Tröghetsreferensramar först. Vilka referenssystem kallas tröghet? Exempel på en tröghetsreferensram

Newtons första lag postulerar förekomsten av ett sådant fenomen som kropparnas tröghet. Därför är den också känd som Tröghetslagen. Tröghet - detta är fenomenet med att kroppen bibehåller rörelsehastigheten (både i storlek och riktning), när inga krafter verkar på kroppen. För att ändra rörelsehastigheten är det nödvändigt att agera på kroppen med viss kraft. Naturligtvis kommer resultatet av inverkan av krafter av samma storlek på olika kroppar att vara olika. Således sägs kroppar ha tröghet. Tröghet är kropparnas egenskap att motstå att ändra sitt nuvarande tillstånd. Värdet av tröghet kännetecknas av kroppsmassa.

Tröghetsreferensram

Newtons första lag säger (vilket kan verifieras experimentellt med varierande grad av noggrannhet) att tröghetssystem faktiskt existerar. Denna mekanikslag placerar tröghetsreferensramar i en speciell, privilegierad position.

Referensramar där Newtons första lag är uppfylld kallas tröghet.

Tröghetssystem referens- Dessa är system med avseende på vilka en materiell punkt, i avsaknad av yttre påverkan på den eller deras ömsesidiga kompensation, är i vila eller rör sig enhetligt och rätlinjigt.

Det finns ett oändligt antal tröghetssystem. Referensramen som är associerad med ett tåg som rör sig med konstant hastighet längs en rak sektion av spåret är också en tröghetsram (ungefär), som den ram som är associerad med jorden. Alla tröghetsreferensramar bildar en klass av ramar som rör sig i förhållande till varandra likformigt och rätlinjigt. Accelerationerna för varje kropp i olika tröghetsramar är desamma.

Hur man ställer in vad detta system referens är tröghet? Detta kan bara göras genom erfarenhet. Observationer visar att den heliocentriska ramen med en mycket hög grad av noggrannhet kan betraktas som en tröghetsreferensram, där ursprunget för koordinaterna är associerat med solen, och axlarna är riktade mot vissa "fasta" stjärnor. Referensramar som är stelt förbundna med jordens yta, är strikt sett inte tröga, eftersom jorden rör sig i omloppsbana runt solen och samtidigt roterar runt sin egen axel. Men när man beskriver rörelser som inte har en global (d.v.s. global skala) kan referenssystem associerade med jorden anses vara tröga med tillräcklig noggrannhet.

Referensramar är också tröga om de rör sig enhetligt och rätlinjigt i förhållande till någon tröghetsreferensram.

Galileo fastställde att det är omöjligt att avgöra om detta system är i vila eller rör sig enhetligt och rätlinjigt genom några mekaniska experiment inställda inom en tröghetsreferensram. Detta påstående kallas Galileos relativitetsprincip eller den mekaniska relativitetsprincipen.

Denna princip utvecklades senare av A. Einstein och är ett av postulaten för den speciella relativitetsteorin. Tröghetsreferensramar spelar en oerhört viktig roll i fysiken, eftersom, enligt Einsteins relativitetsprincip, det matematiska uttrycket för någon fysiklag har samma form i varje tröghetsreferensram. I framtiden kommer vi bara att använda tröghetssystem (utan att nämna detta varje gång).

Referensramar där Newtons första lag inte är uppfylld kallas icke-tröghet.

Sådana system inkluderar varje referensram som rör sig med acceleration i förhållande till tröghetsreferensramen.

I den newtonska mekaniken är lagarna för kroppars interaktion formulerade för klassen av tröghetsreferensramar.

Ett exempel på ett mekaniskt experiment där icke-trögheten hos ett system kopplat till jorden manifesteras är beteendet hos Foucault-pendeln. Detta är namnet på en massiv kula som är upphängd på en tillräckligt lång tråd och gör små svängningar runt jämviktspositionen. Om systemet som är kopplat till jorden var trögt, skulle Foucault-pendelns svängningsplan förbli oförändrat i förhållande till jorden. Faktum är att pendelns svängplan roterar på grund av jordens rotation, och projektionen av pendelns bana på jordens yta ser ut som en rosett (fig. 1).

Det faktum att kroppen tenderar att inte upprätthålla någon rörelse, nämligen rätlinjig, bevisas till exempel av följande experiment (fig. 2). En boll som rör sig rätlinjigt längs en plan horisontell yta och kolliderar med ett hinder som har en krökt form, tvingas röra sig i en båge under verkan av detta hinder. Men när bollen når kanten av hindret slutar den att röra sig i en kurvlinjär riktning och börjar röra sig i en rak linje igen. Genom att sammanfatta resultaten av ovanstående (och liknande) observationer kan vi dra slutsatsen att om en given kropp inte påverkas av andra kroppar eller deras handlingar kompenseras ömsesidigt, är denna kropp i vila eller dess hastighet förblir oförändrad i förhållande till referensramen fast. kopplat till jordens yta.

Fråga #6:

Man kan befara att de flesta läsare redan är uttråkade med teoretiska resonemang och de kommer att kräva att ge specifikt exempel tröghetssystem i naturen. Låt oss försöka uppfylla deras önskan så långt som möjligt. Låt oss överväga ett specifikt exempel: är LTT ett tröghetssystem på jorden? Varje elev kommer att säga till detta: ”Alla exempel som fysikläraren ger i lektionen, som förklarar Newtons lagar, relaterar till kropparnas rörelse på jorden. Jag förstår detta på så sätt att alla kroppars rörelser på jorden sker enligt Newtons lagar. Därför är jorden ett tröghetssystem."

Ändå är denna slutsats inte korrekt. För att verifiera detta, låt oss mentalt flytta till Paris Pantheon, där Leon Foucault, en medlem av den franska vetenskapsakademin, 1851 demonstrerade sin berömda erfarenhet.

En 67-meters kabel är upphängd i Pantheons kupol, till vilken är fäst en kopparvikt som väger 28 kg. Denna gigantiska pendel är inställd på att svänga. Efter flera svängningar avslöjas ett fantastiskt fenomen: planet där pendeln svänger börjar långsamt rotera. Varför? Foucault förklarade resultatet av experimentet genom att jorden roterade runt sin axel. Jorden roterar, men pendelns svängningsplan förändras inte - detta leder till rotationen av pendelns svängningsplan i förhållande till jordytan. Vi håller helt med om denna förklaring, bara vi kommer att uttrycka det lite annorlunda: Jorden är inte ett tröghetssystem. Pendelns oscillationsplan roterar i förhållande till jorden, men det är omöjligt att hitta någon kropp som skulle vara källan till kraften som orsakar denna rotation. I detta fall sker acceleration (rotation avser accelererade rörelser) utan påverkan av en verklig kraft. I tröghetssystem, där Newtons lagar är giltiga, är sådana fenomen omöjliga.

Jorden kan betraktas som ett tröghetssystem endast ungefär; med andra ord, vi kan betrakta jorden som ett tröghetssystem endast för att beskriva sådana processer, på vilka dess rotation praktiskt taget inte har någon märkbar effekt. De allra flesta av de fenomen som omger oss av sin natur är just sådana. Därför kan vi i det praktiska livet på ett säkert sätt tillämpa Newtons lagar på rörelser på jorden.

Det faktum att jorden inte är ett tröghetssystem bekräftas av andra fenomen. År 1802 genomfördes ett experiment i Hamburg, där från en höjd av 76 m en tung kropp föll till marken. Det visade sig att kroppen inte föll exakt i riktning mot tyngdkraften som verkade på den, utan avvek nästan 1 cm österut. Detta kan bara förklaras av det faktum att jorden är ett icke-tröghetssystem.

År 1857 etablerade den ryske akademikern Karl Baer den välkända lagen om flodbankserosion: för floder som flyter längs meridianen på norra halvklotet är den högra stranden hög och den vänstra stranden är låg, på södra halvklotet, på tvärtom, den vänstra stranden är hög och den högra stranden är låg. Detta mönster är särskilt uttalat i stora floder. Nilen, Ob, Irtysh, Lena, Volga, Donau, Dnepr, Don, etc. har en hög högra strand. Den vänstra stranden är högre än den högra stranden nära sådana floder på södra halvklotet som Parana och Paraguay. Detta kan bara förklaras av det faktum att vattnet i floderna som flyter längs meridianerna på norra halvklotet skiftar till höger (på södra halvklotet, respektive till vänster), tvättar bort den högra stranden och den vänstra stranden, bildas av tvättad sand, blir sluttande.

Varför ska floderna som rinner längs meridianen avvika åt sidan? Av samma anledning som pendelns plan roterar och en fritt fallande kropp avviker. Geografen kommer att svara att alla dessa fenomen beror på jordens rotation runt sin axel. Fysikern kommer att förklara att detta uttrycker jordens icke-tröghet som referenskropp. Jorden roterar i förhållande till tröghetssystem.

Att hitta en tröghetsram är i princip inte svårt: du behöver bara hitta en referensram där Newtons lagar håller exakt. I praktiken är det dock inte alls så enkelt. Ett tröghetssystem kan bara vara ett system associerat med en fri kropp. I naturen, som redan nämnts, nej fria kroppar; alla kroppar interagerar med andra kroppar, även om denna interaktion kan vara godtyckligt liten. Därför är det omöjligt att i naturen ange ett specifikt tröghetssystem, men man kan alltid hitta ett system som, när man studerar ett givet problem, kan betraktas som tröghet med tillräcklig noggrannhet för övning. önskat system bör alltid väljas så att fenomenen på grund av dess icke-tröghet är mindre än felet för den använda mätinstrument. Som vi redan har noterat, när vi beskriver "majoriteten jordens rörelser vår planet kan mycket väl betraktas som ett tröghetssystem. I Foucaults experiment, såväl som i studien av jordens rörelse, bör tröghetssystemet associeras med solen. Solens rörelse kan beskrivas i en tröghetsram associerad med de omgivande stjärnorna (stjärnorna antas vara praktiskt taget orörliga), och när man studerar galaxens rotation måste man associera tröghetsramen med masscentrum av galaxen.

Vi presenterar för din uppmärksamhet en videolektion dedikerad till ämnet "Tröghetsreferensramar. Newtons första lag, som ingår i skolfysikkursen för årskurs 9. I början av lektionen kommer läraren att påminna dig om vikten av den valda referensramen. Och då kommer han att prata om korrektheten och funktionerna i det valda referenssystemet, och också förklara termen "tröghet".

I förra lektionen pratade vi om vikten av att välja referensram. Kom ihåg att banan, den tillryggalagda sträckan och hastigheten beror på hur vi väljer CO. Det finns ett antal andra funktioner förknippade med valet av ett referenssystem, och vi kommer att prata om dem.

Ris. 1. Beroende av banan för lastens fall på valet av referenssystem

I sjuan studerade du begreppen "tröghet" och "tröghet".

Tröghet - detta är fenomen, där kroppen tenderar att behålla sitt ursprungliga tillstånd. Om kroppen rörde sig, borde den sträva efter att bibehålla hastigheten i denna rörelse. Och om den är i vila, kommer den att sträva efter att behålla sitt vilotillstånd.

tröghet - detta är fast egendom kroppen för att upprätthålla ett rörelsetillstånd. Tröghetsegenskapen kännetecknas av en sådan kvantitet som massa. Vikt – mått på kroppens tröghet. Ju tyngre kroppen är, desto svårare är det att röra sig eller tvärtom att stanna.

Observera att dessa begrepp är direkt relaterade till begreppet " tröghetsreferensram» (ISO), som kommer att diskuteras nedan.

Tänk på en kropps rörelse (eller vilotillståndet) om inga andra kroppar verkar på kroppen. Slutsatsen om hur kroppen kommer att bete sig i frånvaro av andra kroppars verkan föreslogs först av Rene Descartes (fig. 2) och fortsatte i experimenten med Galileo (fig. 3).

Ris. 2. Rene Descartes

Ris. 3. Galileo Galilei

Om kroppen rör sig och inga andra kroppar verkar på den, kommer rörelsen att bevaras, den förblir rätlinjig och enhetlig. Om andra kroppar inte verkar på kroppen, och kroppen är i vila, kommer vilotillståndet att bevaras. Men det är känt att vilotillståndet är kopplat till referensramen: i en FR är kroppen i vila, och i en annan rör den sig ganska framgångsrikt och snabbt. Resultaten av experiment och resonemang leder till slutsatsen att kroppen inte i alla referensramar kommer att röra sig i en rak linje och enhetligt eller vara i vila i frånvaro av andra kroppar som verkar på den.

För att lösa mekanikens huvudproblem är det följaktligen viktigt att välja ett sådant rapporteringssystem, där tröghetslagen ändå är uppfylld, där orsaken som orsakade förändringen i kroppsrörelsen är tydlig. Om kroppen rör sig i en rak linje och likformigt i frånvaro av andra kroppars verkan, kommer en sådan referensram att vara att föredra för oss, och den kommer att kallas tröghetsreferensram(ISO).

Aristoteles synpunkt på orsaken till rörelse

En tröghetsreferensram är en bekväm modell för att beskriva en kropps rörelse och orsakerna som orsakar sådan rörelse. För första gången dök detta koncept upp tack vare Isaac Newton (Fig. 5).

Ris. 5. Isaac Newton (1643-1727)

De gamla grekerna föreställde sig rörelse på ett helt annat sätt. Vi kommer att bekanta oss med den aristoteliska synen på rörelse (fig. 6).

Ris. 6. Aristoteles

Enligt Aristoteles finns det bara en tröghetsreferensram - referensramen som är förknippad med jorden. Alla andra referenssystem är, enligt Aristoteles, sekundära. Följaktligen kan alla rörelser delas in i två typer: 1) naturliga, det vill säga de som jorden rapporterar; 2) tvingad, det vill säga allt det andra.

Det enklaste exemplet på naturlig rörelse är en kropps fria fall till jorden, eftersom jorden i detta fall ger kroppen fart.

Tänk på ett exempel på påtvingad rörelse. Detta är situationen när hästen drar vagnen. Så länge hästen utövar kraft rör sig vagnen (bild 7). Så fort hästen stannade stannade också vagnen. Ingen kraft, ingen hastighet. Enligt Aristoteles är det kraft som förklarar närvaron av hastighet i en kropp.

Ris. 7. Tvångsrörelse

Hittills anser vissa vanliga människor att Aristoteles synsätt är rättvist. Till exempel försökte överste Friedrich Kraus von Zillergut från The Adventures of the Good Soldier Schweik under världskriget illustrera principen "No power - no speed": "När all bensin kom ut", sa översten, "var bilen tvingas sluta. Det här är vad jag såg igår. Och efter det pratar de fortfarande om tröghet, mina herrar. Går inte, står, rör sig inte från en plats. Ingen bensin! Tja, är det inte roligt?

Som i modern show business, där det finns fans, kommer det alltid att finnas kritiker. Aristoteles hade också sina kritiker. De föreslog att han skulle göra följande experiment: släpp kroppen, och den kommer att falla precis under den plats där vi släpper den. Låt oss ge ett exempel på kritik av Aristoteles teori, liknande exemplen från hans samtida. Föreställ dig att ett flygande plan kastar ut en bomb (bild 8). Kommer bomben att falla exakt under platsen där vi släppte den?

Ris. 8. Illustration till exempel

Självklart inte. Men trots allt är detta en naturlig rörelse - en rörelse som jorden rapporterade. Vad får då denna bomb att röra sig längre och längre? Aristoteles svarade så här: faktum är att den naturliga rörelsen som jorden rapporterar är ett fall rakt ner. Men när den rör sig i luften förs bomben bort av dess turbulenser, och dessa turbulenser driver liksom bomben framåt.

Vad händer om luften tas bort och ett vakuum skapas? När allt kommer omkring, om det inte finns någon luft, bör bomben, enligt Aristoteles, falla strikt under platsen där den kastades. Aristoteles hävdade att om det inte finns någon luft, så är en sådan situation möjlig, men i själva verket finns det ingen tomhet i naturen, det finns inget vakuum. Och om det inte finns något vakuum är det inga problem.

Och bara Galileo Galilei formulerade tröghetsprincipen i den form som vi är vana vid. Anledningen till förändringen i hastighet är effekten av andra kroppar på kroppen. Om andra kroppar inte verkar på kroppen eller om denna åtgärd kompenseras, kommer kroppens hastighet inte att förändras.

Vi kan föra följande resonemang angående den tröga referensramen. Föreställ dig en situation där en bil rör sig, sedan stänger föraren av motorn och sedan rör sig bilen med tröghet (fig. 9). Men detta är ett felaktigt påstående av den enkla anledningen att bilen med tiden kommer att stanna till följd av friktionskraften. Därför kommer det i det här fallet att bli nej enhetlig rörelse– ett av villkoren saknas.

Ris. 9. Bilens hastighet ändras till följd av friktionskraften

Tänk på ett annat fall: en stor, stor traktor rör sig med konstant hastighet, medan den framför den drar en stor last med en skopa. En sådan rörelse kan betraktas som rätlinjig och enhetlig, eftersom i detta fall alla krafter som verkar på kroppen kompenseras och balanserar varandra (fig. 10). Därför, referensramen förknippad med denna kropp, kan vi betrakta tröghet.

Ris. 10. Traktorn rör sig jämnt och i en rak linje. Alla kroppars agerande kompenseras

Det kan finnas många tröghetsreferensramar. I verkligheten är dock en sådan referensram fortfarande idealiserad, eftersom det vid närmare granskning inte finns några sådana referensramar i full mening. ISO är en sorts idealisering som gör att du effektivt kan simulera verkliga fysiska processer.

För tröghetsreferenssystem är Galileos formel för att addera hastigheter giltig. Observera också att alla referensramar, som vi pratade om tidigare, kan betraktas som tröghet i någon approximation.

Isaac Newton var den första som formulerade lagen tillägnad ISO. Newtons förtjänst ligger i det faktum att han var den första som vetenskapligt visade att hastigheten hos en kropp i rörelse inte ändras omedelbart, utan som ett resultat av någon handling över tiden. Detta faktum låg till grund för skapandet av lagen, som vi kallar Newtons första lag.

Newtons första lag : det finns referenssystem där kroppen rör sig i en rak linje och jämnt eller är i vila om inga krafter verkar på kroppen eller alla krafter som verkar på kroppen kompenseras. Sådana referensramar kallas tröghet.

På ett annat sätt säger de ibland så här: en tröghetsreferensram är en ram där Newtons lagar är uppfyllda.

Varför jorden är en icke-tröghet CO. Foucault pendel

PÅ i stort antal problem är det nödvändigt att överväga en kropps rörelse i förhållande till jorden, medan vi anser att jorden är en tröghetsreferensram. Det visar sig att detta påstående inte alltid är sant. Om vi ​​betraktar jordens rörelse i förhållande till dess axel eller i förhållande till stjärnorna, så sker denna rörelse med viss acceleration. SO, som rör sig med en viss acceleration, kan inte betraktas som tröghet i full mening.

Jorden roterar runt sin axel, vilket innebär att alla punkter som ligger på dess yta kontinuerligt ändrar riktningen för sin hastighet. Hastighet är en vektorkvantitet. Om dess riktning ändras, visas en viss acceleration. Därför kan jorden inte vara en korrekt ISO. Om vi ​​beräknar denna acceleration för punkter som ligger på ekvatorn (punkter som har maximal acceleration i förhållande till punkter närmare polerna), kommer dess värde att vara . Indexet visar att accelerationen är centripetal. Jämfört med acceleration fritt fall, acceleration kan försummas och jorden kan betraktas som en tröghetsreferensram.

Men under långtidsobservationer bör man inte glömma jordens rotation. Detta visades på ett övertygande sätt av den franske vetenskapsmannen Jean Bernard Leon Foucault (bild 11).

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

Foucault pendel(Fig. 12) - det är en enorm vikt upphängd på en mycket lång tråd.

Ris. 12. Foucault pendelmodell

Om Foucault-pendeln tas ur jämvikt, kommer den att beskriva nästa bana förutom en rät linje (fig. 13). Pendelns förskjutning beror på jordens rotation.

Ris. 13. Svängningar av Foucaults pendel. Utsikt från ovan.

Jordens rotation beror på en serie intressanta fakta. Till exempel, i floderna på norra halvklotet, är som regel högra stranden brantare och vänstra stranden är mildare. I floderna på södra halvklotet - tvärtom. Allt detta beror just på jordens rotation och den resulterande Corioliskraften.

På frågan om formuleringen av Newtons första lag

Newtons första lag: om inga kroppar verkar på kroppen eller om deras verkan är ömsesidigt balanserad (kompenserad), så kommer denna kropp att vara i vila eller röra sig enhetligt och rätlinjigt.

Låt oss överväga en situation som kommer att indikera för oss att en sådan formulering av Newtons första lag måste korrigeras. Föreställ dig ett tåg med gardinfönster. I ett sådant tåg kan passageraren inte avgöra om tåget rör sig eller inte vid föremålen utanför. Låt oss betrakta två referensramar: FR associerad med passageraren Volodya och FR associerad med observatören på plattformen Katya. Tåget börjar accelerera, hastigheten ökar. Vad kommer att hända med äpplet på bordet? Det kommer att rulla i motsatt riktning. För Katya kommer det att vara uppenbart att äpplet rör sig genom tröghet, men för Volodya kommer det att vara obegripligt. Han ser inte att tåget har börjat sin rörelse, och plötsligt börjar ett äpple som ligger på bordet att rulla på det. Hur kan det vara såhär? När allt kommer omkring, enligt Newtons första lag, måste äpplet förbli i vila. Därför är det nödvändigt att förbättra definitionen av Newtons första lag.

Ris. 14. Illustrationsexempel

Korrekt formulering av Newtons första lag låter så här: det finns referenssystem där kroppen rör sig i en rak linje och jämnt eller är i vila om inga krafter verkar på kroppen eller alla krafter som verkar på kroppen kompenseras.

Volodya är i en icke-tröghetsreferensram, och Katya är i en tröghetsram.

De flesta av systemen, riktiga referenssystem - icke-tröghet. Tänk på ett enkelt exempel: när du sitter på ett tåg lägger du lite kropp (till exempel ett äpple) på bordet. När tåget börjar röra sig kommer vi att observera en sådan nyfiken bild: äpplet kommer att röra sig, rulla i motsatt riktning mot tågets rörelse (fig. 15). I det här fallet kommer vi inte att kunna avgöra vilka kroppar som agerar, få äpplet att röra sig. I det här fallet sägs systemet vara icke-trögt. Men du kan ta dig ur situationen genom att gå in tröghetskraft.

Ris. 15. Ett exempel på en icke-inertiell CO

Ett annat exempel: när en kropp rör sig längs en rundning av vägen (bild 16) uppstår en kraft som gör att kroppen avviker från den rätlinjiga rörelseriktningen. I det här fallet måste vi också överväga icke-inertiell referensram, men som i föregående fall kan vi också komma ur situationen genom att införa den sk. tröghetskrafter.

Ris. 16. Tröghetskrafter vid rörelse längs en rundad bana

Slutsats

Det finns ett oändligt antal referenssystem, men de flesta av dem är de som vi inte kan betrakta som tröghetsreferenssystem. Den tröghetsreferensramen är en idealiserad modell. Förresten, vi kan ta ett sådant referenssystem som ett referenssystem associerat med jorden eller några avlägsna objekt (till exempel med stjärnor).

Bibliografi

1. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fysik: Lärobok för årskurs 9 gymnasium. - M.: Upplysning.
2. Peryshkin A.V., Gutnik E.M. Fysik. Årskurs 9: lärobok för allmän bildning. institutioner / A. V. Peryshkin, E. M. Gutnik. - 14:e upplagan, stereotyp. - M.: Bustard, 2009. - 300.
3. Sokolovich Yu.A., Bogdanova G.S. Fysik: Handbok med exempel på problemlösning. - 2:a upplagan, omfördelning. - X .: Vesta: Förlag "Ranok", 2005. - 464 sid.

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

Läxa

1. Formulera definitioner av tröghets- och icke-tröghetsreferensramar. Ge exempel på sådana system.
2. Ange Newtons första lag.
3. I ISO är kroppen i vila. Bestäm vad är värdet på dess hastighet i ISO, som rör sig relativt den första referensramen med en hastighet v?

Vilken kropp som helst kan påverkas av andra kroppar som omger den, som ett resultat av vilket rörelsetillståndet (vila) hos den observerade kroppen kan förändras. Samtidigt kan sådana effekter kompenseras (balanseras) och inte orsaka sådana förändringar. När de säger att två eller flera kroppars handlingar kompenserar varandra, betyder det att resultatet av deras gemensamma agerande är detsamma som om dessa kroppar inte existerade alls. Om påverkan av andra kroppar på kroppen kompenseras, så är kroppen i förhållande till jorden antingen i vila eller rör sig i en rak linje och jämnt.

Därmed kommer vi till en av mekanikens grundläggande lagar, som kallas Newtons första lag.

Newtons första lag (tröghetslagen)

Det finns sådana referenssystem där en translationellt rörlig kropp är i vila eller likformig rätlinjig rörelse (rörelse genom tröghet) tills påverkan från andra kroppar tar den ur detta tillstånd.

I förhållande till vad som har sagts, orsakas en förändring i en kropps hastighet (dvs acceleration) alltid av påverkan av några andra kroppar på denna kropp.

Newtons första lag är endast giltig i tröghetsreferensramar.

Definition

Referensramar, i förhållande till vilka en kropp som inte påverkas av andra kroppar, är i vila eller rör sig enhetligt och rätlinjigt, kallas tröghet.

Det är möjligt att avgöra om en given referensram är tröghet endast empiriskt. I de flesta fall kan man överväga tröghetsreferensramar förknippade med jorden eller med referenskroppar som rör sig enhetligt och rätlinjigt med avseende på jordens yta.

Figur 1. Tröghetsreferensramar

För närvarande har det experimentellt bekräftats att den heliocentriska referensramen som är förknippad med solens centrum och tre "fasta" stjärnor är praktiskt taget tröghet.

Varje annan referensram som rör sig likformigt och rätlinjigt i förhållande till den tröga är i sig själv trög.

Galileo fastställde att det är omöjligt att avgöra om detta system är i vila eller rör sig enhetligt och rätlinjigt genom några mekaniska experiment inställda inom en tröghetsreferensram. Detta påstående kallas Galileos relativitetsprincip, eller den mekaniska relativitetsprincipen.

Denna princip utvecklades senare av A. Einstein och är ett av postulaten för den speciella relativitetsteorin. IFR:er spelar en extremt viktig roll i fysiken, eftersom, enligt Einsteins relativitetsprincip, det matematiska uttrycket för vilken fysiklag som helst har samma form i varje IFR.

Om referenskroppen rör sig med acceleration, är referensramen som är associerad med den icke-tröghet, och Newtons första lag är inte giltig i den.

Kropparnas egenskap att bibehålla sitt tillstånd i tid (rörelsehastighet, rörelseriktning, vilotillstånd etc.) kallas tröghet. Själva fenomenet med bevarande av hastighet av en rörlig kropp i frånvaro av yttre påverkan kallas tröghet.

Figur 2. Uttryck av tröghet i bussen vid start av rörelse och inbromsning

Med manifestationen av kropparnas tröghet möts vi ofta i vardagen. Med en kraftig acceleration av bussen lutar passagerarna i den sig bakåt (Fig. 2, a), och med en kraftig inbromsning av bussen lutar de sig framåt (Fig. 2, b), och när bussen svänger åt höger - till vänster vägg. Med en stor acceleration av ett startflygplan pressas pilotens kropp, som försöker behålla sitt ursprungliga vilotillstånd, mot sätet.

Kropparnas tröghet manifesteras tydligt i en skarp förändring i accelerationerna av systemets kroppar, när tröghetsreferensramen ersätts med en icke-tröghetsram, och vice versa.

En kropps tröghet kännetecknas vanligtvis av dess massa (tröghetsmassa).

Kraften som verkar på kroppen från en icke-tröghetsreferensram kallas tröghetskraften

Om flera krafter samtidigt verkar på en kropp i en icke-tröghetsreferensram, av vilka några är "vanliga" krafter och andra är tröghetskrafter, kommer kroppen att uppleva en resulterande kraft, som är vektorsumman av alla krafter som verkar på den . Denna resulterande kraft är inte en tröghetskraft. Tröghetskraften är bara en komponent av den resulterande kraften.

Om en pinne, upphängd i två tunna trådar, långsamt dras av en lina som är fäst vid dess mitt, då:

1. trollstaven kommer att gå sönder;
2. sladden går sönder;
3. en av trådarna kommer att gå sönder;
4. vilket alternativ som helst är möjligt, beroende på den applicerade kraften

Figur 4

Kraften appliceras på mitten av pinnen, på den plats där sladden hänger. Eftersom, enligt Newtons första lag, varje kropp har tröghet, kommer en del av pinnen vid upphängningspunkten för snöret att röra sig under verkan av den applicerade kraften, och andra delar av pinnen, på vilka kraften inte verkar , kommer att förbli i vila. Därför kommer pinnen att gå sönder vid upphängningspunkten.

Svar. Rätt svar 1.

En man drar två bundna slädar och utövar kraft i en vinkel på 300° mot horisonten. Hitta denna kraft om det är känt att släden rör sig jämnt. Slädens vikt är 40 kg. Friktionskoefficient 0,3.

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

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

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

$g$ = 9,8 m/s2

Bild 5

Eftersom släden rör sig med konstant hastighet, enligt Newtons första lag, är summan av krafterna som verkar på släden noll. Låt oss skriva Newtons första lag för varje kropp omedelbart i projektion på axeln och lägga till Coulombs lag om torr friktion för släden:

OX-axel OY-axel

\[\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) \right.\]

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

Allmän fysikkurs

Introduktion.

Fysik (grekiska, från physis - natur), naturvetenskapen, studera det enklaste och samtidigt det mest generella egenskaper materiell värld(naturfenomens regelbundenheter, materiens egenskaper och struktur och lagarna för dess rörelse). Fysikens begrepp och dess lagar ligger till grund för all naturvetenskap. Fysiken tillhör de exakta vetenskaperna och studerar fenomenens kvantitativa mönster. Därför är fysikens språk naturligtvis matematik.

Materia kan existera i två grundläggande former: materia och fält. De är sammankopplade.

Exempel: In stillhet – fasta kroppar, vätskor, plasma, molekyler, atomer, elementarpartiklar, etc.

Fält- elektromagnetiskt fält (kvanta (delar) av fältet - fotoner);

gravitationsfält (fältkvanta - gravitoner).

Förhållandet mellan materia och fält– förintelse av ett elektron-positronpar.

Fysik är verkligen en världsbildsvetenskap, och kunskap om dess grunder är det nödvändigt element någon utbildning, kultur för den moderna människan.

Samtidigt är fysiken av stor praktisk betydelse. Det är hon som är skyldig den stora majoriteten av mänsklighetens tekniska, informations- och kommunikationsprestationer.

Dessutom de senaste decennierna fysiska metoder forskning används alltmer inom vetenskaper som verkar ligga långt ifrån fysiken, som sociologi och ekonomi.

Klassisk mekanik.

Mekanik är den gren av fysiken som sysslar med enklaste formen materiens rörelse - kropparnas rörelse i rum och tid.

Till en början formulerades de grundläggande principerna (lagarna) för mekaniken som vetenskap av I. Newton i form av tre lagar som fick hans namn.

Med hjälp av vektormetoden för beskrivning kan hastigheten definieras som derivatan av radievektorn för en punkt eller kropp , och massan fungerar här som en proportionalitetskoefficient.

1. När två kroppar interagerar, verkar var och en av dem på en annan kropp med samma värde, men motsatt riktning, kraft.

Dessa lagar kommer av erfarenhet. All klassisk mekanik är baserad på dem. Under en lång tid man trodde att alla observerade fenomen kunde beskrivas av dessa lagar. Men med tiden utvidgades gränserna för mänskliga förmågor, och erfarenheten visade att Newtons lagar inte alltid är giltiga, och klassisk mekanik, som ett resultat, har vissa gränser för tillämplighet.

Dessutom ska vi lite senare vända oss till klassisk mekanik från en lite annan vinkel – baserad på bevarandelagar, som på sätt och vis är mer allmänna fysiklagar än Newtons lagar.

1.2. Tillämpningsgränser för klassisk mekanik.

Den första begränsningen är relaterad till hastigheterna för föremålen som övervägs. Erfarenheten har visat att Newtons lagar förblir giltiga endast under villkoret , var är ljusets hastighet i vakuum ( ). I dessa hastigheter linjära skalor och tidsintervallen ändras inte när man flyttar från en referensram till en annan. Det är därför rum och tid är absoluta i klassisk mekanik.

Så, klassisk mekanik beskriver rörelse med låga relativa hastigheter, dvs. detta är icke-relativistisk fysik. Begränsningen från höga hastigheter är den första begränsningen av tillämpningen av klassisk newtonsk mekanik.

Dessutom visar erfarenheten att tillämpningen av Newtons mekaniks lagar är olaglig för att beskriva mikroobjekt: molekyler, atomer, kärnor, elementarpartiklar etc. Utgående från dimensioner

(), en adekvat beskrivning av de observerade fenomenen ges av andra

lagar - kvant. Det är de som måste användas när den karakteristiska kvantiteten beskriver systemet och har dimensionen , jämförbar för att Plancks konstant Låt oss säga, för en elektron i en atom har vi . Då är kvantiteten, som har dimensionen av rörelsemängden, lika med: .

Alla fysiska fenomen är rad av händelser. händelse vad som händer vid en given punkt i rymden kallas det här ögonblicket tid.

Ange för att beskriva händelser rum och tid- kategorier som betecknar de huvudsakliga formerna för materiens existens. Rymden uttrycker ordningen för existensen av enskilda objekt, och tiden uttrycker ordningen för förändringar av fenomen. Rum och tid ska markeras. Märkning utförs genom att man introducerar referenskroppar och referens(skal)kroppar.

Referenssystem. Tröghetsreferenssystem.

För att beskriva kroppens rörelse eller modellen som används - materialpunkten kan appliceras vektor sätt beskrivningar, när positionen för objektet av intresse för oss ställs in med hjälp av radievektorn ett segment riktat från referenskroppen till en intressant plats för oss, vars position i rymden kan förändras med tiden. Lokuset för radievektorns ändar kallas bana rörlig punkt.

2.1. Koordinatsystem.

Ett annat sätt att beskriva en kropps rörelse är samordna, där ett visst koordinatsystem är fast förknippat med referensorganet.

Inom mekanik, och i fysik i allmänhet, i olika problem är det bekvämt att använda olika system koordinater. Den mest använda sk Kartesisk, cylindrisk och sfärisk koordinatsystem.

1) Kartesiskt koordinatsystem: tre inbördes vinkelräta axlar med specificerade skalor längs alla tre axlarna (linjaler) anges. Referenspunkten för alla axlar är hämtad från referenskroppen. Ändringsgränser för var och en av koordinaterna från till .

Radievektorn som anger positionen för en punkt definieras i termer av dess koordinater som

. (2.1)

Liten volym i kartesiskt system:

,

eller i oändliga steg:

(2.2)

2) Cylindriskt koordinatsystem: Avståndet från axeln, vridningsvinkeln från x-axeln och höjden längs axeln från referenskroppen väljs som variabler.

3) Sfäriskt koordinatsystem: ange avståndet från referenskroppen till den intressanta punkten och vinklarna

rotation och , räknat från axlarna och , respektive.

Radievektor - funktion av variabler

,

koordinater ändra gränser:

Kartesiska koordinater är relaterade till sfäriska koordinater genom följande relationer

(2.6)

Volymelement i sfäriska koordinater:

(2.7)

2.2. Referenssystem.

För att konstruera ett referenssystem måste koordinatsystemet som är stelt kopplat till referenskroppen kompletteras med en klocka. Klockan kan vara inne olika punkter mellanslag, så de måste synkroniseras. Klocksynkronisering utförs med hjälp av signaler. Låt signalutbredningstiden från den punkt där händelsen inträffade till observationspunkten vara . Då ska vår klocka visa tiden i det ögonblick som signalen visas. om klockan vid tidpunkten för händelsen vid tidpunkten för dess inträffande visar tiden . Vi kommer att betrakta sådana klockor som synkroniserade.

Om avståndet från den punkt i rymden där händelsen inträffade till observationspunkten är och signalöverföringshastigheten är . I klassisk mekanik antas det att hastigheten för signalutbredning . Därför introduceras en klocka i hela rymden.

Aggregat referensorgan, koordinatsystem och klockor form Referenssystem(CO).

Det finns ett oändligt antal referenssystem. Erfarenheten visar att medan hastigheterna är små jämfört med ljusets hastighet , linjära skalor och tidsintervall ändras inte när du flyttar från ett referenssystem till ett annat.

Med andra ord, inom klassisk mekanik är rum och tid absoluta.

Om en , då beror skalorna och tidsintervallen på valet av SS, d.v.s. rum och tid blir relativa begrepp. Detta är redan ett område relativistisk mekanik.

2.3.Tröghetsreferensramar(ISO).

Så vi står inför valet av ett referenssystem där vi kan lösa mekanikens problem (beskriv kropparnas rörelser och fastställa orsakerna som orsakar det). Det visar sig att inte alla referensramar är lika, inte bara i den formella beskrivningen av problemet, utan, ännu viktigare, de representerar orsakerna som orsakar en förändring i kroppens tillstånd på olika sätt.

Referensramen där mekanikens lagar formuleras enklast, låter dig fastställa Newtons första lag, som postulerar existensen tröghetsreferensramar- ISO.

I lag för klassisk mekanik - Galileo-Newtons tröghetslag.

Det finns ett sådant referenssystem där en materiell punkt, om vi utesluter dess interaktion med alla andra kroppar, kommer att röra sig genom tröghet, d.v.s. bibehålla ett tillstånd av vila eller uniform rätlinjig rörelse.

Detta är den tröghetsreferensramen (ISO).

I ISO beror en förändring i en materialpunkts rörelse (acceleration) endast på dess interaktion med andra kroppar, men beror inte på egenskaperna hos själva referensramen.