Інерційні системи відліку першого. Які системи відліку називають інерційними? Приклади інерційної системи відліку

Перший закон Ньютона постулює наявність такого явища як інерція тел. Тому він також відомий як Закон інерції. Інерція - це явище збереження тілом швидкості руху (і за величиною, і за напрямом), коли тіло не діють ніякі сили. Щоб змінити швидкість руху, на тіло необхідно подіяти з певною силою. Звичайно, результат дії однакових за величиною сил на різні тіла буде різним. Таким чином, кажуть, що тіла мають інертність. Інертність - це властивість тіл чинити опір зміні їх поточного стану. Розмір інертності характеризується масою тіла.

Інерційна система відліку

Перший закон Ньютона стверджує (яке з тим чи іншим ступенем точності можна перевірити на досвіді) про те, що інерційні системи існують насправді. Цей закон механіки ставить у особливе, привілейоване становище інерційні системи відліку.

Системи відліку, у яких виконується перший закон Ньютона, називають інерційними.

Інерційні системивідліку– це системи, щодо яких матеріальна точка за відсутності неї зовнішніх впливів чи його взаємної компенсації лежить чи рухається рівномірно і прямолінійно.

Інерційних систем існує безліч. Система відліку, пов'язана з поїздом, що йде з постійною швидкістю прямолінійною ділянкою колії, – теж інерційна система (приблизно), як і система, пов'язана з Землею. Усі інерційні системи відліку утворюють клас систем, які рухаються одна щодо одної рівномірно і прямолінійно. Прискорення будь-якого тіла у різних інерційних системах однакові.

Як встановити, що дана системавідліку є інерційною? Це можна зробити лише досвідченим шляхом. Спостереження показують, що з дуже високим ступенем точності можна вважати інерційною системою відліку геліоцентричну систему, у якої початок координат пов'язаний із Сонцем, а осі спрямовані на певні «нерухомі» зірки. Системи відліку, жорстко пов'язані з поверхнею Землі, строго кажучи, є інерціальними, оскільки Земля рухається орбітою навколо Сонця і навіть обертається навколо своєї осі. Однак при описі рухів, що не мають глобального (тобто всесвітнього) масштабу, системи відліку, пов'язані із Землею, можна з достатньою точністю вважати інерційними.

Інерційними є системи відліку, які рухаються рівномірно і прямолінійно щодо будь-якої інерційної системи відліку.

Галілей встановив, що жодними механічними дослідами, поставленими всередині інерційної системи відліку, неможливо встановити, чи ця система покоїться або рухається рівномірно і прямолінійно. Це твердження називається принципом відносності Галілея або механічного принципу відносності.

Цей принцип був згодом розвинений А. Ейнштейном і є одним із постулатів спеціальної теорії відносності. Інерційні системи відліку відіграють у фізиці виключно важливу роль, тому що, згідно з принципом відносності Ейнштейна, математичне вираження будь-яким законом фізики має однаковий вигляд у кожній інерційній системі відліку. Надалі ми користуватимемося лише інерційними системами (не згадуючи про це щоразу).

Системи відліку, у яких перший закон Ньютона не виконується, називають неінерційними.

До таких систем належить будь-яка система відліку, що рухається із прискоренням щодо інерційної системи відліку.

У механіці Ньютона закони взаємодії тіл формулюються для класу інерційних систем відліку.

Прикладом механічного експерименту, у якому проявляється неінерціальність системи, що з Землею, служить поведінка маятника Фуко. Так називається масивна куля, підвішена на досить довгій нитці і здійснює малі коливання біля положення рівноваги. Якби система, пов'язана із Землею, була інерційною, площина хитань маятника Фуко залишалася б незмінною щодо Землі. Насправді площина хитання маятника внаслідок обертання Землі повертається, і проекція траєкторії маятника на поверхню Землі має вигляд розетки (рис. 1).

Про те, що тілу властиво зберігати не будь-який рух, саме прямолінійний, свідчить, наприклад, наступний досвід (рис. 2). Кулька, що рухалася прямолінійно по плоскій горизонтальній поверхні, стикаючись з перешкодою, що має криволінійну форму, під дією цієї перешкоди змушений рухатися дугою. Однак коли кулька доходить до краю перешкоди, вона перестає рухатися криволінійно і знову починає рухатися прямою. Узагальнюючи результати згаданих (і аналогічних їм) спостережень, можна дійти невтішного висновку, що й дане тіло не діють інші тіла чи його дії взаємно компенсуються, це тіло покоїться чи швидкість його руху залишається незмінною щодо системи відліку, нерухомо пов'язаної з поверхнею Землі.

Питання №6:

Можна побоюватися, що більшості читачів вже набридли теоретичні міркування і вони вимагатимуть навести конкретний прикладінерційної системи у природі. Спробуємо виконати їхнє побажання, наскільки це можливо. Розглянемо конкретний приклад: чи є лтт інерційною системою Земля? Кожен школяр цього скаже: «Усі приклади, які вчитель фізики наводить на уроці, пояснюючи закони Ньютона, стосуються руху тіл Землі. Я розумію це так, що рухи всіх тіл на Землі відбуваються за законами Ньютона. Тому Земля є інерційною системою.

І все ж таки такий висновок не точний. Щоб переконатися в цьому, перенесемося в паризький Пантеон, де в 1851 р. демонстрував свій знаменитий досвід член Французької Академії наук Леон Фуко.

До бані Пантеона підвішений 67-метровий трос, до якого прикріплений мідний вантаж вагою 28 кг. Цей гігантський маятник приводять у вагання. Вже після кількох коливань виявляється дивовижне явище: площина, в якій коливається маятник, починає повільно обертатися. Чому? Фуко пояснив результат досвіду обертанням Землі навколо своєї осі. Земля обертається, а площина хитання маятника не змінюється - це і веде до обертання площини коливань маятника щодо земної поверхні. Ми повністю погодимося з цим поясненням, тільки висловимо його інакше: Земля не є інерційною системою. Площина коливань маятника обертається щодо Землі, проте неможливо виявити будь-яке тіло, яке було б джерелом сили, що викликає це обертання. В даному випадку прискорення (обертання відноситься до прискорених рухів) відбувається без впливу реальної сили. В інерційних системах, де справедливі закони Ньютона, такі явища неможливі.

Землю можна вважати інерційною системою лише приблизно; Іншими словами, Землю ми можемо вважати інерційною системою тільки для опису таких процесів, на які її обертання практично не надає помітного впливу. Переважна кількість навколишніх явищ за своїм характером є саме такими. Тому в практичному житті ми можемо сміливо застосовувати закони Ньютона до рухів Землі.

Те, що Земля не є інерційною системою, підтверджують інші явища. У 1802 р. у Гамбурзі провели досвід, у якому з висоти 76 м на землю падало важке тіло. При цьому виявилося, що тіло падало не точно за напрямом сили тяжкості, що діяла на нього, а відхилялося майже на 1 см на схід. Пояснити це можна лише тим, що Земля є неінерційною системою.

У 1857 р. російський академік Карл Бер встановив відомий закон підмивання річкового берега: у річок, що течуть уздовж меридіана в північній півкулі, правий берег високий, а лівий - низький, у південній півкулі навпаки - лівий берег високий, а правий - низький. Ця закономірність особливо виразно проявляється у великих рік. Високий правий берег мають Ніл, Об, Іртиш, Олена, Волга, Дунай, Дніпро, Дон та ін. Лівий берег вище правого у таких річок південної півкулі, як Парана та Парагвай. Пояснити це можна тільки тим, що води річок, що течуть уздовж меридіанів, у північній півкулі зміщуються вправо (у південній півкулі відповідно вліво), підмиваючи правий берег, а лівий берег, що утворюється з намитого піску, стає пологим.

Чому ж річки, що течуть вздовж меридіана, мають відхилятися убік? З тієї ж причини, через яку обертається площину маятника і відхиляється вільно падаюче тіло. Географ відповість, що це явища обумовлені обертанням Землі навколо своєї осі. Фізик пояснить, що в цьому виражається неінерціальність Землі як тіла відліку. Земля обертається щодо інерційних систем.

Визначити інерційну систему в принципі нескладно: потрібно лише знайти систему відліку, в якій закони Ньютона виконуються точно. Майже це зовсім не так просто. Інерційною системою може бути лише система, пов'язана з вільним тілом. У природі ж, як зазначалося, немає вільних тіл; всі тіла взаємодіють з іншими тілами, хоча це взаємодія і може бути як завгодно малим. Тому не можна вказати в природі конкретної інерційної системи, проте завжди можна знайти систему, яку при вивченні цієї проблеми з достатньою для практики точністю можна вважати інерційною. Потрібну системузавжди слід вибирати так, щоб обумовлені її неінерціальністю явища були меншими, ніж похибка використовуваних вимірювальних приладів. Як ми вже зазначали, при описі більшості земних рухівНашу планету цілком можна вважати інерційною системою. У досвіді Фуко, і навіть щодо руху Землі інерційну систему слід пов'язувати з Сонцем. Рух Сонця можна описати в інерційній системі, пов'язаної з навколишніми зірками (зірки при цьому вважаємо практично нерухомими), а при вивченні обертання Галактики доводиться пов'язувати інерціальну систему з центром маси Галактики.

Пропонуємо до вашої уваги відеоурок, присвячений темі «Інерційні системи відліку. Перший закон Ньютона», яка входить до шкільного курсу фізики за 9 клас. На початку заняття викладач нагадає про важливість обраної системи відліку. А потім розповість про правильність та особливості обраної системи відліку, а також пояснить термін «інерція».

На попередньому уроці говорили про важливість вибору системи відліку. Нагадаємо, що від того, як ми оберемо СО, залежатимуть траєкторія, пройдений шлях, швидкість. Є ще низка особливостей, пов'язаних із вибором системи відліку, саме про них і поговоримо.

Рис. 1. Залежність траєкторії падіння вантажу від вибору системи відліку

У сьомому класі ви вивчали поняття «інерція» та «інертність».

Інерція – це явище, при якому тіло прагне зберегти свій первісний стан. Якщо тіло рухалося, воно має прагнути до того, щоб зберігати швидкість цього руху. А якщо воно спочивало, то прагнутиме зберегти свій стан спокою.

Інертність – це властивістьтіла зберігатиме стан руху.Властивість інертності характеризується такою величиною, як маса. Маса – міра інертності тіла. Чим тіло важче, тим важче зрушити з місця або, навпаки, зупинити.

Зверніть увагу на те, що ці поняття мають безпосереднє відношення до поняття. інерційна система відліку» (ІСО), про яку йтиметься нижче.

Розглянемо рух тіла (чи стан спокою) у разі, якщо тіло не діють інші тіла. Висновок про те, як поводитиметься тіло без дії інших тіл, вперше було запропоновано Рене Декартом (рис. 2) і продовжено в дослідах Галілея (рис. 3).

Рис. 2. Рене Декарт

Рис. 3. Галілео Галілей

Якщо тіло рухається і на нього не діють інші тіла, то рух зберігатиметься, воно залишатиметься прямолінійним і рівномірним. Якщо ж на тіло не діють інші тіла, а тіло спочиває, то зберігатиметься стан спокою. Але відомо, що стан спокою пов'язаний із системою відліку: в одній СО тіло спочиває, а в іншій цілком успішно і прискорено рухається. Результати дослідів і міркувань приводять до висновку про те, що не у всіх системах відліку тіло рухатиметься прямолінійно і рівномірно або перебуватиме у стані спокою за відсутності дії на нього інших тіл.

Отже, для вирішення головного завдання механіки важливо вибрати таку систему звіту, де все-таки виконується закон інерції, де зрозуміла причина, що спричинила зміну руху тіла. Якщо тіло буде рухатися прямолінійно і рівномірно без дії інших тіл, така система відліку буде для нас кращою, а називатися вона буде інерційною системою відліку(ІСО).

Погляд Аристотеля на причину руху

Інерційна система відліку – це зручна модель для опису руху тіла та причин, які викликають такий рух. Вперше це поняття з'явилося завдяки Ісааку Ньютону (рис. 5).

Рис. 5. Ісаак Ньютон (1643-1727)

Стародавні греки уявляли собі рух зовсім інакше. Ми познайомимося з арістотелівською точкою зору на рух (рис. 6).

Рис. 6. Арістотель

Відповідно до Аристотелю, існує єдина інерційна система відліку - система відліку, що з Землею. Всі інші системи відліку, за Аристотелем, другорядні. Відповідно, всі рухи можна розбити на два види: 1) природні, тобто ті, що повідомляє Земля; 2) вимушені, тобто решта.

Найпростіший приклад природного руху - це вільне падіння тіла Землю, оскільки Земля у разі повідомляє тілу швидкість.

Розглянемо приклад примусового руху. Це ситуація, коли кінь тягне віз. Поки кінь докладає силу, віз рухається (рис. 7). Як тільки кінь зупинився, зупинився і віз. Немає сили – немає швидкості. Згідно з Аристотелем, саме сила пояснює у тіла наявність швидкості.

Рис. 7. Примусовий рух

Досі деякі обивателі вважають справедливою думку Аристотеля. Наприклад, полковник Фрідріх Краус фон Циллергут із «Пригоди бравого солдата Швейка під час світової війни» намагався проілюструвати принцип «Немає сили – немає швидкості»: «Коли весь бензин вийшов, – казав полковник, – автомобіль змушений був зупинитися. То я сам учора бачив. І після цього ще говорять про інерцію, панове. Не їде, стоїть, з місця не рушає. Нема бензину! Чи не смішно?»

Як і в сучасному шоу-бізнесі, там де є шанувальники, завжди знайдуться і критики. З'являлися критики і в Аристотеля. Вони пропонували йому зробити наступний експеримент: відпустіть тіло, і воно впаде точно під тим місцем, де ми його відпустили. Наведемо приклад критики теорії Аристотеля, аналогічний прикладам його сучасників. Уявіть, що літак, що летить, викидає бомбу (рис. 8). Чи бомба впаде рівно під тим місцем, де ми її відпустили?

Рис. 8. Ілюстрація наприклад

Звичайно ж ні. Але це природний рух - рух, яке повідомила Земля. Тоді що змушує цю бомбу переміщатися ще й уперед? Аристотель відповідав так: справа в тому, що природний рух, який повідомляє Земля, - це падіння строго вниз. Але при русі в повітрі бомба захоплюється його завихрення, і ці завихрення хіба що штовхають бомбу вперед.

Що ж буде, якщо повітря прибрати та створити вакуум? Адже якщо повітря не буде, то, згідно з Аристотелем, бомба має впасти строго під тим місцем, де її покинули. Аристотель стверджував, якщо повітря не буде, то така ситуація можлива, але насправді в природі не буває порожнечі, вакууму немає. А якщо немає вакууму – немає й проблеми.

І лише Галілео Галілей сформулював принцип інерції у вигляді, якого ми звикли. Причина зміни швидкості - це на тіло інших тіл. Якщо на тіло не діють інші тіла або ця дія компенсована, то швидкість тіла змінюватися не буде.

Можна провести такі міркування щодо інерційної системи відліку. Уявіть ситуацію, коли рухається автомобіль, потім водій вимикає двигун і далі автомобіль рухається за інерцією (рис. 9). Але це некоректне твердження з тієї простої причини, що з часом автомобіль зупиниться внаслідок дії сили тертя. Тому в даному випадку не буде рівномірного руху- Одна з умов відсутня.

Рис. 9. Швидкість автомобіля змінюється внаслідок дії сили тертя

Розглянемо інший випадок: з постійною швидкістю рухається великий, великий трактор у своїй попереду він тягне великий вантаж ковшем. Такий рух можна розглядати як прямолінійний і рівномірний, тому що в цьому випадку всі сили, що діють на тіло, компенсовані, врівноважують одна одну (рис. 10). Отже, систему відліку, що з цим тілом, ми можемо вважати інерційною.

Рис. 10. Трактор рухається рівномірно та прямолінійно. Дія всіх тіл компенсована

Інерційних систем відліку може бути дуже багато. Реально така система відліку все-таки ідеалізована, оскільки при найближчому розгляді таких систем відліку в повному розумінні немає. ISO – це якась ідеалізація, яка дозволяє ефективно моделювати реальні фізичні процеси.

Для інерційних систем відліку справедлива формула складання швидкостей Галілея. Також зауважимо, що всі системи відліку, про які ми говорили раніше, можна вважати інерційними в деякому наближенні.

Вперше сформулював закон, присвячений ISO, Ісаак Ньютон. Заслуга Ньютона полягає в тому, що він перший науково показав, що швидкість тіла, що рухається, змінюється не миттєво, а в результаті якоїсь дії з плином часу. Ось цей факт і ліг основою створення закону, який ми називаємо першим законом Ньютона.

Перший закон Ньютона : існують такі системи відліку, в яких тіло рухається прямолінійно і рівномірно або перебуває у стані спокою в тому випадку, якщо на тіло не діють сили або всі сили, що діють на тіло, компенсовані. Такі системи відліку називають інерційними.

Інакше іноді кажуть так: інерційною системою відліку називається така система, де виконуються закони Ньютона.

Чому Земля – неінерційна СО. Маятник Фуко

В велику кількістьзадач необхідно розглядати рух тіла щодо Землі, причому Землю ми вважаємо інерційною системою відліку. Виявляється, це твердження не завжди є справедливим. Якщо розглядати рух Землі щодо своєї осі або щодо зірок, це рух відбувається з деяким прискоренням. СО, яка рухається з деяким прискоренням не може вважатися інерційною у сенсі.

Земля обертається навколо своєї осі, а значить всі точки, що лежать на її поверхні, безперервно змінюють напрямок своєї швидкості. Швидкість – векторна величина. Якщо її напрямок змінюється, з'являється деяке прискорення. Отже, Земля може бути правильної ИСО. Якщо підрахувати це прискорення для точок, що знаходяться на екваторі (точки, які мають максимальне прискорення щодо точок, що знаходяться ближче до полюсів), то його значення буде . Індекс показує, що прискорення є доцентровим. У порівнянні з прискоренням вільного падіння, прискоренням можна знехтувати та вважати Землю інерційною системою відліку.

Проте за тривалих спостереженнях забувати про обертанні Землі не можна. Переконливо це засвідчив французький вчений Жан Бернар Леон Фуко (рис. 11).

Рис. 11. Жан Бернар Леон Фуко (1819-1868)

Маятник Фуко(Рис. 12) - це масивний вантаж, підвішений на дуже довгій нитці.

Рис. 12. Модель маятника Фуко

Якщо маятник Фуко вивести зі стану рівноваги, він описуватиме наступну траєкторію відмінну від прямої (рис. 13). Усунення маятника обумовлено обертанням Землі.

Рис. 13. Коливання маятника Фуко. Вид зверху.

Повертанням Землі обумовлений ще ряд цікавих фактів. Наприклад, у річках північної півкулі, як правило, правий берег крутіший, а лівий берег більш пологий. У річках південної півкулі – навпаки. Все це обумовлено саме обертанням Землі і сили Коріоліса, що з'являється в результаті цього.

До питання про формулювання першого закону Ньютона

Перший закон Ньютона: якщо на тіло не діють жодні тіла або їх дія взаємно врівноважена (компенсована), то це тіло перебуватиме в стані спокою або рухатиметься рівномірно та прямолінійно.

Розглянемо ситуацію, яка вкаже нам на те, що таке формулювання першого закону Ньютона необхідно підкоригувати. Уявіть собі поїзд із завішаними вікнами. У такому поїзді пасажир не може визначити, рухається поїзд чи ні по об'єктах зовні. Розглянемо дві системи відліку: СО, пов'язана з пасажиром Володей та СО, пов'язана із спостерігачем на платформі Катей. Потяг починає розганятися, його швидкість збільшується. Що станеться із яблуком, яке лежить на столі? Воно за інерцією покотиться у протилежний бік. Для Каті буде очевидним, що яблуко рухається за інерцією, але для Володі це буде незрозуміло. Він не бачить, що потяг почав свій рух, і раптом яблуко, що лежить на столі, починає котитися на нього. Як таке може бути? Адже, за першим законом Ньютона, яблуко має залишатися у стані спокою. Отже, слід удосконалити визначення першого закону Ньютона.

Рис. 14. Ілюстрація прикладу

Коректне формулювання першого закону Ньютоназвучить так: існують такі системи відліку, у яких тіло рухається прямолінійно і рівномірно або перебуває у стані спокою у тому випадку, якщо на тіло не діють сили або всі сили, що діють на тіло, компенсовані.

Володя перебуває у неінерційній системі відліку, а Катя – в інерційній.

Більшість систем, реальних систем відліку - неінерційні. Розглянемо простий приклад: сидячи у поїзді, ви поклали на стіл якесь тіло (наприклад, яблуко). Коли поїзд рушає з місця, ми спостерігатимемо таку цікаву картину: яблуко рухатиметься, покотиться у протилежний рух поїзда вбік (рис. 15). В даному випадку ми не зможемо визначити, які тіла діють, змушують яблуко рухатися. І тут кажуть, що система неінерційна. Але можна вийти зі становища, ввівши силу інерції.

Рис. 15. Приклад неінерційної СО

Ще один приклад: коли тіло рухається по закругленню дороги (рис. 16), виникає сила, яка змушує відхилятися тіло від прямолінійного напрямку руху. У цьому випадку ми теж маємо розглянути неінерційну систему відлікуАле, як і в попередньому випадку, теж можемо вийти зі становища, вводячи т.з. сили інерції.

Рис. 16. Сили інерції під час руху по закругленій траєкторії

Висновок

Систем відліку існує безліч, але серед них більшість - це ті, які ми інерційними системами відліку вважати не можемо. Інерційна система відліку – це ідеалізована модель. До речі, такою системою відліку ми можемо прийняти систему відліку, пов'язану із Землею чи будь-якими далекими об'єктами (наприклад, із зірками).

Список літератури

1. Кікоін І.К., Кікоін А.К. Фізика: Підручник для 9 класу середньої школи. - М: Просвітництво.
2. Перишкін А.В., Гутнік О.М. фізика. 9 кл.: підручник для загальноосвіт. установ / А. В. Перишкін, Є. М. Гутник. - 14-те вид., стереотип. – М.: Дрофа, 2009. – 300.
3. Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Фізика: Довідник із прикладами розв'язання задач. - 2-ге видання, переділ. – X.: Веста: Видавництво «Ранок», 2005. – 464 с.

1. Інтернет-портал «physics.ru» ()
2. Інтернет-портал «ens.tpu.ru» ()
3. Інтернет-портал «prosto-o-slognom.ru» ()

Домашнє завдання

1. Сформулюйте визначення інерційної та неінерційної систем відліку. Наведіть приклади таких систем.
2. Сформулюйте перший закон Ньютона.
3. В ІСО тіло перебуває у стані спокою. Визначте, чому значення його швидкості в ІСО, яка рухається щодо першої системи відліку зі швидкістю v?

На будь-яке тіло можуть впливати інші тіла, його оточуючі, внаслідок чого може змінитися стан руху (спокою) тіла, що спостерігається. Разом про те такі впливу може бути скомпенсовані (урівноважені) і викликати таких змін. Коли кажуть, що дії двох або кількох тіл компенсують один одного, то це означає, що результат їхньої спільної дії такий самий, як би цих тіл зовсім не було. Якщо вплив на тіло інших тіл компенсується, то щодо Землі тіло перебуває або у спокої, або рухається прямолінійно та рівномірно.

Таким чином, ми приходимо до одного з основних законів механіки, який називається першим законом Ньютона.

1-й закон Ньютона (закон інерції)

Існують такі системи відліку, в яких тіло, що поступово рухається, знаходиться в стані спокою або рівномірного прямолінійного руху (руху за інерцією) до тих пір, поки впливи з боку інших тіл не виведуть його з цього стану.

Щодо сказаного, зміна швидкості тіла (тобто прискорення) завжди викликається впливом цього тіла будь-яких інших тіл.

1-й закон Ньютона виконується тільки в інерційній системі відліку.

Визначення

Системи відліку, щодо яких тіло, яке не відчуває на собі впливу інших тіл, спочиває або рухається рівномірно і прямолінійно, називаються інерційними.

Встановити, чи ця система відліку інерційною, можна лише досвідченим шляхом. Найчастіше вважатимуться інерціальними системи відліку, пов'язані із Землею чи з тілами відліку, які стосовно земної поверхні рухаються рівномірно і прямолінійно.

Рисунок 1. Інерційні системи відліку

В даний час експериментально підтверджено, що практично інерційна геліоцентрична система відліку, пов'язана з центром Сонця та трьома "нерухомими" зірками.

Будь-яка інша система відліку, що рухається щодо інерційної рівномірно і прямолінійно, сама є інерційною.

Галілей встановив, що жодними механічними дослідами, поставленими всередині інерційної системи відліку, неможливо встановити, чи ця система покоїться або рухається рівномірно і прямолінійно. Це твердження називається принципом відносності Галілея, або механічного принципу відносності.

Цей принцип був згодом розвинений А. Ейнштейном і є одним із постулатів спеціальної теорії відносності. ІСО грають у фізиці винятково важливу роль, оскільки, згідно з принципом відносності Ейнштейна, математичне вираження будь-якого закону фізики має однаковий вигляд у кожній ІСО.

Якщо тіло відліку рухається з прискоренням, то пов'язана з ним система відліку є неінерційною, і в ній перший закон Ньютона несправедливий.

Властивість тіл зберігати у часі свій стан (швидкість руху, напрямок руху, стан спокою тощо) називають інертністю. Саме явище збереження швидкості тілом, що рухається, при відсутності зовнішніх впливів називається інерцією.

Рисунок 2. Прояви інерції в автобусі на початку руху та гальмуванні

З проявом інертності тіл часто зустрічаємося у повсякденності. При різкому прискоренні автобуса пасажири, що у ньому, нахиляються назад (рис.2, а), а при різкому гальмуванні автобуса нахиляються вперед (рис. 2, б), а при повороті автобуса вправо - до його лівої стінки. При великому прискоренні літака, що злітає, тіло пілота, прагнучи зберегти початковий стан спокою, притискається до сидіння.

Інертність тіл наочно проявляється при різкій зміні прискорень тіл системи, коли інерційна система відліку змінюється неінерційною, і навпаки.

Інертність тіла прийнято характеризувати його масою (інертною масою).

Сила, що діє на тіло з боку неінерційної системи відліку, називається силою інерції.

Якщо на тіло в неінерціальній системі відліку одночасно діють кілька сил, одні з яких є "звичайними" силами, а інші - інерціальними, то тіло випробовуватиме одну результуючу силу, що є векторною сумою всіх сил, що на нього діють. Ця результуюча сила не є силою інерції. Сила інерції – це лише складова результуючої сили.

Якщо паличку, що підвішена на двох тонких нитках, повільно потягнути за шнур, прикріплений до її центру, то:

1. паличка зламається;
2. обірветься шнур;
3. обірветься одна з ниток;
4. можливий будь-який варіант, залежно від прикладеної сили

Малюнок 4

Сила прикладена до середини палички, у місці підвісу шнура. Оскільки, за 1 законом Ньютона, всяке тіло має інертність, частина палички в точці підвісу шнура буде рухатися під дією прикладеної сили, а інші частини палички, на які сила не діє, залишаться у спокої. Тому зламається паличка у точці підвісу.

Відповідь. Правильна відповідь 1.

Людина везе двоє зв'язаних саней, прикладаючи силу з точки 300 до горизонту. Знайдіть цю силу, якщо відомо, що сани рухаються поступово. Маси саней по 40 кг. Коефіцієнт тертя 0,3.

$т_1$ = $т_2$ = $m$ = 40 кг

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

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

$g$ = 9.8 м/с2

Малюнок 5

Так як сани рухаються з постійною швидкістю, то за першим законом Ньютона сума сил, що діють на сани, дорівнює нулю. Запишемо перший закон Ньютона для кожного тіла відразу в проекції на осі, і додамо закон сухого тертя Кулона для саней:

Вісь ОХ Вісь OY

\[\left\( \begin(array)(c) T-F_(тр1)=0 \\ F_(тр1)=\mu N_1 \\ F_(тр2)=\mu N_2 \\ F(cos \alpha - \ )F_(тр2)-T=0 \end(array) \right.\left\( \begin(array)(c) \end(array) \right.\]

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

Загальний курс фізики

Вступ.

Фізика (грец., від physis - природа), наука про природу, що вивчає найпростіші і водночас найбільше загальні властивості матеріального світу(закономірності явищ природи, якості та будова матерії та закони її руху). Поняття фізики та її закони лежать в основі всього природознавства. Фізика відноситься до точних наук та вивчає кількісні закономірності явищ. Тому, звісно, ​​мовою фізики є математика.

Матерія може існувати у двох основних формах: речовина та поле. Вони взаємопов'язані між собою.

Приклади: щество – тверді тіла, рідини, плазми, молекули, атоми, елементарні частинки і т.д.

Поле– електромагнітне поле (кванти (порції) поля – фотони);

гравітаційне поле (кванти поля – гравітони).

Взаємозв'язок речовини та поля- анігіляція електронно-позитронної пари.

Фізика, безумовно, є світоглядною наукою, а знання її основ – необхідний елементбудь-якої освіти, культури сучасної людини.

У той же час фізика має велике прикладне значення. Саме їй зобов'язана абсолютна більшість технічних, інформаційних та комунікаційних досягнень людства.

Більше того, останні десятиліття фізичні методиДослідження знаходять все більше застосування в, здавалося б, далеких від фізики науках, таких як соціологія та економіка.

Класична механіка

Механіка – розділ фізики, у якому вивчається найпростіша формаруху матерії – переміщення тіл у просторі та часі.

Спочатку основні принципи (закони) механіки як науки були сформульовані І. Ньютон у вигляді трьох законів, що отримали його ім'я.

Використовуючи векторний спосіб опису, швидкість можна визначити як похідну від радіус-вектора точки або тіла , А маса виступає тут як коефіцієнт пропорційності.

1. При взаємодії двох тіл кожне з них діє інше тіло з однаковою за значенням, але протилежною за напрямом силою.

Ці закони випливають із досвіду. Там побудована вся класична механіка. Довгий часвважалося, що це явища можуть бути описані цими законами. Проте з часом розширювалися межі людських можливостей, і досвід показав, що закони Ньютона справедливі який завжди, а класична механіка, як наслідок, має певні межі застосування.

Крім того, дещо пізніше ми звернемося до класичної механіки з дещо іншого боку – виходячи із законів збереження, які в певному сенсі є більш загальними законами фізики, ніж закони Ньютона.

1.2. Межі застосування класичної механіки.

Перше обмеження пов'язане зі швидкостями об'єктів, що розглядаються. Досвід показав, що закони Ньютона залишаються справедливими лише за умови , де швидкість світла у вакуумі ( ). При цих швидкостях лінійні масштабита проміжки часу не змінюються при переході від однієї системи відліку до іншої. Тому простір та час абсолютніу класичній механіці.

Отже, традиційна механіка визначає рух із малими відносними швидкостями, тобто. це нерелятивістська фізика. Обмеження з боку високих швидкостей – перше обмеження застосування класичної механіки Ньютона.

Крім того, досвід показує, що застосування законів ньютонівської механіки є неправомірним до опису мікрооб'єктів: молекул, атомів, ядер, елементарних частинокі т.д. Починаючи з розмірів

(), адекватний опис явищ, що спостерігаються, дають інші

закони – квантові. Саме їх необхідно використовувати, коли характерна величина, що описує систему та має розмірність Скажімо, для електрона, що знаходиться в атомі, маємо . Тоді величина, має розмірність моменту імпульсу, дорівнює: .

Будь-яке фізичне явище – це послідовність подій. подієюназивається те, що відбувається в даній точці простору в Наразічасу.

Для опису подій вводяться простір та час– категорії, що позначають основні форми існування матерії. Простір виражає порядок існування окремих об'єктів, а час – порядок зміни явищ. Простір та час необхідно розмітити. Розмітка здійснюється шляхом запровадження тіл відліку та реперних (масштабних) тіл.

Системи відліку. Інерційні системи відліку.

Для опису руху тіла або моделі - матеріальної точки може бути застосований векторний спосібописи, коли положення об'єкта, що цікавить нас, задають за допомогою радіус-вектора відрізка, спрямованого від тіла відліку в точку, що цікавить нас, положення якої в просторі може змінюватися з часом. Геометричне місце кінців радіус-вектора називають траєкторієюрухомої точки.

2.1. Системи координат.

Іншим способом опису руху тіла є координатний, В якому з тілом відліку жорстко пов'язують певну систему координат.

У механіці, і у фізиці взагалі, у різних завданнях зручно користуватися різними системамикоординат. Найчастіше використовуються, так звані, декартова, циліндрична та сферичнасистеми координат.

1) Декартова система координат: вводяться три взаємно перпендикулярні осі із заданими масштабами по всіх трьох осях (лінійки). Початок відліку по всіх осях береться від тіла. Межі зміни кожної координат від до .

Радіус-вектор, що задає положення точки, визначається через її координати як

. (2.1)

Малий об'єм у декартовій системі:

,

або в нескінченно малих приростах:

(2.2)

2) Циліндрична система координат: як змінні вибираються відстань від осі , кут повороту від осі x і висота вздовж осі від тіла відліку.

3) Сферична система координат: вводиться відстань від тіла відліку до точки і кути, що цікавить.

повороту і , що відраховуються від осей і відповідно.

Радіус-вектор – функція змінних

,

межі зміни координат:

Декартові координати пов'язані зі сферичними наступними співвідношеннями

(2.6)

Елемент обсягу у сферичних координатах:

(2.7)

2.2. Система відліку.

Для побудови системи відліку жорстко пов'язану із тілом відліку систему координат необхідно доповнити годинами. Годинник може перебувати в різних точкахпростору, тому їх потрібно синхронізувати. Синхронізація годинника здійснюється за допомогою сигналів. Нехай час поширення сигналу з точки, де сталася подія, до точки спостереження дорівнює . Тоді наш годинник повинен у момент появи сигналу показувати час , якщо годинник у точці події в момент його наступу показує час . Такий годинник будемо вважати синхронізованим.

Якщо відстань від точки простору, де сталася подія, до точки спостереження , а швидкість передачі сигналу , то . У класичній механіці приймається, що швидкість розповсюдження сигналу . Тому вводиться один годинник у всьому просторі.

Сукупність тіла відліку, системи координат та годинутворюють Систему відліку(ЗІ).

Є безліч систем відліку. Досвід дає, що поки що швидкості невеликі в порівнянні зі швидкістю світла , лінійні масштаби та проміжки часу не змінюютьсяпід час переходу з однієї системи відліку до іншої.

Інакше кажучи, у класичній механіці простір та час абсолютні.

Якщо , то масштаби та інтервали часу залежить від вибору СО, тобто. простір та час стають поняттями відносними. Це вже область релятивістської механіки.

2.3.Інерційні системи відліку(ІСО).

Отже, ми стоїмо перед вибором системи відліку, де могли б вирішувати завдання механіки (описувати рух тіл і встановлювати причини, що його викликають). З'ясовується, що далеко не всі системи відліку рівноправні не тільки при формальному описі завдання, але, що важливіше, по-різному становлять причини, що викликають зміну стану тіла.

Систему відліку, в якій закони механіки формулюються найпростіше, дозволяє встановити перший закон Ньютона, який постулює існування інерційних систем відліку- ІСО.

I закон класичної механіки – закон інерції Галілея-Ньютона.

Існує така система відліку, у якій матеріальна точка, якщо виключити її взаємодію з рештою тіла, буде рухатися за інерцією, тобто. зберігати стан спокою або рівномірного прямолінійного руху.

Це інерційна система відліку (ІСО).

В ІСО зміна руху матеріальної точки (прискорення) зумовлено лише її взаємодією з іншими тілами, але не залежить від властивостей самої системи відліку.