какую систему можно считать инерциальной
Инерциальные системы отсчета.
Инерциальными системами отсчета называют такие системы, относительно которых все тела, не испытывающие действия сил, движутся равномерно и прямолинейно.
Если какая-либо система отсчета движется относительно инерциальной системы поступательно, но не прямолинейно и равномерно, а с ускорением или же вращаясь, то такая система не может быть инерциальной и закон инерции в ней не выполняется.
Во всех инерциальных системах отсчета все механические и физические процессы протекают совершенно одинаково (при одинаковых условиях).
Согласно принципу относительности, все инерциальные системы отсчета равноправны и все проявления законов физики в них выглядят одинаково, а записи этих законов в разных инерциальных системах отсчета имеют одинаковую форму.
Если в изотропном пространстве существует хотя бы одна инерциальная система отсчета, приходим к выводу, что существует бесконечное множество таких систем, движущихся друг относительно друга поступательно, равномерно и прямолинейно. Если инерциальные системы отсчета существуют, то пространство однородно и изотропно, а время – однородно.
Законы Ньютона и другие законы динамики выполняются только в инерциальных системах отсчета.
Рассмотрим пример инерциальной и неинерциальной систем. Возьмем тележку, на которой находятся два шарика. Один из них лежит на горизонтальной поверхности, а другой подвешен на нити. Сначала тележка движется относительно Земли прямолинейно и равномерно (а). Силы, действующие на каждый шарик по вертикали, уравновешены, а по горизонтали на шарики никакие силы не действуют (силу сопротивления воздуха можно проигнорировать).
При любой скорости движения тележки относительно земли (υ1, υ2, υ3 и т.д.) шарики будут находиться в покое относительно тележки, главное, чтобы скорость была постоянной.
Однако, когда тележка наедет на песчаную насыпь (б), ее скорость начнет быстро уменьшаться, в результате чего тележка остановится. Во время торможения тележки оба шарика придут в движение – изменят свою скорость относительно тележки, хотя их никакие силы не толкают.
В этом примере первой (условно неподвижной) системой отсчета является Земля. Вторая система отсчета, движущаяся относительно первой – тележка. Пока тележка двигалась равномерно и прямолинейно, шарики находились в покое относительно тележки, т. е. выполнялся закон инерции. Как только тележка стала тормозить, т. е. начала двигаться с ускорением относительно инерциальной (первой) системы отсчета, закон инерции перестал выполняться.
Строго инерциальной системы отсчета нет. Реальная система отсчета всегда связывается с каким-нибудь конкретным телом, по отношению к которому изучается различных объектов. Все реальные тела движутся с каким-либо ускорением, следовательно любая реальная система отсчета может рассматриваться в качестве инерциальной лишь приближенно.
Инерциальной системой с очень высокой степенью точности считается гелиоцентрическая система, связанная с центром Солнца и координатными осями, направленными на три далекие звезды. Эту систему используют в задачах небесной механики и космонавтики. В большинстве технических задач инерциальной системой отсчета считают любую систему, жестко связанную с землей (или любым телом, которое покоится или движется прямолинейно и равномерно относительно поверхности Земли).
Удивительное об инерциальных системах
Первая редакция опубликована на сайте
http://zhurnal.lib.ru/z/zhmudx_w_a/systems.shtml
Инерциальными системами названы системы, в которых тело может оставаться в покое или двигаться равномерно прямолинейно сколь угодно долго в отсутствии сторонних сил. Возможность и необходимость такого движения здесь тождественны. Казалось бы, всё просто и понятно с младых ногтей.
Однако:
Обращает на себя внимание отсутствие в природе подобных систем.
Мы сами не находимся в инерциальной системе. Система, связанная с поверхностью Земли, инерционной не является, поскольку поверхность Земли вращается, а вся Земля движется вокруг Солнца. Даже в ограниченном пространстве маятник Фуко позволяет выявить отличия этой системы от инерциальной. Проявление сил Кориолиса и отклонение маятника Фуко выявляют вращательное движение тела. Мы допускаем существование такой системы, в которой бы проявления этих сил не было, и такую систему можно было бы назвать условно инерциальной.
Обращение вокруг Солнца не выявляется этими экспериментами в замкнутом пространстве вблизи поверхности Земли. Поэтому, кажется, нет оснований для отторжения подобной системы от определения «инерциальной», вопреки тому факту, что такая система отнюдь не покоится, а движется, причем не прямолинейно, а, следовательно, и не равномерно, и даже не равноускоренно (вектор ускорения меняется). Мы не ставим вопроса, должна ли такая система характеризоваться полным отсутствием вращения относительно системы, связанной с Солнцем, или же она должна вращаться таким образом, чтобы одна и та же точка постоянно была направлена на Солнце. Видимо, именно вторая система не будет отличаться от инерциальной системы в опытах в замкнутом пространстве с маятником Фуко.
Итак, вращение астрономического объекта вносит определенные сложности, и можем отметить, что существует, по-видимому, одна и только одна система, связанная с этим объектом, которая наиболее близко отвечает понятию инерциальной для экспериментов вблизи поверхности этого объекта, но всё-таки не тождественна инерциальной системе.
Примеры с шайбой на льду убедительны только на малых расстояниях и малых временах.
На больших расстояниях, где искривление Земли было бы заметным, траектория шайбы должна повторять это искривление. Шайба не будет двигаться «равномерно и прямолинейно» сколь угодно долго по той простой причине, что она не движется «равномерно и прямолинейно» и на малых интервалах. Просто НА МАЛЫХ ИНТЕРВАЛАХ ЭТО НЕ ЗАМЕТНО.
Отклонение от прямолинейной траектории лежит в пределах метрологической чувствительности метода. Но чисто теоретически если шайба движется прямолинейно вблизи планеты, то расстояние до центра масс меняется, следовательно, сила притяжения также меняется. Если ледяная опора обеспечивает в этих условиях прямолинейность движения, то будет меняться скорость движения тела. Если же лед повторяет по форме сферу и тело движется перпендикулярно силе притяжения, то меняется направление движения этого тела. Итак, ПРЯМОЛИНЕЙНОЕ РАВНОМЕРНОЕ ДВИЖЕНИЕ НЕ МОЖЕТ БЫТЬ РЕАЛИЗОВАНО ВБЛИЗИ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ, поскольку нет требуемой ситуации с отсутствием сторонних сил.
Если бы мы вышли в космос, то наличие астрономических объектов все равно обеспечит действие сил притяжения с некоторой равнодействующей ненулевой силой.
Если мы ищем инерциальные системы без предварительного ограничения пространства и времени, в котором эта задача решается, то МЫ НАТАЛКИВАЕМСЯ НА НЕПРЕОДОЛИМОЕ ПРОТИВОРЕЧИЕ.
Не только ни одна система не является инерциальной, но и если нам удалось найти некоторую приблизительно инерциальную систему, то система, которая движется относительно неё равномерно и прямолинейно УЖЕ СОВЕРШЕННО ТОЧНО ИНЕРЦИАЛЬНОЙ ВОВСЕ НЕ ЯВЛЯЕТСЯ.
Если бы физики всегда помнили бы об этом! Тогда не было бы попыток из опыта Майкельсона конструировать теоретические положения, распространяющиеся в область космологии, теории возникновения и развития вселенной, футурологии и других наук, занимающихся ЭКСТРАПОЛЯЦИЕЙ!
Получается, что МЫ ДОЛЖНЫ ВВОДИТЬ ОПРЕДЕЛЕНИЕ «ИНЕРЦИАЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ КРАТКОВРЕМЕННО ПРОИЗВОДИМЫХ ОПЫТОВ»?
Проблема не только в этом. Мне могут возразить: «Какое нам дело до того, что в примере со спутником не удается считать его длительно инерциальным объектом? Зачем обсуждать, что это искусственное пространство замкнуто само на себя? Мы можем рассмотреть систему, связанную с Солнцем, и этой проблемы не будет!»
Но загвоздка-то как раз в том и состоит, что эта проблема будет и в том случае, если мы будем рассматривать систему, связанную с Солнцем.
РАССМОТРЕННАЯ ПРОБЛЕМА НЕ ПРЕОДОЛИМА В ПРИНЦИПЕ.
Наблюдение 3. Рассмотрение поведения объектов в системе НА БОЛЬШИХ РАССТОЯНИЯХ вынуждает переходить к более глобальной системе, в которой предыдущая система уже не оказывается инерциальной.
Поскольку при больших скоростях объекты могут достигать больших расстояний за малые времена, следствием Наблюдения 3 будет следующее наблюдение:
Наблюдение 4. Рассмотрение поведения объектов в системе при больших скоростях ВЫНУЖДАЕТ ПЕРЕХОДИТЬ К БОЛЕЕ ГЛОБАЛЬНОЙ СИСТЕМЕ, в которой ПРЕДЫДУЩАЯ СИСТЕМА УЖЕ НЕ ОКАЗЫВАЕТСЯ ИНЕРЦИАЛЬНОЙ.
Наблюдение 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ, сделанные в системе, ограниченной по размерам, времени и скорости, НЕ ПОЗВОЛЯЮТ ДЕЛАТЬ ОБОБЩЕНИЯ по отношению к системам в целом.
Это так важно, что я прошу вас перечитать сказанную фразу ещё раз. При этом речь идет о том, что если хотя бы только размеры, только время или только скорости в системе ограничены, то экспериментальных данных уже только поэтому не достаточно для того, чтобы делать прогнозы в область неограниченного значение по этому же параметру.
Итак, для того, чтобы системы была инерциальной, надо ограничить эту систему во вращательных движениях, во времени и в пространстве и по скорости.
Однако все те же эффекты имеют место и на малых пространственно-временных интервалах, только не так просто выявляются, как на больших. Поэтому критерием применимости понятия инерциальной системы может являться допустимая погрешность от этого приближения.
Инерциальная система без ограничения времени и пространства СУЩЕСТВУЕТ ТОЛЬКО В ВООБРАЖЕНИИ, если из мира изъять все астрономические объекты.
Однако в отсутствие тел ТАКАЯ СИСТЕМА НЕ ПРЕДСТАВЛЯЕТ ИНТЕРЕСА, а при их наличии оставшиеся тела будут играть роль астрономических объектов, поскольку на фоне прочих сил силы притяжения или отталкивания между ними станут играть решающую роль в их траекториях, следовательно, одни из объектов станут двигаться в полях тяготения или отталкивания других.
Утверждение 1. В рамках задачи ближних траекторий в ограниченное время с ограниченной точностью системы, движущиеся только под действием гравитационных сил, проявляют себя как инерциальные (кроме рассмотрения электромагнитных и световых полей).
Доказательство. Все тела получают ускорения, которые не зависят от их массы, поскольку оно пропорционально силе и обратно пропорционально массе, но силы пропорциональны массе. Следовательно, разности ускорений этих тел равны нулю, а их относительные скорости, которые равны интегралу от этих величин, равны некоторым константам, которые не меняются во времени.
Рассмотренное утверждение справедливо по отношению к механике движений под действием гравитационных сил. Мы не обсуждали электромагнетизм и свет. Однако с оговоркой о ближних траекториях в ограниченное время с ограниченной скоростью и в рамках ограниченной точности это утверждение совершенно справедливо и для электромагнитных явлений, и для света. СПРАВЕДЛИВОСТЬ этого для света БЫЛА ПОКАЗАНА в опыте Майкельсона. Но мы видели, что результаты опытов в ограниченном пространстве, времени и скорости НЕЛЬЗЯ РАСШИРИТЕЛЬНО ТРАКТОВАТЬ В ОБЛАСТЬ ГЛОБАЛЬНЫХ ЯВЛЕНИЙ.
В рамках сказанных ограничений и опыт с маятником Фуко не выявит вращения Земли. Мы достоверно знаем, что вращение Земли выявляется экспериментально, но также достоверно знаем, что в реальных условиях оно сказывается слабо.
Можно предположить, что и отклонение света от прямолинейной траектории в движущейся под действием гравитационных сил системе сказывается принципиально, но не выявляется практически.
Прошу внимательно прочитать вышесказанный абзац еще раз.
Речь не идет об отклонении света вследствие гравитации. Речь идет о том, что тело, движущееся лишь под действием гравитации, может в первом приближении считаться находящимся в инерциальной системе отсчета. В первом приближении вблизи этого тела свет распространяется прямолинейно, но этого нельзя утверждать путем экстраполяции этой системы в пространстве, или во времени, или и в пространстве и времени.
Настоятельно необходимо решение вопроса о том, движутся ли равномерно и прямолинейно волновые фронты электромагнитных (и, в частности, световых) полей в системах, охарактеризованных в Утверждении 1?
Мы показали, что ЭТО УТВЕРЖДЕНИЕ НЕ ОБОСНОВАНО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО.
Нет никаких экспериментальных оснований для утверждения, что все инерциальные системы одинаково ведут себя по отношению к траектории и скорости света.
Нет никаких экспериментальных оснований для утверждения, что траектория и скорость света одинаково ведет себя во всех инерциальных системах.
Вообще нет никаких данных относительно поведения инерциальных систем отсчета на протяженном времени и (или) в протяженном пространстве.
Можно предположить, что существует, по крайней мере, одна система ДЛЯ КАЖДОЙ ЗАДАЧИ, в которой требование к системе быть «инерциальной» приближенно выполняется, т.е. с достаточной точностью для получения удовлетворительной точности полученного в этом предположении решения задачи.
Эту систему имеет смысл назвать ОСНОВНОЙ. При переходе к более глобальной системе, то есть увеличении точности, времени и пространства задачи, сохранения этого свойства за указанной основной системой не обязательно, но и не отвергается: это будет объектом дальнейшего рассмотрения. Однако, в рамках ограниченной задачи ХОТЯ БЫ ОДНА ТАКАЯ СИСТЕМА, КАК ПРАВИЛО, ЛЕГКО ВЫЯВЛЯЕТСЯ, а именно: это система, которая покоится.
Внимательное рассмотрение теоретических и экспериментальных основ современной физики показывает, что аргументы ПРОТИВ этого принципа весьма НЕУБЕДИТЕЛЬНЫ, основаны на неверных заключениях, иными словами, ошибочны.
Аргументы ЗА сохранение этого принципа остаются довольно СИЛЬНЫМИ.
Отличие поведения траектории световых волн от траектории тела имеют, практически, такую же природу, как отличия траектории движения луча света от космического спутника от траектории самого спутника. В обоих случаях переход к более глобальной системе снимает все противоречия, и тот факт, что глобальная система не глобальна фундаментально, а также остается лишь «относительно инерционной», не меняет сути дела. Обращение Земли вокруг Солнца дает основания указать систему отсчета, связанную с Солнцем, более отвечающей определению «инерциальная», но мы не нуждаемся в такой системе при расчете траекторий бильярдных шаров. Если же нас заинтересует траектория света, отраженного от этих шаров на временном интервале, соизмеримым с календарем, мы без этой системы не обойдемся. Таким образом, рамки решаемой задачи диктуют, что принять за инерциальную систему отсчета, и такую трактовку использует в тои или иной степени любой ученый.
Маятник Фуко ВЫЯВЛЯЕТ вращательное движение. Если теперь сделать такую систему, в которой маятник Фуко сохранял бы направления своих колебаний при любых начальных отклонениях, эта система была бы неотличима от инерциальной в рамках сколь угодно длительных экспериментов в замкнутом пространстве вблизи поверхности Земли. Нет оснований считать эту новую систему не инерциальной в ограниченном пространстве, и нет оснований считать инерциальной старую систему, которая вращается относительно этой новой. Однако опыт Майкельсона был проделан именно в старой, не инерциальной системе.
Еще раз – внимательно: ОПЫТ МАЙКЕЛЬСОНА БЫЛ ПРОДЕЛАН ИМЕННО В НЕ ИНЕРЦИАЛЬНОЙ СИСТЕМЕ. В этой системе СУЩЕСТВУЕТ ВОЗМОЖНОСТЬ ИЗНУТРИ НЕЕ ОПРЕДЕЛИТЬ ЕЕ ДВИЖЕНИЕ, и ОТЛИЧИТЬ ЕГО О ПОКОЯ.
На основании этого опыта Альберт Эйнштейн сделал вывод: НЕ СУЩЕСТВУЕТ ВОЗМОЖНОСТИ ИЗНУТРИ ИНЕРЦИАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ОПРЕДЕЛИТЬ ЕЕ ДВИЖЕНИЕ, и ОТЛИЧИТЬ ЕГО О ПОКОЯ.
Если с опытом Майкельсона что-то не ладно, из этого НЕ СЛЕДУЕТ, что ничего не получится ни с каким другим опытом.
И все же именно такой СТРАННЫЙ ВЫВОД сделал Эйнштейн из данного опыта.
Наблюдение 6. Опыт Майкельсона не только не позволил выявить отличия движущейся инерциальной системы от покоящейся, как это утверждается. Опыт Майкельсона не позволил выявить отличие инерциальной системы от такой системы, которая отличается от инерциальной системы настолько сильно, что это отличие ЛЕГКО ВЫЯВЛЯЕТСЯ ДРУГИМ ОПЫТОМ.
Следовательно, ИЗ ОПЫТА МАЙКЕЛЬСОНА НЕЛЬЗЯ ВЫВОДИТЬ ОБЩИЕ СВОЙСТВА ИНЕРЦИАЛЬНЫХ СИСТЕМ. Но из этого опыта можно делать выводы об общих свойствах систем вообще, и не только инерциальных, но движущихся с ограниченными скоростями в ограниченном пространстве.
Разумеется, что из опыта Майкельсона никак не может следовать, что он проделан в инерциальной системе, если мы знаем, что эта система существенно НЕ ИНЕРЦИАЛЬНАЯ ДЛЯ ЭТОГО КЛАССА ОПЫТОВ. И если МЫ ЗНАЕМ, что в инерциальной системе скорость объектов сохраняется неизменной, то мы, таким образом, знаем, что скорость тех же объектов НЕ МОЖЕТ ОСТАВАТЬСЯ НЕИЗМЕННОЙ В СИСТЕМЕ, КОТОРАЯ НЕ ЯВЛЯЕТСЯ ИНЕРЦИАЛЬНОЙ. А если скорость объектов меняется, а эксперимент не может этого выявить, то из этого с необходимостью следует, что РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА ИНВАРИАНТНЫ К ТАКИМ ИЗМЕНЕНИЯМ СКОРОСТИ ОБЪЕКТОВ.
Может ли это быть? Ведь в опыте Майкельсона измерялась скорость света!
Ответ на этот вопрос прост для всякого, кто следил за ходом мысли или самостоятельно проследовал по аналогичному пути. Опыт Майкельсона ОШИБОЧНО трактуют как опыт, позволяющий измерить изменения скорости света. Действительно, в этом опыте скорость света НЕ ИЗМЕРЯЕТСЯ, как и в любом другом опыте с аналогичными задачами. Опыт Майкельсона позволяет фиксировать приращения ФАЗОВОГО НАБЕГА СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ НА ЗАМКНУТОМ ОТРЕЗКЕ ПУТИ, при условии, что этот отрезок пути поддерживается неизменным В БАЗИСЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ, образующих экспериментальную установку. Результаты эксперимента не исключают возможности того, что СКОРОСТЬ СВЕТА ВО ВСТРЕЧНЫХ НАПРАВЛЕНИЯХ МЕНЯЮТСЯ, они лишь указывают на то, что в этом случае СУММАРНЫЙ СДВИГ ФАЗ ОСТАЕТСЯ НЕИЗМЕННЫМ в масштабе реальных физических объектов.
Еще раз: В МАСШТАБЕ РЕАЛЬНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ.
Результаты этого эксперимента также не исключают, что истинная длина оптического пути при этом меняется, однако при этом обнаружено, что данный метод этих изменений не выявляет. Таким образом, гипотеза о том, что масштабы твердых тел меняются по такой же зависимости, что и эффективный оптический путь по замкнутой траектории, вполне согласуется с результатами опыта Майкельсона.
Предположение о том, что скорость света не меняется во всех направлениях в рамках опыта Майкельсона, со всей очевидностью НЕ ОБОСНОВАНО: данная система не является инерциальной в указанных рамках эксперимента.
Итак, ВЫВОД О ПОСТОЯНСТВЕ СКОРОСТИ СВЕТА В ИНЕРЦИАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ ОТСЧЕТА НЕ ОБОСНОВАН. Вывод о постоянстве соотношения длины оптического пути по замкнутой траектории и длины этого же пути в метрическом базисе твердых тел, очевидно, может быть сделан не только относительно инерциальных систем, но и с некоторой точностью относительно некоторых неинерциальных систем, таких, как система, связанная с поверхностью Земли.
Здесь не столь важно, соответствует или нет гипотеза о постоянстве скорости света истинному положению вещей, поскольку в данном контексте этот вопрос не может быть решен. Гораздо важнее, что эта гипотеза не следует из данного эксперимента.
ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ РАЗМЕРЫ ФИЗИЧЕСКИХ ТЕЛ ПРИ ДВИЖЕНИИ СИСТЕМЫ В ЭФИРЕ ИЗМЕНЯЮТСЯ ПРОПОРЦИОНАЛЬНО ТОМУ, КАК ИЗМЕНЯЮТСЯ ОПТИЧЕСКАЯ ДЛИНА СВЕТОВОГО ПУТИ ПО ЗАМКНУТОЙ ТРАЕКТОРИИ, ОБРАЗОВАННОЙ ТАКИМИ ФИЗИЧЕСКИМИ ТЕЛАМИ.
ЭТОТ ФАКТ УСТАНОВЛЕН ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО ОПЫТОМ МАЙКЕЛЬСОНА.
Скорость света в вакууме НЕ ПОСТОЯННА во всех инерциальных системах, поскольку такой вывод не следует из опыта Майкельсона, так как в этом опыте: 1) СВЕТ ДВИГАЛСЯ НЕ В ВАКУУМЕ; 2) СИСТЕМА НЕ БЫЛА ИНЕРЦИАЬНОЙ, 3) СКОРОСТЬ СВЕТА НЕ ИЗМЕРЯЛАСЬ И НЕ СРАВНИВАЛАСЬ С ЧЕМ БЫ ТО НИ БЫЛО.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ, которые для виду оправдываются опытом Майкельсона НИ КОИМ ОБРАЗОМ НЕ СЛЕДУЮТ ИЗ ОПЫТА МАЙКЕЛЬСОНА.
Так, например, наблюдая кошку, питающуюся сырой печенкой, невозможно сделать логический вывод: «Муравьи питаются грибами». Такой вывод никак не следует из данного наблюдения.
И даже если какая-то кошка ни с того ни с сего начнет питаться морковкой, данный метод умозаключения ошибочен.
Наблюдая кошку, что бы она там ни ела, нельзя делать выводы о том, что ест муравей, что бы он там ни ел.
Эксперимент с кошкой пополняет наши знания о повадках кошки, но не о муравьях.
Наблюдая не инерциальную систему и движение света в воздухе, недопустимо делать умозаключения об инерциальных системах и вакууме, делая вид, что это одно и то же.
Наблюдая эксперимент с устройством, нечувствительным к изменению частоты света, а следовательно, к фазе, а следовательно, к фазовой скорости – а именно таковым является интерферометр с нулевой разностью хода – нельзя (ВРЕДНО И ОПАСНО ДЛЯ НАУКИ) делать выводы о скорости света. Ибо скорость света в данном наблюдении не измеряется, и не влияет на результат наблюдения по своей природе вхождения в результат.
Системы отсчета и их виды
В физике часто встречаются термины «система отсчета» и «инерциальная система отсчета». Ознакомимся с ними.
Что такое система отсчета
Система отсчета содержит:
Если все три пункта выполнены, то говорят, что задана система отсчета.
С телом отсчета связаны координатные оси, если тело отсчета будет двигаться, то система отсчета будет передвигаться совместно с ним.
Системы отсчета используются не только в физике. В повседневной жизни мы пользуемся картами местности. При этом, на карте мы отмечаем две точки:
Проложив маршрут и измерив расстояние между этими точками, мы сможем посчитать расстояние, которое нужно преодолеть, чтобы переместиться. А указав интервал времени, мы сможем рассчитать, с кокой скоростью нужно двигаться, чтобы вовремя прибыть к месту назначения.
Виды систем отсчета и их сравнение
Все системы отсчета (сокращенно СО) можно разделить на два вида:
От того, как система отсчета движется, зависит, можно ли считать ее инерциальной, или нет.
Инерциальные системы отсчета
Инерциальная система отсчета — это такая, которая:
Примеры инерциальных систем отсчета:
Примечания:
1. Вместо слов «скорость не меняется», физики часто употребляют такие слова: «скорость постоянная», или «модуль вектора скорости сохраняется».
2. Скорость – это вектор, у любого вектора есть две главные характеристики:
Подробнее о векторах и их характеристиках «здесь».
Не инерциальные системы отсчета
Не инерциальная система отсчета — это такая, которая:
Бывает и так, что одновременно изменяет и по модулю, и по направлению. Главное, что изменяет. Например, гоночный автомобиль на соревнованиях входит в поворот и одновременно набирает скорость.
Примеры не инерциальных систем отсчета:
Для чего нужно знать, к какому виду отнести систему отсчета
Предположим, нам нужно решить какую-то задачу механики. Чтобы ее решить мы вводим систему отсчета. Является ли система отсчета инерциальной, нужно знать потому, что
Для иллюстрации рассмотрим такой пример:
Представим, что мы находимся внутри пассажирского вагона. Поднимем на вытянутой руке мяч и разожмем ладонь, чтобы мяч из нее выпал. Будем изучать траекторию, по которой мяч движется. На всех рисунках пунктиром обозначено начальное положение мяча, а сплошным кругом — его конечное положение. Рассмотрим движение мяча в каждом из случаев:
Случай 1. Вагон покоится
Когда вагон покоится, свободно падающий мяч падает вертикально
Случай 2. Вагон движется равномерно прямолинейно
Красная стрелка — это вектор скорости вагона, он обозначен символом \( \vec
Когда вагон движется равномерно прямолинейно, свободно падающий мяч падает вертикально
Случай 3. Вагон движется прямолинейно равнозамедленно
Вектор скорости вагона обозначен символом \( \vec
Когда вагон движется прямолинейно равнозамедленно, свободно падающий мяч отклоняется от вертикали.
Случай 4. Вагон движется прямолинейно равноускоренно
Вектор скорости вагона \( \vec
Когда вагон движется прямолинейно равноускоренно, свободно падающий мяч отклоняется от вертикали
Случай 5. Вагон движется криволинейно
На рисунке представлена одна из возможных траекторий движения мяча. Траектория мяча будет зависеть от того, будет ли вагон, входящий в поворот, ускоряться, или замедляться.
Изогнутая стрелка указывает направление, в котором вагон поворачивает (изменяет направление движения).
Когда вагон движется криволинейно, свободно падающий мяч отклоняется от вертикали.
Подведем итог:
В первых двух случаях (см. рис. №1, №2), траектории мяча были одинаковыми. В этих двух случаях вагон является инерциальной системой отсчета.
Рисунки №3, №4 и №5 иллюстрируют неинерциальные системы отсчета. В случаях, представленных на этих рисунках, траектории мяча различаются. Формы траекторий зависят от дополнительных сил, действующих в неинерциальных системах отсчета на мяч.