viena pret otru ārēja spēka ietekmē. Kad ķermenis tiek deformēts, mainās tā forma un apjoms. Cietām vielām izšķir divus ierobežojošus deformācijas gadījumus: elastīgo un plastisko. Deformāciju sauc par elastīgu, ja tā pilnībā izzūd pēc deformējošo spēku darbības pārtraukšanas. Ar plastiskām (neelastīgām) deformācijām ķermeņi daļēji saglabā savu mainīto formu pēc slodzes noņemšanas.

Ķermeņu elastīgās deformācijas ir dažādas. Ārēja spēka iedarbībā ķermeņi var izstiepties un sarauties, saliekties, sagriezties utt. Šo pārvietošanos neitralizē cietā ķermeņa daļiņu mijiedarbības spēki, kas notur šīs daļiņas noteiktā attālumā viena no otras. Tāpēc ar jebkāda veida elastīgām deformācijām ķermenī rodas iekšējie spēki, kas novērš tā deformāciju. Spēkus, kas rodas ķermenī tā elastīgās deformācijas laikā un ir vērsti pret deformācijas izraisīto ķermeņa daļiņu pārvietošanās virzienu, sauc par elastības spēkiem. Elastīgie spēki iedarbojas jebkurā deformētā ķermeņa daļā, kā arī tā saskares vietā ar ķermeni, izraisot deformāciju.

Pieredze rāda, ka nelielām elastīgām deformācijām deformācijas lielums ir proporcionāls to izraisošajam spēkam (2.3. att.). Šo paziņojumu sauc par likumu Āķis.

Roberts Huks, 1635-1702

angļu fiziķis. Dzimis Saldvaterā, Vaitas salā priestera ģimenē, absolvējis Oksfordas universitāti. Vēl mācoties universitātē, viņš strādāja par asistentu Roberta Boila laboratorijā, palīdzot pēdējam uzbūvēt vakuumsūkni iekārtai, kurā tika atklāts Boila-Mariotas likums. Būdams Īzaka Ņūtona laikabiedrs, viņš kopā ar viņu aktīvi piedalījās Karaliskās biedrības darbā un 1677. gadā ieņēma tur zinātniskā sekretāra amatu. Tāpat kā daudzi citi tā laika zinātnieki, Roberts Huks interesējās par visdažādākajām dabaszinātņu jomām un deva ieguldījumu daudzu no tām attīstībā. Monogrāfijā "Mikrogrāfija" viņš publicēja daudzas dzīvo audu mikroskopiskās struktūras skices un citus bioloģiskos paraugus un pirmo reizi ieviesa mūsdienu "dzīvās šūnas" jēdzienu. Ģeoloģijā viņš pirmais saprata ģeoloģisko slāņu nozīmi un pirmais vēsturē iesaistījās dabas katastrofu zinātniskajā izpētē. Viņš bija viens no pirmajiem, kurš izvirzīja hipotēzi, ka gravitācijas pievilkšanās spēks starp ķermeņiem samazinās proporcionāli attāluma starp tiem kvadrātā, un divi tautieši un laikabiedri Huks un Ņūtons līdz mūža beigām apstrīdēja viens otru. tiesības tikt sauktam par universālās gravitācijas likuma atklājēju. Hooke izstrādāja un personīgi uzbūvēja vairākus svarīgus zinātniskus un mērinstrumentus. Jo īpaši viņš bija pirmais, kurš ierosināja mikroskopa okulārā ievietot divu tievu pavedienu krustpunktu, viņš bija pirmais, kurš ierosināja ūdens sasalšanas punktu ņemt par nulli temperatūras skalā, un viņš arī izgudroja kardānu ( kardāna locītava).

Huka likuma vienpusējas spriedzes (saspiešanas) deformācijas matemātiskā izteiksme ir:

kur ir elastības spēks; - ķermeņa garuma maiņa (deformācija); - proporcionalitātes koeficients atkarībā no korpusa izmēra un materiāla, ko sauc par stīvumu. Stinguma SI mērvienība ir ņūtons uz metru (N/m). Vienpusējas spriedzes vai saspiešanas gadījumā elastīgais spēks tiek virzīts pa taisni, pa kuru darbojas ārējais spēks, izraisot ķermeņa deformāciju, pretēji šī spēka virzienam un perpendikulāri ķermeņa virsmai. Elastīgais spēks vienmēr ir vērsts uz līdzsvara stāvokli. Elastīgo spēku, kas iedarbojas uz ķermeni no balsta vai balstiekārtas sāniem, sauc par balsta reakcijas spēku vai balstiekārtas stiepes spēku.

plkst. Šajā gadījumā . Līdz ar to Janga modulis ir skaitliski vienāds ar tādu normālu spriegumu, kuram vajadzēja rasties ķermenī, kad tā garums ir dubultots (ja Huka likums būtu izpildīts tik lielai deformācijai). No (2.3) var arī redzēt, ka SI vienībās Janga modulis tiek mērīts paskalos (). Dažādiem materiāliem Younga modulis ir ļoti atšķirīgs. Piemēram, tēraudam un gumijai, aptuveni, tas ir, par piecām kārtām mazāk.

Protams, Huka likums pat Junga uzlabotajā formā neapraksta visu, kas notiek ar cietvielu ārējo spēku ietekmē. Iedomājieties gumijas joslu. Ja jūs to pārāk neizstiepsiet, gumijas joslas sānos radīsies atjaunojošs elastīgā spriedzes spēks, un, tiklīdz to atlaidīsit, tā uzreiz savāks un atgriezīsies iepriekšējā formā. Ja stiepsi gumiju tālāk, tad agri vai vēlu tā zaudēs savu elastību, un jutīsi, ka pretestības spēks stiepšanai ir samazinājies. Tātad, jūs esat pārkāpis tā saukto materiāla elastības robežu. Ja velciet gumiju tālāk, pēc kāda laika tā salūzīs pavisam, un pretestība pilnībā izzudīs. Tas nozīmē, ka tā saucamais lūzuma punkts ir pārvarēts. Citiem vārdiem sakot, Huka likums ir spēkā tikai salīdzinoši nelielām kompresijām vai spriegumiem.

Jūsu uzmanībai piedāvājam video nodarbību, kas veltīta tēmai “Inerciālie atskaites rāmji. Pirmais Ņūtona likums, kas iekļauts skolas fizikas kursā 9. klasei. Stundas sākumā skolotājs atgādinās par izvēlētās atskaites sistēmas nozīmi. Un tad viņš runās par izvēlētās atskaites sistēmas pareizību un iezīmēm, kā arī izskaidros terminu "inerce".

Iepriekšējā nodarbībā mēs runājām par to, cik svarīgi ir izvēlēties atskaites sistēmu. Atcerieties, ka trajektorija, nobrauktais attālums un ātrums būs atkarīgi no tā, kā mēs izvēlēsimies CO. Ir vairākas citas funkcijas, kas saistītas ar atsauces sistēmas izvēli, un mēs par tām runāsim.

Rīsi. 1. Slodzes krišanas trajektorijas atkarība no atskaites sistēmas izvēles

Septītajā klasē jūs mācījāties jēdzienus "inerce" un "inerce".

Inerce -Šo parādība, kurā ķermenim ir tendence saglabāt sākotnējo stāvokli. Ja ķermenis kustējās, tam jācenšas saglabāt šīs kustības ātrumu. Un, ja tas ir miera stāvoklī, tas centīsies saglabāt savu miera stāvokli.

inerce -Šo īpašumsķermenim, lai saglabātu kustības stāvokli. Inerces īpašību raksturo tāds lielums kā masa. Svars – ķermeņa inerces mērs. Jo smagāks ķermenis, jo grūtāk ir kustēties vai, gluži otrādi, apstāties.

Lūdzu, ņemiet vērā, ka šie jēdzieni ir tieši saistīti ar jēdzienu " inerciālais atskaites rāmis» (ISO), kas tiks apspriests tālāk.

Apsveriet ķermeņa kustību (vai miera stāvokli), ja uz ķermeni neiedarbojas citi ķermeņi. Secinājumu par to, kā ķermenis uzvedīsies citu ķermeņu darbības neesamības gadījumā, pirmais ierosināja Renē Dekarts (2. att.) un turpināja Galileja eksperimentos (3. att.).

Rīsi. 2. Renē Dekarts

Rīsi. 3. Galileo Galilejs

Ja ķermenis kustas un uz to neiedarbojas citi ķermeņi, tad kustība tiks saglabāta, tā paliks taisna un viendabīga. Ja citi ķermeņi neiedarbojas uz ķermeni un ķermenis atrodas miera stāvoklī, tad miera stāvoklis tiks saglabāts. Bet ir zināms, ka miera stāvoklis ir saistīts ar atskaites sistēmu: vienā FR ķermenis atrodas miera stāvoklī, bet citā tas pārvietojas diezgan veiksmīgi un ātri. Eksperimentu un argumentācijas rezultāti liek secināt, ka ne visos atskaites rāmjos ķermenis pārvietosies taisni un vienmērīgi vai būs miera stāvoklī, ja uz to neiedarbojas citi ķermeņi.

Līdz ar to, lai atrisinātu galveno mehānikas problēmu, ir svarīgi izvēlēties tādu atskaites sistēmu, kurā tomēr ir izpildīts inerces likums, kurā ir skaidrs iemesls, kas izraisīja ķermeņa kustības izmaiņas. Ja ķermenis pārvietojas taisnā līnijā un vienmērīgi bez citu ķermeņu darbības, šāds atskaites rāmis mums būs vēlams, un tas tiks saukts inerciālā atskaites sistēma(ISO).

Aristoteļa viedoklis par kustības cēloni

Inerciālā atskaites sistēma ir ērts modelis, lai aprakstītu ķermeņa kustību un iemeslus, kas izraisa šādu kustību. Pirmo reizi šī koncepcija parādījās, pateicoties Īzakam Ņūtonam (5. att.).

Rīsi. 5. Īzaks Ņūtons (1643-1727)

Senie grieķi iedomājās kustību pavisam savādāk. Iepazīsimies ar aristoteļa skatījumu uz kustību (6. att.).

Rīsi. 6. Aristotelis

Pēc Aristoteļa domām, pastāv tikai viena inerciālā atskaites sistēma – atskaites sistēma, kas saistīta ar Zemi. Visas pārējās atskaites sistēmas, pēc Aristoteļa domām, ir sekundāras. Attiecīgi visas kustības var iedalīt divos veidos: 1) dabiskās, tas ir, tajās, par kurām ziņo Zeme; 2) piespiedu, tas ir, viss pārējais.

Vienkāršākais dabiskās kustības piemērs ir ķermeņa brīvais kritiens uz Zemi, jo Zeme šajā gadījumā piešķir ķermenim ātrumu.

Apsveriet piespiedu kustības piemēru. Tā ir situācija, kad zirgs velk ratus. Kamēr zirgs pieliek spēku, rati kustas (7. att.). Tiklīdz zirgs apstājās, apstājās arī rati. Nav jaudas, nav ātruma. Pēc Aristoteļa domām, spēks ir tas, kas izskaidro ātruma klātbūtni ķermenī.

Rīsi. 7. Piespiedu kustība

Līdz šim daži parastie cilvēki uzskata Aristoteļa viedokli par godīgu. Piemēram, pulkvedis Frīdrihs Krauss fon Zillerguts no “Labā karavīra Šveika piedzīvojumiem pasaules kara laikā” mēģināja ilustrēt principu “Nav jaudas – nav ātruma”: “Kad iznāca viss benzīns,” sacīja pulkvedis, “mašīna bija spiests apstāties. Tas ir tas, ko es redzēju vakar. Un pēc tam viņi joprojām runā par inerci, kungi. Neiet, stāv, nepārvietojas no vietas. Bez benzīna! Nu vai nav smieklīgi?

Tāpat kā mūsdienu šovbiznesā, kur ir fani, vienmēr būs kritiķi. Aristotelim bija arī savi kritiķi. Viņi ieteica viņam veikt šādu eksperimentu: atlaidiet ķermeni, un tas nokritīs tieši zem tās vietas, kur mēs to atlaidām. Sniegsim piemēru Aristoteļa teorijas kritikai, līdzīgi kā viņa laikabiedru piemēri. Iedomājieties, ka lidojoša lidmašīna izmet bumbu (8. att.). Vai bumba nokritīs tieši zem tās vietas, kur mēs to izlaidām?

Rīsi. 8. Piemēram, ilustrācija

Protams, nē. Bet galu galā tā ir dabiska kustība – kustība, par kuru ziņoja Zeme. Kas tad liek šai bumbai virzīties arvien tālāk un tālāk? Aristotelis atbildēja šādi: fakts ir tāds, ka dabiskā kustība, par kuru Zeme ziņo, ir kritiens taisnā lejā. Bet, pārvietojoties gaisā, bumbu aiznes tās turbulences, un šīs turbulences it kā stumj bumbu uz priekšu.

Kas notiks, ja gaiss tiks noņemts un tiks izveidots vakuums? Galu galā, ja nav gaisa, tad, pēc Aristoteļa, bumbai vajadzētu stingri nokrist zem vietas, kur tā tika izmesta. Aristotelis apgalvoja, ka, ja nav gaisa, tad šāda situācija ir iespējama, bet patiesībā dabā nav tukšuma, nav vakuuma. Un, ja nav vakuuma, nav nekādu problēmu.

Un tikai Galileo Galilejs formulēja inerces principu tādā formā, pie kuras mēs esam pieraduši. Ātruma izmaiņu iemesls ir citu ķermeņu ietekme uz ķermeni. Ja citi ķermeņi uz ķermeni neiedarbojas vai šī darbība tiek kompensēta, tad ķermeņa ātrums nemainīsies.

Par inerciālo atskaites sistēmu varam izteikt šādus argumentus. Iedomājieties situāciju, kad automašīna brauc, tad vadītājs izslēdz dzinēju, un tad automašīna pārvietojas pēc inerces (9. att.). Bet tas ir nepareizs apgalvojums tā vienkāršā iemesla dēļ, ka laika gaitā automašīna apstāsies berzes spēka rezultātā. Tāpēc šajā gadījumā nebūs vienotas kustības - viena no nosacījumiem nav.

Rīsi. 9. Automašīnas ātrums mainās berzes spēka ietekmē

Apsveriet citu gadījumu: liels, liels traktors pārvietojas ar nemainīgu ātrumu, savukārt priekšā tas ar kausu velk lielu kravu. Šādu kustību var uzskatīt par taisnu un vienmērīgu, jo šajā gadījumā visi spēki, kas iedarbojas uz ķermeni, tiek kompensēti un līdzsvaro viens otru (10. att.). Tādējādi ar šo ķermeni saistīto atskaites sistēmu mēs varam uzskatīt par inerciālu.

Rīsi. 10. Traktors pārvietojas vienmērīgi un taisnā līnijā. Tiek kompensēta visu ķermeņu darbība

Var būt daudz inerciālu atskaites sistēmu. Taču patiesībā šāda atskaites sistēma joprojām ir idealizēta, jo, rūpīgāk izpētot, šādas atskaites sistēmas pilnā nozīmē nav. ISO ir sava veida idealizācija, kas ļauj efektīvi simulēt reālus fiziskos procesus.

Inerciālām atskaites sistēmām ir derīga Galileo formula ātrumu pievienošanai. Ņemiet vērā arī to, ka visas atskaites sistēmas, par kurām mēs runājām iepriekš, zināmā mērā var uzskatīt par inerciālām.

Īzaks Ņūtons bija pirmais, kurš formulēja ISO veltīto likumu. Ņūtona nopelns slēpjas apstāklī, ka viņš pirmais zinātniski pierādīja, ka kustīga ķermeņa ātrums nemainās uzreiz, bet gan kādas darbības rezultātā laika gaitā. Šis fakts veidoja pamatu likuma radīšanai, ko mēs saucam par Ņūtona pirmo likumu.

Pirmais Ņūtona likums : pastāv atskaites sistēmas, kurās ķermenis kustas pa taisnu līniju un vienmērīgi vai atrodas miera stāvoklī, ja uz ķermeni neiedarbojas nekādi spēki vai tiek kompensēti visi spēki, kas iedarbojas uz ķermeni. Šādas atskaites sistēmas sauc par inerciālām.

Citā veidā viņi dažreiz saka: inerciālā atskaites sistēma ir sistēma, kurā tiek izpildīti Ņūtona likumi.

Kāpēc Zeme ir neinerciāls CO. Fuko svārsts

Daudzās problēmās ir jāņem vērā ķermeņa kustība attiecībā pret Zemi, savukārt Zemi mēs uzskatām par inerciālu atskaites sistēmu. Izrādās, ka šis apgalvojums ne vienmēr ir patiess. Ja ņemam vērā Zemes kustību attiecībā pret tās asi vai attiecībā pret zvaigznēm, tad šī kustība notiek ar zināmu paātrinājumu. SO, kas pārvietojas ar noteiktu paātrinājumu, nevar uzskatīt par inerci pilnā nozīmē.

Zeme griežas ap savu asi, kas nozīmē, ka visi punkti, kas atrodas uz tās virsmas, nepārtraukti maina sava ātruma virzienu. Ātrums ir vektora lielums. Ja tā virziens mainās, tad parādās kāds paātrinājums. Tāpēc Zeme nevar būt pareizs ISO. Ja mēs aprēķinām šo paātrinājumu punktiem, kas atrodas uz ekvatora (punktiem, kuriem ir maksimālais paātrinājums attiecībā pret punktiem, kas atrodas tuvāk poliem), tad tā vērtība būs . Indekss parāda, ka paātrinājums ir centripetāls. Salīdzinot ar gravitācijas radīto paātrinājumu, paātrinājumu var neņemt vērā un Zemi var uzskatīt par inerciālu atskaites sistēmu.

Tomēr, veicot ilgtermiņa novērojumus, nevajadzētu aizmirst par Zemes rotāciju. To pārliecinoši parādīja franču zinātnieks Žans Bernārs Leons Fuko (11. att.).

Rīsi. 11. Žans Bernārs Leons Fuko (1819-1868)

Fuko svārsts(12. att.) - tas ir milzīgs svars, kas piekārts uz ļoti gara pavediena.

Rīsi. 12. Fuko svārsta modelis

Ja Fuko svārsts tiek izņemts no līdzsvara, tad tas apraksta nākamo trajektoriju, kas nav taisne (13. att.). Svārsta pārvietošanās ir saistīta ar Zemes rotāciju.

Rīsi. 13. Fuko svārsta svārstības. Skats no augšas.

Zemes rotācija ir saistīta ar vairākiem interesantiem faktiem. Piemēram, ziemeļu puslodes upēs labais krasts parasti ir stāvāks, bet kreisais - maigāks. Dienvidu puslodes upēs - gluži pretēji. Tas viss ir saistīts tieši ar Zemes rotāciju un no tās izrietošo Koriolisa spēku.

Par jautājumu par Ņūtona pirmā likuma formulēšanu

Pirmais Ņūtona likums: ja uz ķermeni neiedarbojas neviens ķermenis vai to darbība ir savstarpēji līdzsvarota (kompensēta), tad šis ķermenis atradīsies miera stāvoklī vai kustēsies vienmērīgi un taisni.

Apskatīsim situāciju, kas mums norādīs, ka šāds Ņūtona pirmā likuma formulējums ir jālabo. Iedomājieties vilcienu ar aizkariem logiem. Šādā vilcienā pasažieris pēc ārpusē esošajiem objektiem nevar noteikt, vai vilciens kustas vai ne. Apskatīsim divus atskaites punktus: FR, kas saistīts ar pasažieri Volodju, un FR, kas saistīts ar novērotāju uz platformas Katja. Vilciens sāk paātrināties, tā ātrums palielinās. Kas notiks ar ābolu uz galda? Tas ripos pretējā virzienā. Katjai būs acīmredzams, ka ābols kustas pēc inerces, bet Volodjai tas būs nesaprotami. Viņš neredz, ka vilciens ir sācis kustību, un pēkšņi uz galda sāk ripot uz tā guļošs ābols. Kā tas var būt? Galu galā, saskaņā ar Ņūtona pirmo likumu, ābolam jāpaliek miera stāvoklī. Tāpēc ir nepieciešams pilnveidot Ņūtona pirmā likuma definīciju.

Rīsi. 14. Ilustrācijas piemērs

Pareizs Ņūtona pirmā likuma formulējums izklausās šādi: ir atskaites sistēmas, kurās ķermenis kustas pa taisnu līniju un vienmērīgi vai atrodas miera stāvoklī, ja uz ķermeni neiedarbojas nekādi spēki vai tiek kompensēti visi spēki, kas iedarbojas uz ķermeni.

Volodja atrodas neinerciālā atskaites sistēmā, un Katja atrodas inerciālā atskaites sistēmā.

Lielākā daļa sistēmu, reālas atskaites sistēmas - neinerciālas. Apsveriet vienkāršu piemēru: sēžot vilcienā, jūs noliekat uz galda kādu ķermeni (piemēram, ābolu). Kad vilciens sāks kustēties, mēs vērosim tādu kuriozu ainu: ābols kustēsies, ripos virzienā, kas ir pretējs vilciena kustībai (15. att.). Šajā gadījumā mēs nevarēsim noteikt, kādi ķermeņi darbojas, liek ābolam kustēties. Šajā gadījumā sistēma tiek uzskatīta par neinerciālu. Bet jūs varat izkļūt no situācijas, ieejot inerces spēks.

Rīsi. 15. Neinerciālas CO piemērs

Cits piemērs: ķermenim pārvietojoties pa ceļa noapaļošanu (16. att.), rodas spēks, kas liek ķermenim novirzīties no taisnvirziena kustības virziena. Šajā gadījumā mums arī jāņem vērā neinerciāla atskaites sistēma, bet, tāpat kā iepriekšējā gadījumā, mēs varam arī izkļūt no situācijas, ieviešot t.s. inerces spēki.

Rīsi. 16. Inerces spēki, pārvietojoties pa noapaļotu ceļu

Secinājums

Atsauces sistēmu ir bezgalīgi daudz, taču lielākā daļa no tām ir tādas, kuras mēs nevaram uzskatīt par inerciālām atskaites sistēmām. Inerciālā atskaites sistēma ir idealizēts modelis. Starp citu, mēs varam pieņemt šādu atskaites sistēmu kā atskaites sistēmu, kas saistīta ar Zemi vai dažiem attāliem objektiem (piemēram, ar zvaigznēm).

Bibliogrāfija

1. Kikoins I.K., Kikoins A.K. Fizika: Mācību grāmata vidusskolas 9. klasei. - M.: Apgaismība.
2. Peryshkin A.V., Gutnik E.M. Fizika. 9. klase: vispārējās izglītības mācību grāmata. institūcijas / A. V. Peryshkin, E. M. Gutnik. - 14. izd., stereotips. - M.: Bustards, 2009. - 300.
3. Sokolovičs Ju.A., Bogdanova G.S. Fizika: rokasgrāmata ar problēmu risināšanas piemēriem. - 2. izdevums, pārdale. - X .: Vesta: Izdevniecība "Ranok", 2005. - 464 lpp.

1. Interneta portāls "physics.ru" ()
2. Interneta portāls "ens.tpu.ru" ()
3. Interneta portāls "prosto-o-slognom.ru" ()

Mājasdarbs

1. Formulējiet inerciālo un neinerciālo atskaites sistēmu definīcijas. Sniedziet šādu sistēmu piemērus.
2. Štata Ņūtona pirmais likums.
3. ISO ķermenis atrodas miera stāvoklī. Nosakiet, kāda ir tā ātruma vērtība IFR, kas pārvietojas attiecībā pret pirmo atskaites sistēmu ar ātrumu v?

Ekvivalents ir šāds formulējums, kas ir ērts lietošanai teorētiskajā mehānikā: "Tiek izsaukts inerciāls atskaites rāmis, attiecībā pret kuru telpa ir viendabīga un izotropiska, un laiks ir viendabīgs". Ņūtona likumi, kā arī visas pārējās dinamikas aksiomas klasiskajā mehānikā ir formulētas saistībā ar inerciālajām atskaites sistēmām.

Termins "inerciālā sistēma" (vācu inerciālā sistēma) tika ierosināts 1885. gadā Ludvigs Lange?! un nozīmēja koordinātu sistēmu, kurā ir spēkā Ņūtona likumi. Pēc Langes domām, šim terminam bija jāaizstāj absolūtās telpas jēdziens, kas šajā periodā tika pakļauts postošai kritikai. Līdz ar relativitātes teorijas parādīšanos jēdziens tika vispārināts uz "inerciālo atskaites sistēmu".

Enciklopēdisks YouTube

1 / 3

✪ Inerciālās atskaites sistēmas. Ņūtona pirmais likums | Fizika 9. klase #10 | info nodarbība

✪ Kas ir inerciālās atskaites sistēmas Ņūtona pirmais likums

✪ Inerciālās un neinerciālās atskaites sistēmas (1)

Subtitri

Inerciālo atskaites sistēmu īpašības

Jebkura atskaites sistēma, kas pārvietojas vienmērīgi, taisni un bez rotācijas attiecībā pret IFR, arī ir IFR. Saskaņā ar relativitātes principu visi IFR ir vienādi, un visi fizikas likumi ir nemainīgi attiecībā uz pāreju no viena IFR uz otru. Tas nozīmē, ka fizikas likumu izpausmes tajos izskatās vienādi, un šo likumu ierakstiem ir vienāda forma dažādos ISO.

Pieņēmums par vismaz viena IFR esamību izotropā telpā liek secināt, ka pastāv bezgalīga šādu sistēmu kopa, kas pārvietojas viena pret otru vienmērīgi, taisni un translācijas ar visiem iespējamiem ātrumiem. Ja IFR pastāv, tad telpa būs viendabīga un izotropa, un laiks būs viendabīgs; saskaņā ar Noetera teorēmu telpas viendabīgums attiecībā pret nobīdēm dos impulsa nezūdamības likumu, izotropija novedīs pie impulsa saglabāšanās, un laika viendabīgums saglabās kustīga ķermeņa enerģiju.

Ja reālo ķermeņu realizētie IFR relatīvās kustības ātrumi var iegūt jebkādas vērtības, savienojumu starp jebkura "notikuma" koordinātām un laika momentiem dažādos IFR veic Galilejas transformācijas.

Savienojums ar reālām atskaites sistēmām

Absolūti inerciālas sistēmas ir matemātiska abstrakcija un dabā nepastāv. Tomēr ir atskaites sistēmas, kurās, piemēram, ķermeņu relatīvais paātrinājums, kas atrodas pietiekami tālu viens no otra (mērot pēc Doplera efekta), nepārsniedz 10–10 m/s².