Starożytni filozofowie próbowali zrozumieć istotę ruchu, ujawnić wpływ gwiazd i Słońca na człowieka. Ponadto ludzie zawsze starali się identyfikować siły, które działają na punkt materialny w trakcie jego ruchu, a także w momencie spoczynku.
Arystoteles wierzył, że przy braku ruchu na ciało nie działają żadne siły. Spróbujmy dowiedzieć się, które układy odniesienia nazywamy inercjami, podamy ich przykłady.
Stan spoczynku
W życiu codziennym trudno jest wykryć taki stan. W prawie wszystkich rodzajach ruchu mechanicznego zakłada się obecność sił zewnętrznych. Powodem jest siła tarcia, która nie pozwala wielu obiektom opuścić ich pierwotnej pozycji, aby wyjść ze stanu spoczynku.
Rozważając przykłady bezwładnościowych układów odniesienia, zauważamy, że wszystkie odpowiadają pierwszemu prawu Newtona. Dopiero po jego odkryciu możliwe było wyjaśnienie stanu spoczynku, wskazanie sił działających w tym stanie na organizm.
Sformułowanie pierwszego prawa Newtona
We współczesnej interpretacji wyjaśnia istnienie układów współrzędnych, w odniesieniu do których można rozważyć brak sił zewnętrznych działających na punkt materialny. Z punktu widzenia Newtona systemy odniesienia nazywane są inercyjnymi, co pozwala nam rozważyć zachowanie prędkości ciała przez długi czas.
Definicje
Które układy odniesienia są bezwładnościowe? Przykłady z nich są badane na szkolnym kursie fizyki. Za bezwładnościowe układy odniesienia uważa się te, względem których punkt materialny porusza się ze stałą prędkością. Newton wyjaśnił, że każde ciało może znajdować się w podobnym stanie, o ile nie ma potrzeby przykładania do niego sił, które mogą zmienić taki stan.
W rzeczywistości prawo bezwładności nie jest spełnione we wszystkich przypadkach. Analizując przykłady układów bezwładnościowych i nieinercjalnych, rozważ osobę trzymającą się poręczy w poruszającym się pojeździe. Gdy samochód gwałtownie hamuje, osoba automatycznie porusza się względem pojazdu, pomimo braku siły zewnętrznej.
Okazuje się, że nie wszystkie przykłady inercjalnego układu odniesienia odpowiadają sformułowaniu 1 prawa Newtona. Aby wyjaśnić prawo bezwładności, wprowadzono dopracowaną definicję układów odniesienia, w której jest ono nienagannie spełnione.
Rodzaje systemów referencyjnych
Jakie systemy odniesienia nazywamy inercjami? Wkrótce stanie się jasne. "Podaj przykłady bezwładnościowych układów odniesienia, w których spełnione jest 1 prawo Newtona" -podobne zadanie otrzymują uczniowie, którzy wybrali fizykę jako egzamin w dziewiątej klasie. Aby poradzić sobie z tym zadaniem, konieczne jest posiadanie wyobrażenia o inercjalnych i nieinercjalnych układach odniesienia.
Bezwładność polega na zachowaniu spoczynkowego lub równomiernego ruchu prostoliniowego ciała tak długo, jak ciało znajduje się w izolacji. Ciała „izolowane” to te, które nie są połączone, nie oddziałują, są od siebie oddzielone.
Rozważmy kilka przykładów inercyjnego układu odniesienia. Zakładając gwiazdę w galaktyce jako punkt odniesienia, a nie poruszający się autobus, wdrożenie prawa bezwładności dla pasażerów trzymających się szyn będzie bezbłędne.
Podczas hamowania ten pojazd będzie nadal poruszał się jednostajnie po linii prostej, dopóki nie uderzą na niego inne ciała.
Jakie przykłady inercyjnego układu odniesienia możesz podać? Nie powinny mieć połączenia z analizowanym ciałem, wpływać na jego bezwładność.
To dla takich systemów spełnione jest pierwsze prawo Newtona. W prawdziwym życiu trudno jest rozważać ruch ciała względem inercjalnych układów odniesienia. Niemożliwe jest dotarcie do odległej gwiazdy w celu przeprowadzenia z niej ziemskich eksperymentów.
Ziemia jest akceptowana jako warunkowy układ odniesienia, mimo że jest powiązana z umieszczonymi na niej obiektami.
Możliwe jest obliczenie przyspieszenia w bezwładnościowym układzie odniesienia, jeśli weźmiemy pod uwagę powierzchnię Ziemi jako układ odniesienia. W fizyce nie ma matematycznego zapisu pierwszego prawa Newtona, ale to on jest podstawąwyprowadzenie wielu fizycznych definicji i terminów.
Przykłady inercyjnych układów odniesienia
Uczniowie czasami mają trudności ze zrozumieniem zjawisk fizycznych. Uczniom dziewiątej klasy proponuje się zadanie o następującej treści: „Jakie układy odniesienia nazywamy inercjami? Podaj przykłady takich systemów. Załóżmy, że wózek z piłką początkowo porusza się po płaskiej powierzchni ze stałą prędkością. Następnie porusza się po piasku, w wyniku czego kulka wprawiana jest w ruch przyspieszony, mimo że nie działają na nią żadne inne siły (ich łączny efekt wynosi zero).
Istotę tego, co się dzieje można wytłumaczyć tym, że poruszając się po piaszczystej powierzchni system przestaje być bezwładny, ma stałą prędkość. Przykłady inercjalnych i nieinercjalnych układów odniesienia wskazują, że ich przejście następuje w określonym czasie.
Kiedy ciało przyspiesza, jego przyspieszenie ma wartość dodatnią, a podczas hamowania wartość ta staje się ujemna.
Ruch krzywoliniowy
W stosunku do gwiazd i Słońca ruch Ziemi odbywa się po krzywoliniowej trajektorii, która ma kształt elipsy. Ten układ odniesienia, w którym środek jest zrównany ze Słońcem, a osie są skierowane do określonych gwiazd, będzie uważany za bezwładnościowy.
Zauważ, że każdy układ odniesienia, który będzie poruszał się po linii prostej i jednostajnie względem heliocentrycznegosystem jest inercyjny. Ruch krzywoliniowy odbywa się z pewnym przyspieszeniem.
Biorąc pod uwagę fakt, że Ziemia porusza się wokół własnej osi, układu odniesienia, który jest powiązany z jej powierzchnią, względem ruchów heliocentrycznych z pewnym przyspieszeniem. W takiej sytuacji możemy stwierdzić, że układ odniesienia, który jest połączony z powierzchnią Ziemi, porusza się z przyspieszeniem względem heliocentrycznego, a więc nie można go uznać za inercyjny. Jednak wartość przyspieszenia takiego układu jest tak mała, że w wielu przypadkach znacząco wpływa na specyfikę rozważanych względem niego zjawisk mechanicznych.
Aby rozwiązać praktyczne problemy natury technicznej, zwyczajowo uważa się za inercyjny układ odniesienia, który jest sztywno połączony z powierzchnią Ziemi.
Galilejska teoria względności
Wszystkie inercyjne układy odniesienia mają ważną właściwość, którą opisuje zasada względności. Jej istota polega na tym, że każde zjawisko mechaniczne w tych samych warunkach początkowych odbywa się w ten sam sposób, niezależnie od wybranego układu odniesienia.
Równość ISO zgodnie z zasadą względności wyraża się w następujących postanowieniach:
- W takich systemach prawa mechaniki są takie same, więc każde opisane przez nie równanie, wyrażone za pomocą współrzędnych i czasu, pozostaje niezmienione.
- Wyniki trwających eksperymentów mechanicznych umożliwiają ustalenie, czy układ odniesienia będzie w spoczynku, czy teżprostoliniowy ruch jednostajny. Każdy system można warunkowo rozpoznać jako nieruchomy, jeśli drugi w tym samym czasie porusza się względem niego z określoną prędkością.
- Równania mechaniki pozostają niezmienione w odniesieniu do transformacji współrzędnych w przypadku przejścia z jednego układu do drugiego. Możesz opisać to samo zjawisko w różnych systemach, ale ich fizyczna natura się nie zmieni.
Rozwiązywanie problemów
Pierwszy przykład.
Określ, czy inercyjny układ odniesienia jest: a) sztucznym satelitą Ziemi; b) atrakcja dla dzieci.
Odpowiedź. W pierwszym przypadku nie ma mowy o bezwładnościowym układzie odniesienia, ponieważ satelita porusza się po orbicie pod wpływem siły grawitacji, dlatego ruch odbywa się z pewnym przyspieszeniem.
Przyciąganie również nie może być uważane za system bezwładnościowy, ponieważ jego ruch obrotowy następuje z pewnym przyspieszeniem.
Drugi przykład.
System raportowania jest ściśle połączony z windą. W jakich sytuacjach można go nazwać inercyjnym? Jeżeli winda: a) spadnie; b) porusza się równomiernie w górę; c) szybko rośnie d) równomiernie skierowany w dół.
Odpowiedź. a) Podczas swobodnego spadania pojawia się przyspieszenie, więc układ odniesienia powiązany z windą nie będzie bezwładnościowy.
b) Przy równomiernym ruchu windy system jest bezwładnościowy.
c) Podczas poruszania się z pewnym przyspieszeniem układ odniesienia jest uważany za bezwładnościowy.
d) Winda porusza się powoli, ma ujemne przyspieszenie, więc nie możeszwywołaj układ inercyjny układu odniesienia.
Wniosek
Przez cały czas swojego istnienia ludzkość próbowała zrozumieć zjawiska zachodzące w przyrodzie. Próby wyjaśnienia względności ruchu podjął Galileo Galilei. Izaakowi Newtonowi udało się wyprowadzić prawo bezwładności, które zaczęto stosować jako główny postulat w obliczeniach w mechanice.
Obecnie system wykrywania pozycji ciała obejmuje ciało, urządzenie do określania czasu oraz układ współrzędnych. W zależności od tego, czy ciało jest w ruchu, czy nieruchome, można scharakteryzować położenie określonego obiektu w żądanym czasie.
