Cadrele de referință inerțiale mai întâi. Ce sisteme de referință se numesc inerțiale? Exemple de cadru de referință inerțial

Prima lege a lui Newton postulează prezența unui astfel de fenomen precum inerția corpurilor. Prin urmare, este cunoscută și sub numele de Legea inerției. Inerţie - acesta este fenomenul menținerii corpului a vitezei de mișcare (atât ca mărime, cât și pe direcție), când asupra corpului nu acționează nicio forță. Pentru a schimba viteza de mișcare, este necesar să acționați asupra corpului cu o oarecare forță. Desigur, rezultatul acțiunii forțelor de aceeași mărime asupra unor corpuri diferite va fi diferit. Astfel se spune că corpurile au inerție. Inerția este proprietatea corpurilor de a rezista la schimbarea stării lor curente. Valoarea inerției este caracterizată de masa corporală.

Cadrul de referință inerțial

Prima lege a lui Newton afirmă (care poate fi verificată experimental cu diferite grade de precizie) că sistemele inerțiale există de fapt. Această lege a mecanicii plasează cadrele de referință inerțiale într-o poziție specială, privilegiată.

Cadrele de referință în care este îndeplinită prima lege a lui Newton se numesc inerțiale.

Sisteme inerțiale referinţă- sunt sisteme față de care un punct material, în absența influențelor externe asupra lui sau a compensării lor reciproce, se află în repaus sau se mișcă uniform și rectiliniu.

Există un număr infinit de sisteme inerțiale. Cadrul de referință asociat cu un tren care se mișcă cu o viteză constantă de-a lungul unei secțiuni drepte de cale este, de asemenea, un cadru inerțial (aproximativ), ca și cadrul asociat Pământului. Toate cadrele de referință inerțiale formează o clasă de cadre care se mișcă unul față de celălalt uniform și rectiliniu. Accelerațiile oricărui corp în diferite cadre inerțiale sunt aceleași.

Cum să setați ce acest sistem referința este inerțială? Acest lucru se poate face doar prin experiență. Observațiile arată că, cu un grad foarte mare de precizie, cadrul heliocentric poate fi considerat ca un cadru inerțial de referință, în care originea coordonatelor este asociată cu Soarele, iar axele sunt direcționate către anumite stele „fixe”. Cadrele de referință legate rigid de suprafața Pământului, strict vorbind, nu sunt inerțiale, deoarece Pământul se mișcă pe orbită în jurul Soarelui și, în același timp, se rotește în jurul propriei axe. Cu toate acestea, atunci când descriem mișcări care nu au o scară globală (adică la nivel mondial), sistemele de referință asociate cu Pământul pot fi considerate inerțiale cu suficientă precizie.

Cadrele de referință sunt, de asemenea, inerțiale dacă se mișcă uniform și rectiliniu în raport cu orice cadru de referință inerțial.

Galileo a stabilit că este imposibil să se determine dacă acest sistem este în repaus sau se mișcă uniform și rectiliniu prin orice experimente mecanice stabilite în interiorul unui cadru de referință inerțial. Această afirmație se numește principiul relativității lui Galileo sau principiul mecanic al relativității.

Acest principiu a fost dezvoltat ulterior de A. Einstein și este unul dintre postulatele teoriei speciale a relativității. Cadrele de referință inerțiale joacă un rol extrem de important în fizică, deoarece, conform principiului relativității lui Einstein, expresia matematică a oricărei legi a fizicii are aceeași formă în fiecare cadru de referință inerțial. Pe viitor, vom folosi doar sisteme inerțiale (fără să menționăm acest lucru de fiecare dată).

Cadrele de referință în care prima lege a lui Newton nu este îndeplinită se numesc neinerțiale.

Astfel de sisteme includ orice cadru de referință care se deplasează cu accelerație în raport cu cadrul de referință inerțial.

În mecanica newtoniană, legile interacțiunii corpurilor sunt formulate pentru clasa cadrelor de referință inerțiale.

Un exemplu de experiment mecanic în care se manifestă non-inerțialitatea unui sistem conectat cu Pământul este comportamentul pendulului Foucault. Acesta este numele unei bile masive suspendate pe un fir suficient de lung și care face mici oscilații în jurul poziției de echilibru. Dacă sistemul conectat cu Pământul ar fi inerțial, planul de oscilație al pendulului Foucault ar rămâne neschimbat în raport cu Pământul. De fapt, planul de balansare al pendulului se rotește din cauza rotației Pământului, iar proiecția traiectoriei pendulului pe suprafața Pământului arată ca o rozetă (Fig. 1).

Faptul că organismul tinde să nu mențină nicio mișcare, și anume rectilinie, este evidențiat, de exemplu, de următorul experiment (Fig. 2). O minge care se deplasează rectiliniu de-a lungul unei suprafețe orizontale plane, ciocnind cu un obstacol de formă curbilinie, este forțată să se miște în arc sub acțiunea acestui obstacol. Cu toate acestea, când mingea ajunge la marginea obstacolului, se oprește din mișcare într-o direcție curbilinie și începe din nou să se miște în linie dreaptă. Rezumând rezultatele observațiilor de mai sus (și similare), putem concluziona că, dacă un corp dat nu este afectat de alte corpuri sau acțiunile acestora sunt compensate reciproc, acest corp este în repaus sau viteza lui rămâne neschimbată în raport cu cadrul de referință fix. legat de suprafața Pământului.

Întrebarea #6:

Se poate teme că majoritatea cititorilor s-au plictisit deja de raționamentul teoretic și vor cere să dea exemplu concret sistem inerțial în natură. Să încercăm să le îndeplinim dorința pe cât posibil. Să luăm în considerare un exemplu specific: este LTT un sistem inerțial al Pământului? Fiecare elev va spune la aceasta: „Toate exemplele pe care profesorul de fizică le dă în lecție, explicând legile lui Newton, se referă la mișcarea corpurilor pe Pământ. Înțeleg acest lucru în așa fel încât mișcările tuturor corpurilor de pe Pământ au loc conform legilor lui Newton. Prin urmare, Pământul este un sistem inerțial.”

Cu toate acestea, această concluzie nu este exactă. Pentru a vedea acest lucru, să ne mutăm mental la Panteonul din Paris, unde în 1851 Leon Foucault, membru al Academiei Franceze de Științe, și-a demonstrat faimoasa experiență.

De cupola Panteonului este suspendat un cablu de 67 de metri, de care este atașată o greutate de cupru de 28 de metri. kg. Acest pendul gigantic este setat să se balanseze. După mai multe oscilații, se dezvăluie un fenomen uimitor: planul în care balansează pendulul începe să se rotească încet. De ce? Foucault a explicat rezultatul experimentului prin rotația Pământului în jurul axei sale. Pământul se rotește, dar planul de balansare al pendulului nu se schimbă - acest lucru duce la rotirea planului de oscilație al pendulului față de suprafața pământului. Suntem pe deplin de acord cu această explicație, doar că o vom exprima puțin diferit: Pământul nu este un sistem inerțial. Planul de oscilație al pendulului se rotește în raport cu Pământul, dar este imposibil de găsit vreun corp care ar fi sursa forței care provoacă această rotație. În acest caz, accelerația (rotația se referă la mișcări accelerate) are loc fără influența unei forțe reale. În sistemele inerțiale, unde legile lui Newton sunt valabile, astfel de fenomene sunt imposibile.

Pământul poate fi considerat un sistem inerțial doar aproximativ; cu alte cuvinte, putem considera Pământul ca un sistem inerțial doar pentru a descrie astfel de procese, asupra cărora rotația sa nu are practic niciun efect sesizabil. Marea majoritate a fenomenelor care ne înconjoară prin natura lor sunt tocmai așa. Prin urmare, în viața practică, putem aplica în siguranță legile lui Newton mișcărilor de pe Pământ.

Faptul că Pământul nu este un sistem inerțial este confirmat de alte fenomene. În 1802, a fost efectuat un experiment la Hamburg, în care, de la o înălțime de 76 m un corp greu a căzut la pământ. S-a dovedit că corpul nu a căzut exact în direcția forței gravitaționale care acționează asupra lui, ci a deviat aproape 1 cm spre est. Acest lucru poate fi explicat doar prin faptul că Pământul este un sistem non-inerțial.

În 1857, academicianul rus Karl Baer a stabilit binecunoscuta lege a eroziunii malurilor râurilor: pentru râurile care curg de-a lungul meridianului din emisfera nordică, malul drept este înalt, iar malul stâng este jos, în emisfera sudică, pe dimpotrivă, malul stâng este înalt, iar malul drept este scăzut. Acest model este deosebit de pronunțat în râurile mari. Nilul, Ob, Irtiș, Lena, Volga, Dunărea, Nipru, Don etc. au un mal drept înalt. Malul stâng este mai înalt decât malul drept în apropierea unor râuri din emisfera sudică precum Parana și Paraguay. Acest lucru poate fi explicat doar prin faptul că apele râurilor care curg de-a lungul meridianelor din emisfera nordică se deplasează la dreapta (în emisfera sudică, respectiv, la stânga), spălând malul drept și malul stâng, format din nisip spălat, devine înclinat.

De ce ar trebui să devieze în lateral râurile care curg de-a lungul meridianului? Din același motiv pentru care planul pendulului se rotește și un corp în cădere liberă se abate. Geograful va răspunde că toate aceste fenomene se datorează rotației Pământului în jurul axei sale. Fizicianul va explica că aceasta exprimă non-inerțialitatea Pământului ca corp de referință. Pământul se rotește în raport cu sistemele inerțiale.

Găsirea unui cadru inerțial nu este, în principiu, dificilă: trebuie doar să găsiți un cadru de referință în care legile lui Newton să fie valabile exact. În practică, însă, nu este deloc atât de simplu. Un sistem inerțial poate fi doar un sistem asociat cu un corp liber. În natură, așa cum sa menționat deja, nu corpuri libere; toate corpurile interacționează cu alte corpuri, deși această interacțiune poate fi arbitrar de mică. Prin urmare, este imposibil să se indice în natură un anumit sistem inerțial, dar se poate găsi întotdeauna un sistem care, atunci când se studiază o problemă dată, poate fi considerat inerțial cu suficientă precizie pentru practică. sistemul dorit ar trebui să fie întotdeauna aleasă astfel încât fenomenele datorate neinerțialității sale să fie mai mici decât eroarea celui utilizat. instrumente de masura. După cum am observat deja, atunci când descriem „majoritatea miscarile pamantului planeta noastră poate fi considerată un sistem inerțial. În experimentul lui Foucault, precum și în studierea mișcării Pământului, sistemul inerțial ar trebui să fie asociat cu Soarele. Mișcarea Soarelui poate fi descrisă într-un cadru inerțial asociat cu stelele din jur (se presupune că stelele sunt practic nemișcate), iar atunci când studiem rotația Galaxiei, trebuie să asociem cadrul inerțial cu centrul de masă al Galaxia.

Vă prezentăm atenției o lecție video dedicată temei „Cadre de referință inerțiale. Prima lege a lui Newton, care este inclusă în cursul școlar de fizică pentru clasa a 9-a. La începutul lecției, profesorul vă va aminti de importanța cadrului de referință ales. Și apoi va vorbi despre corectitudinea și caracteristicile sistemului de referință ales și, de asemenea, va explica termenul de „inerție”.

În lecția anterioară, am vorbit despre importanța alegerii unui cadru de referință. Amintiți-vă că traiectoria, distanța parcursă și viteza vor depinde de modul în care alegem CO. Există o serie de alte caracteristici asociate cu alegerea unui sistem de referință și vom vorbi despre ele.

Orez. 1. Dependența traiectoriei de cădere a sarcinii de alegerea sistemului de referință

În clasa a VII-a ați studiat conceptele de „inerție” și „inerție”.

Inerţie - acest fenomen, în care organismul tinde să-și mențină starea inițială. Dacă corpul se mișcă, atunci ar trebui să se străduiască să mențină viteza acestei mișcări. Și dacă este în repaus, se va strădui să-și mențină starea de odihnă.

inerţie - acest proprietate corpul pentru a menține starea de mișcare. Proprietatea inerției este caracterizată de o astfel de mărime precum masa. Greutate – măsura inerției corpului. Cu cât corpul este mai greu, cu atât este mai dificil să te miști sau, dimpotrivă, să te oprești.

Vă rugăm să rețineți că aceste concepte sunt direct legate de conceptul de " cadru de referință inerțial» (ISO), care va fi discutat mai jos.

Luați în considerare mișcarea unui corp (sau starea de repaus) dacă niciun alt corp nu acționează asupra corpului. Concluzia despre modul în care se va comporta corpul în absența acțiunii altor corpuri a fost propusă pentru prima dată de Rene Descartes (Fig. 2) și a continuat în experimentele lui Galileo (Fig. 3).

Orez. 2. Rene Descartes

Orez. 3. Galileo Galilei

Dacă corpul se mișcă și niciun alt corp nu acționează asupra lui, atunci mișcarea se va păstra, va rămâne rectilinie și uniformă. Dacă alte corpuri nu acționează asupra corpului, iar corpul este în repaus, atunci starea de odihnă va fi păstrată. Dar se știe că starea de repaus este legată de cadrul de referință: într-un FR corpul este în repaus, iar în altul se mișcă destul de cu succes și rapid. Rezultatele experimentelor și raționamentului conduc la concluzia că nu în toate cadrele de referință corpul se va mișca în linie dreaptă și uniform sau va fi în repaus în absența altor corpuri care să acționeze asupra lui.

În consecință, pentru a rezolva problema principală a mecanicii, este important să alegeți un astfel de sistem de raportare, în care legea inerției este totuși îndeplinită, unde motivul care a determinat modificarea mișcării corpului este clar. Dacă corpul se mișcă în linie dreaptă și uniform în absența acțiunii altor corpuri, un astfel de cadru de referință va fi de preferat pentru noi și se va numi cadru inerțial de referință(ISO).

Punctul de vedere al lui Aristotel asupra cauzei mișcării

Un cadru de referință inerțial este un model convenabil pentru a descrie mișcarea unui corp și motivele care provoacă o astfel de mișcare. Pentru prima dată acest concept a apărut datorită lui Isaac Newton (Fig. 5).

Orez. 5. Isaac Newton (1643-1727)

Grecii antici și-au imaginat mișcarea într-un mod complet diferit. Ne vom familiariza cu punctul de vedere aristotelic asupra mișcării (fig. 6).

Orez. 6. Aristotel

Potrivit lui Aristotel, există un singur cadru de referință inerțial - cadrul de referință asociat cu Pământul. Toate celelalte sisteme de referință, după Aristotel, sunt secundare. În consecință, toate mișcările pot fi împărțite în două tipuri: 1) naturale, adică cele pe care le raportează Pământul; 2) forțat, adică tot restul.

Cel mai simplu exemplu de mișcare naturală este căderea liberă a unui corp pe Pământ, deoarece Pământul în acest caz conferă viteză corpului.

Luați în considerare un exemplu de mișcare forțată. Aceasta este situația când calul trage căruța. Atâta timp cât calul exercită forță, căruța se mișcă (Fig. 7). Imediat ce s-a oprit calul, s-a oprit și căruța. Fără putere, fără viteză. Potrivit lui Aristotel, forța este cea care explică prezența vitezei într-un corp.

Orez. 7. Mișcare forțată

Până acum, unii oameni obișnuiți consideră că punctul de vedere al lui Aristotel este corect. De exemplu, colonelul Friedrich Kraus von Zillergut din Aventurile bunului soldat Schweik în timpul războiului mondial a încercat să ilustreze principiul „Fără putere – fără viteză”: „Când a ieșit toată benzina”, a spus colonelul, „mașina era forțat să se oprească. Asta am vazut ieri. Și după aceea se mai vorbește despre inerție, domnilor. Nu merge, stă în picioare, nu se mișcă dintr-un loc. Fara benzina! Ei bine, nu e amuzant?

La fel ca în show business-ul modern, unde sunt fani, vor exista mereu critici. Aristotel a avut și criticii săi. Ei i-au sugerat să facă următorul experiment: dă drumul corpului, iar acesta va cădea exact sub locul în care l-am lăsat să plece. Să dăm un exemplu de critică a teoriei lui Aristotel, asemănător cu exemplele contemporanilor săi. Imaginează-ți că un avion zburător aruncă o bombă (Fig. 8). Va cădea bomba exact sub locul unde am lansat-o?

Orez. 8. Ilustrație de exemplu

Desigur că nu. Dar la urma urmei, aceasta este o mișcare naturală - o mișcare pe care Pământul a raportat-o. Atunci ce face ca această bombă să se miște din ce în ce mai departe? Aristotel a răspuns astfel: adevărul este că mișcarea naturală pe care o raportează Pământul este o cădere direct în jos. Dar când se mișcă în aer, bomba este purtată de turbulențele sale, iar aceste turbulențe, așa cum ar fi, împing bomba înainte.

Ce se va întâmpla dacă aerul este îndepărtat și se creează un vid? La urma urmei, dacă nu există aer, atunci, potrivit lui Aristotel, bomba ar trebui să cadă strict sub locul în care a fost aruncată. Aristotel a susținut că, dacă nu există aer, atunci o astfel de situație este posibilă, dar de fapt nu există gol în natură, nu există vid. Și dacă nu există vid, nu este nicio problemă.

Și numai Galileo Galilei a formulat principiul inerției în forma cu care suntem obișnuiți. Motivul schimbării vitezei este efectul altor corpuri asupra corpului. Dacă alte corpuri nu acționează asupra corpului sau această acțiune este compensată, atunci viteza corpului nu se va schimba.

Putem face următorul raționament cu privire la cadrul de referință inerțial. Imaginează-ți o situație în care o mașină se mișcă, apoi șoferul oprește motorul și apoi mașina se mișcă prin inerție (Fig. 9). Dar aceasta este o afirmație incorectă pentru simplul motiv că, în timp, mașina se va opri ca urmare a forței de frecare. Prin urmare, în acest caz nu va exista mișcare uniformă- lipsește una dintre condiții.

Orez. 9. Viteza mașinii se modifică ca urmare a forței de frecare

Luați în considerare un alt caz: un tractor mare și mare se mișcă cu o viteză constantă, în timp ce în fața lui trage o sarcină mare cu o găleată. O astfel de mișcare poate fi considerată drept rectilinie și uniformă, deoarece în acest caz toate forțele care acționează asupra corpului sunt compensate și se echilibrează între ele (Fig. 10). Prin urmare, cadrul de referință asociat cu acest corp, îl putem considera inerțial.

Orez. 10. Tractorul se deplasează uniform și în linie dreaptă. Acțiunea tuturor organismelor este compensată

Pot exista o mulțime de cadre de referință inerțiale. În realitate, totuși, un astfel de cadru de referință este încă idealizat, deoarece la o examinare mai atentă nu există astfel de cadre de referință în sensul deplin. ISO este un fel de idealizare care vă permite să simulați eficient procesele fizice reale.

Pentru sistemele de referință inerțiale, formula lui Galileo pentru adăugarea vitezelor este valabilă. De asemenea, rețineți că toate cadrele de referință, despre care am vorbit mai înainte, pot fi considerate inerțiale într-o anumită aproximare.

Isaac Newton a fost primul care a formulat legea dedicată ISO. Meritul lui Newton constă în faptul că a fost primul care a demonstrat științific că viteza unui corp în mișcare nu se modifică instantaneu, ci ca urmare a unor acțiuni în timp. Acest fapt a stat la baza creării legii, pe care o numim prima lege a lui Newton.

Prima lege a lui Newton : exista sisteme de referinta in care corpul se misca in linie dreapta si uniform sau este in repaus daca asupra corpului nu actioneaza nicio forta sau toate fortele care actioneaza asupra corpului sunt compensate. Astfel de cadre de referință se numesc inerțiale.

În alt fel, ei spun uneori acest lucru: un cadru de referință inerțial este un cadru în care sunt îndeplinite legile lui Newton.

De ce Pământul este un CO non-inerțial. Pendul Foucault

ÎN în număr mare probleme, este necesar să luăm în considerare mișcarea unui corp în raport cu Pământul, în timp ce considerăm Pământul ca fiind un cadru de referință inerțial. Se pare că această afirmație nu este întotdeauna adevărată. Dacă luăm în considerare mișcarea Pământului față de axa sa sau față de stele, atunci această mișcare are loc cu o oarecare accelerație. SO, care se mișcă cu o anumită accelerație, nu poate fi considerat inerțial în sensul deplin.

Pământul se rotește în jurul axei sale, ceea ce înseamnă că toate punctele aflate pe suprafața sa își schimbă continuu direcția vitezei. Viteza este o mărime vectorială. Dacă direcția se schimbă, atunci apare o oarecare accelerație. Prin urmare, Pământul nu poate fi un ISO corect. Dacă calculăm această accelerație pentru punctele situate pe ecuator (punctele care au accelerație maximă în raport cu punctele mai apropiate de poli), atunci valoarea ei va fi . Indicele arată că accelerația este centripetă. Comparativ cu accelerația cădere liberă, accelerația poate fi neglijată și Pământul poate fi considerat un cadru de referință inerțial.

Cu toate acestea, în timpul observațiilor pe termen lung, nu ar trebui să uităm de rotația Pământului. Acest lucru a fost demonstrat în mod convingător de omul de știință francez Jean Bernard Leon Foucault (Fig. 11).

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

pendul Foucault(Fig. 12) - este o greutate masivă suspendată pe un fir foarte lung.

Orez. 12. Modelul pendulului Foucault

Dacă pendulul Foucault este scos din echilibru, atunci va descrie următoarea traiectorie, alta decât o linie dreaptă (Fig. 13). Deplasarea pendulului se datorează rotației Pământului.

Orez. 13. Oscilațiile pendulului Foucault. Vedere de sus.

Rotația Pământului se datorează unei serii fapte interesante. De exemplu, în râurile din emisfera nordică, de regulă, malul drept este mai abrupt, iar malul stâng mai blând. În râurile din emisfera sudică - dimpotrivă. Toate acestea se datorează tocmai rotației Pământului și forței Coriolis rezultate.

Cu privire la problema formulării primei legi a lui Newton

Prima lege a lui Newton: dacă niciun corp nu acționează asupra corpului sau acțiunea lor este echilibrată reciproc (compensată), atunci acest corp va fi în repaus sau se va mișca uniform și rectiliniu.

Să luăm în considerare o situație care ne va indica că o astfel de formulare a primei legi a lui Newton trebuie corectată. Imaginați-vă un tren cu ferestre cu perdele. Într-un astfel de tren, pasagerul nu poate determina dacă trenul se mișcă sau nu de obiectele din exterior. Să luăm în considerare două cadre de referință: FR asociat cu pasagerul Volodya și FR asociat cu observatorul de pe platforma Katya. Trenul începe să accelereze, viteza lui crește. Ce se va întâmpla cu mărul de pe masă? Se va rostogoli în direcția opusă. Pentru Katya va fi evident că mărul se mișcă prin inerție, dar pentru Volodya va fi de neînțeles. Nu vede că trenul și-a început mișcarea și dintr-o dată un măr întins pe masă începe să se rostogolească pe el. Cum poate fi aceasta? La urma urmei, conform primei legi a lui Newton, mărul trebuie să rămână în repaus. Prin urmare, este necesară îmbunătățirea definiției primei legi a lui Newton.

Orez. 14. Exemplu ilustrativ

Formularea corectă a primei legi a lui Newton suna asa: exista sisteme de referinta in care corpul se misca in linie dreapta si uniform sau se afla in repaus daca asupra corpului nu actioneaza forte sau toate fortele care actioneaza asupra corpului sunt compensate.

Volodya se află într-un cadru de referință non-inerțial, iar Katya este într-un cadru inerțial.

Majoritatea sistemelor, sisteme de referință reale - non-inerțiale. Luați în considerare un exemplu simplu: stând într-un tren, puneți un corp (de exemplu, un măr) pe masă. Când trenul începe să se miște, vom observa o imagine atât de curioasă: mărul se va mișca, se va rostogoli în direcția opusă mișcării trenului (Fig. 15). În acest caz, nu vom putea determina ce corpuri acționează, faceți mărul să se miște. În acest caz, se spune că sistemul este non-inerțial. Dar poți ieși din situație intrând forta de inertie.

Orez. 15. Un exemplu de CO non-inerțial

Un alt exemplu: atunci când un corp se deplasează de-a lungul unei rotunjiri a drumului (Fig. 16), apare o forță care face ca corpul să se abată de la direcția rectilinie a mișcării. În acest caz, trebuie să luăm în considerare și cadru de referință non-inerțial, dar, ca și în cazul precedent, putem ieși din situație și prin introducerea așa-zisului. forțe de inerție.

Orez. 16. Forțele de inerție la deplasarea pe un traseu rotunjit

Concluzie

Există un număr infinit de sisteme de referință, dar majoritatea sunt acelea pe care nu le putem considera sisteme de referință inerțiale. Cadrul de referință inerțial este un model idealizat. Apropo, putem lua un astfel de sistem de referință ca un sistem de referință asociat cu Pământul sau cu unele obiecte îndepărtate (de exemplu, cu stele).

Bibliografie

1. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizica: manual pentru clasa a 9-a liceu. - M.: Iluminismul.
2. Peryshkin A.V., Gutnik E.M. Fizică. Clasa a 9-a: manual pentru învățământul general. instituții / A. V. Peryshkin, E. M. Gutnik. - Ed. a XIV-a, stereotip. - M.: Butard, 2009. - 300.
3. Sokolovici Yu.A., Bogdanova G.S. Fizica: Manual cu exemple de rezolvare a problemelor. - Ediția a II-a, redistribuire. - X .: Vesta: Editura „Ranok”, 2005. - 464 p.

1. Portalul de internet „physics.ru” ()
2. Portalul de internet „ens.tpu.ru” ()
3. Portalul de internet „prosto-o-slognom.ru” ()

Teme pentru acasă

1. Formulați definiții ale cadrelor de referință inerțiale și non-inerțiale. Dați exemple de astfel de sisteme.
2. Prezentați prima lege a lui Newton.
3. În ISO, corpul este în repaus. Determinați care este valoarea vitezei sale în IFR, care se mișcă în raport cu primul cadru de referință cu o viteză v?

Orice corp poate fi influențat de alte corpuri care îl înconjoară, drept urmare starea de mișcare (repaus) a corpului observat se poate schimba. În același timp, astfel de impacturi pot fi compensate (echilibrate) și nu pot provoca astfel de modificări. Când ei spun că acțiunile a două sau mai multe corpuri se compensează reciproc, aceasta înseamnă că rezultatul acțiunii lor comune este același ca și cum aceste corpuri nu ar exista deloc. Dacă influența altor corpuri asupra corpului este compensată, atunci în raport cu Pământul corpul este fie în repaus, fie se mișcă în linie dreaptă și uniform.

Astfel, ajungem la una dintre legile fundamentale ale mecanicii, care se numește prima lege a lui Newton.

prima lege a lui Newton (legea inerției)

Există astfel de sisteme de referință în care un corp în mișcare translațională este în repaus sau mișcare rectilinie uniformă (mișcare prin inerție) până când influențele altor corpuri îl scot din această stare.

În raport cu ceea ce s-a spus, o schimbare a vitezei unui corp (adică, accelerația) este întotdeauna cauzată de impactul altor corpuri asupra acestui corp.

Prima lege a lui Newton este valabilă numai în cadrele de referință inerțiale.

Definiție

Cadrele de referință, în raport cu care un corp care nu este afectat de alte corpuri, este în repaus sau se mișcă uniform și rectiliniu, sunt numite inerțiale.

Este posibil să se stabilească dacă un anumit cadru de referință este inerțial doar empiric. În cele mai multe cazuri, se pot lua în considerare cadre de referință inerțiale asociate cu Pământul sau cu corpuri de referință care se mișcă uniform și rectiliniu în raport cu suprafața pământului.

Figura 1. Cadre de referință inerțiale

În prezent, s-a confirmat experimental că cadrul de referință heliocentric asociat cu centrul Soarelui și trei stele „fixe” este practic inerțial.

Orice alt cadru de referință care se mișcă uniform și rectiliniu în raport cu cel inerțial este el însuși inerțial.

Galileo a stabilit că este imposibil să se determine dacă acest sistem este în repaus sau se mișcă uniform și rectiliniu prin orice experimente mecanice stabilite în interiorul unui cadru de referință inerțial. Această afirmație se numește principiul relativității lui Galileo sau principiul mecanic al relativității.

Acest principiu a fost dezvoltat ulterior de A. Einstein și este unul dintre postulatele teoriei speciale a relativității. IFR-urile joacă un rol extrem de important în fizică, deoarece, conform principiului relativității lui Einstein, expresia matematică a oricărei legi a fizicii are aceeași formă în fiecare IFR.

Dacă corpul de referință se mișcă cu accelerație, atunci cadrul de referință asociat cu acesta este neinerțial, iar legea 1 a lui Newton nu este valabilă în el.

Proprietatea corpurilor de a-și menține starea în timp (viteza mișcării, direcția mișcării, starea de repaus etc.) se numește inerție. Însuși fenomenul de conservare a vitezei de către un corp în mișcare în absența influențelor externe se numește inerție.

Figura 2. Manifestări de inerție în autobuz la începutul mișcării și frânării

Odată cu manifestarea inerției corpurilor, ne întâlnim adesea în viața de zi cu zi. Cu o accelerare bruscă a autobuzului, pasagerii din acesta se aplecă pe spate (Fig. 2, a), iar cu o frânare bruscă a autobuzului, se aplecă înainte (Fig. 2, b), iar când autobuzul se întoarce la dreapta - la peretele său din stânga. Cu o accelerație mare a unei aeronave de decolare, corpul pilotului, încercând să-și mențină starea inițială de repaus, este apăsat de scaun.

Inerția corpurilor se manifestă în mod clar printr-o schimbare bruscă a accelerațiilor corpurilor sistemului, când cadrul de referință inerțial este înlocuit cu unul neinerțial și invers.

Inerția unui corp este de obicei caracterizată de masa sa (masa inerțială).

Forța care acționează asupra corpului dintr-un cadru de referință non-inerțial se numește forță de inerție

Dacă mai multe forțe acționează simultan asupra unui corp într-un cadru de referință non-inerțial, dintre care unele sunt forțe „obișnuite”, iar altele sunt inerțiale, atunci corpul va experimenta o forță rezultantă, care este suma vectorială a tuturor forțelor care acționează asupra lui. . Această forță rezultată nu este o forță de inerție. Forța de inerție este doar o componentă a forței rezultate.

Dacă un băț, suspendat pe două fire subțiri, este tras încet de un șnur atașat în centru, atunci:

1. bagheta se va rupe;
2. cordonul se rupe;
3. unul dintre fire se va rupe;
4. orice varianta este posibila, in functie de forta aplicata

Figura 4

Forța se aplică la mijlocul bățului, în locul în care atârnă șnurul. Deoarece, conform legii 1 a lui Newton, orice corp are inerție, o parte a bastonului în punctul de suspendare al cordonului se va deplasa sub acțiunea forței aplicate, iar alte părți ale bastonului, asupra cărora forța nu acționează. , va rămâne în repaus. Prin urmare, bastonul se va rupe în punctul de suspendare.

Răspuns. Răspunsul corect 1.

Un bărbat trage două sănii legate, aplicând forță la un unghi de 300 față de orizont. Găsiți această forță dacă se știe că sania se mișcă uniform. Greutatea saniei este de 40 kg. Coeficient de frecare 0,3.

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

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

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

$g$ = 9,8 m/s2

Figura 5

Deoarece sania se mișcă cu o viteză constantă, conform primei legi a lui Newton, suma forțelor care acționează asupra saniei este zero. Să scriem prima lege a lui Newton pentru fiecare corp imediat în proiecție pe axă și să adăugăm legea lui Coulomb a frecării uscate pentru sanie:

Axa OX Axa 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(matrice) \dreapta.\]

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

Curs de fizica generala

Introducere.

Fizica (greacă, de la physis - natură), știința naturii, studiind cel mai simplu și în același timp cel mai proprietăți generale Lumea materială(regularitățile fenomenelor naturale, proprietățile și structura materiei și legile mișcării ei). Conceptele de fizică și legile ei stau la baza tuturor științelor naturale. Fizica aparține științelor exacte și studiază tiparele cantitative ale fenomenelor. Prin urmare, firesc, limbajul fizicii este matematica.

Materia poate exista sub două forme de bază: materie și câmp. Ele sunt interconectate.

Exemple: În liniștea – corpuri solide, lichide, plasmă, molecule, atomi, particule elementare etc.

Camp- câmp electromagnetic (cuante (porțiuni) de câmp - fotoni);

câmp gravitațional (cuante de câmp - gravitoni).

Relația dintre materie și câmp– anihilarea unei perechi electron-pozitron.

Fizica este cu siguranță o știință cu privire la lume, iar cunoașterea fundamentelor ei este element necesar orice educație, cultură a omului modern.

În același timp, fizica are o mare importanță practică. Ea este cea care datorează marea majoritate a realizărilor tehnice, informaționale și de comunicare ale omenirii.

Mai mult, ultimele decenii metode fizice cercetarea este din ce în ce mai utilizată în științe care par a fi departe de fizică, cum ar fi sociologia și economia.

Mecanica clasica.

Mecanica este ramura fizicii de care se ocupă cea mai simpla forma mișcarea materiei - mișcarea corpurilor în spațiu și timp.

Inițial, principiile (legile) de bază ale mecanicii ca știință au fost formulate de I. Newton sub forma a trei legi, care i-au primit numele.

Folosind metoda vectorului de descriere, viteza poate fi definită ca derivată a vectorului rază a unui punct sau corp. , iar masa acţionează aici ca un coeficient de proporţionalitate.

1. Când două corpuri interacționează, fiecare dintre ele acționează asupra altui corp cu aceeași valoare, dar opusă ca direcție, forță.

Aceste legi vin din experiență. Toată mecanica clasică se bazează pe ele. Perioadă lungă de timp se credea că toate fenomenele observate ar putea fi descrise prin aceste legi. Cu toate acestea, în timp, granițele capacităților umane s-au extins, iar experiența a arătat că legile lui Newton nu sunt întotdeauna valabile, iar mecanica clasică, ca urmare, are anumite limite de aplicabilitate.

În plus, puțin mai târziu ne vom întoarce la mecanica clasică dintr-un unghi ușor diferit - bazat pe legile de conservare, care într-un fel sunt legi mai generale ale fizicii decât legile lui Newton.

1.2. Limitele de aplicabilitate ale mecanicii clasice.

Prima limitare este legată de vitezele obiectelor luate în considerare. Experiența a arătat că legile lui Newton rămân valabile numai în condiția , unde este viteza luminii în vid ( ). La aceste viteze scale liniare iar intervalele de timp nu se modifică la trecerea de la un cadru de referință la altul. De aceea spatiul si timpul sunt absoluteîn mecanica clasică.

Deci, mecanica clasică descrie mișcarea cu viteze relative mici, adică aceasta este o fizică non-relativista. Limitarea din partea vitezelor mari este prima limitare a aplicării mecanicii newtoniene clasice.

În plus, experiența arată că aplicarea legilor mecanicii newtoniene este ilegală pentru a descrie micro-obiecte: molecule, atomi, nuclei, particule elementare etc. Pornind de la dimensiuni

(), o descriere adecvată a fenomenelor observate este dată de alții

legi - cuantic. Acestea sunt cele care trebuie utilizate atunci când cantitatea caracteristică descrie sistemul și are dimensiunea , este comparabil cu constanta lui Planck Să spunem, pentru un electron dintr-un atom, avem . Atunci mărimea, care are dimensiunea momentului unghiular, este egală cu: .

Orice fenomen fizic este secventa de evenimente. eveniment ceea ce se întâmplă într-un anumit punct al spațiului se numește acest moment timp.

Pentru a descrie evenimente, introduceți spatiu si timp- categorii care denotă principalele forme ale existenţei materiei. Spațiul exprimă ordinea existenței obiectelor individuale, iar timpul exprimă ordinea schimbării fenomenelor. Spațiul și timpul trebuie marcate. Marcarea se realizează prin introducerea de corpuri de referință și corpuri de referință (scara).

Sisteme de referință. Sisteme de referință inerțiale.

Pentru a descrie mișcarea corpului sau modelul folosit - se poate aplica punctul material mod vectorial descrieri, când poziția obiectului care ne interesează este setată folosind vectorul rază un segment îndreptat de la corpul de referință către un punct de interes pentru noi, a cărui poziție în spațiu se poate schimba cu timpul. Locul extremităților vectorului rază se numește traiectorie punct de mișcare.

2.1. Sisteme de coordonate.

Un alt mod de a descrie mișcarea unui corp este coordona, în care un anumit sistem de coordonate este asociat rigid cu corpul de referință.

În mecanică și în fizică în general, în diferite probleme este convenabil de utilizat diverse sisteme coordonatele. Cel mai des folosit așa-zis Carteziană, cilindrică și sferică sisteme de coordonate.

1) Sistemul de coordonate carteziene: sunt introduse trei axe reciproc perpendiculare cu scale specificate de-a lungul tuturor celor trei axe (rigle). Punctul de referință pentru toate axele este luat din corpul de referință. Limitele de modificare a fiecăreia dintre coordonatele de la la .

Vectorul rază care specifică poziția unui punct este definit în termeni de coordonatele acestuia ca

. (2.1)

Volumul mic în sistemul cartezian:

,

sau în incremente infinitezimale:

(2.2)

2) Sistem de coordonate cilindric: Distanța față de axă, unghiul de rotație față de axa x și înălțimea de-a lungul axei din corpul de referință sunt selectate ca variabile.

3) Sistem de coordonate sferice: introduceți distanța de la corpul de referință la punctul de interes și unghiurile

rotație și , numărate din axe și respectiv .

Vector rază - funcție de variabile

,

limitele de modificare a coordonatelor:

Coordonatele carteziene sunt legate de coordonatele sferice prin următoarele relații

(2.6)

Element de volum în coordonate sferice:

(2.7)

2.2. Sistem de referință.

Pentru a construi un sistem de referință, sistemul de coordonate conectat rigid cu corpul de referință trebuie completat cu un ceas. Ceasul poate fi intrat diverse puncte spații, deci trebuie să fie sincronizate. Sincronizarea ceasului se realizează folosind semnale. Fie timpul de propagare a semnalului de la punctul în care a avut loc evenimentul până la punctul de observație. Atunci ceasul nostru ar trebui să arate ora în momentul în care apare semnalul. dacă ceasul din punctul evenimentului în momentul producerii acestuia arată ora . Vom considera ca astfel de ceasuri sunt sincronizate.

Dacă distanța de la punctul din spațiu în care a avut loc evenimentul până la punctul de observare este , iar viteza de transmisie a semnalului este , atunci . În mecanica clasică, se presupune că viteza de propagare a semnalului . Prin urmare, un ceas este introdus în tot spațiul.

Agregat corpuri de referință, sisteme de coordonate și ceasuri formă Sistem de referință(CO).

Există un număr infinit de sisteme de referință. Experiența arată că, în timp ce vitezele sunt mici în comparație cu viteza luminii , scalele liniare și intervalele de timp nu se modifică la trecerea de la un sistem de referinţă la altul.

Cu alte cuvinte, în mecanica clasică, spațiul și timpul sunt absolute.

Dacă , atunci scalele și intervalele de timp depind de alegerea SS, adică. spaţiul şi timpul devin concepte relative. Aceasta este deja o zonă mecanică relativistă.

2.3.Cadre de referință inerțiale(ISO).

Așadar, ne aflăm în fața alegerii unui sistem de referință în care am putea rezolva problemele mecanicii (descrieți mișcarea corpurilor și stabiliți cauzele care o provoacă). Rezultă că nu toate cadrele de referință sunt egale, nu numai în descrierea formală a problemei, ci, mai important, reprezintă cauzele care provoacă o schimbare a stării corpului în moduri diferite.

Cadrul de referință în care legile mecanicii sunt formulate cel mai simplu, vă permite să stabiliți prima lege a lui Newton, care postulează existența cadre de referință inerțiale- ISO.

I legea mecanicii clasice - legea inerției lui Galileo-Newton.

Există un astfel de sistem de referință în care un punct material, dacă excludem interacțiunea lui cu toate celelalte corpuri, se va deplasa prin inerție, adică. menține o stare de odihnă sau uniformă mișcare rectilinie.

Acesta este cadrul de referință inerțial (ISO).

În ISO, o modificare a mișcării unui punct material (accelerație) se datorează numai interacțiunii sale cu alte corpuri, dar nu depinde de proprietățile cadrului de referință în sine.