Senie filozofi centās izprast kustības būtību, atklāt zvaigžņu un Saules ietekmi uz cilvēku. Turklāt cilvēki vienmēr ir mēģinājuši identificēt spēkus, kas iedarbojas uz materiālo punktu tā kustības procesā, kā arī atpūtas brīdī.
Aristotelis uzskatīja, ka, ja nav kustības, ķermeni neietekmē nekādi spēki. Mēģināsim noskaidrot, kuras atskaites sistēmas sauc par inerciālajām, sniegsim to piemērus.
Atpūtas stāvoklis
Ikdienā šādu stāvokli ir grūti atklāt. Gandrīz visos mehāniskās kustības veidos tiek pieņemts svešu spēku klātbūtne. Iemesls ir berzes spēks, kas neļauj daudziem objektiem atstāt savu sākotnējo stāvokli, iziet no miera stāvokļa.
Ņemot vērā inerciālo atskaites sistēmu piemērus, mēs atzīmējam, ka tās visas atbilst Ņūtona 1. likumam. Tikai pēc tā atklāšanas bija iespējams izskaidrot miera stāvokli, norādīt spēkus, kas šajā stāvoklī iedarbojas uz ķermeni.
Ņūtona 1. likuma formulējums
Mūsdienu interpretācijā viņš skaidro koordinātu sistēmu esamību, attiecībā uz kurām var uzskatīt, ka uz materiālo punktu iedarbojas ārēju spēku neesamība. No Ņūtona viedokļa atskaites sistēmas sauc par inerciālām, kas ļauj apsvērt ķermeņa ātruma saglabāšanos ilgā laika periodā.
Definīcijas
Kuras atskaites sistēmas ir inerciālas? To piemēri tiek pētīti skolas fizikas kursā. Par inerciālām atskaites sistēmām uzskata tās, attiecībā pret kurām materiālais punkts pārvietojas ar nemainīgu ātrumu. Ņūtons paskaidroja, ka jebkurš ķermenis var atrasties līdzīgā stāvoklī, ja vien nav nepieciešams pielikt tam spēkus, kas var mainīt šādu stāvokli.
Reāli ne visos gadījumos pildās inerces likums. Analizējot inerciālu un neinerciālu atskaites sistēmu piemērus, apsveriet personu, kas kustīgā transportlīdzeklī turas pie margām. Kad automašīna strauji bremzē, cilvēks automātiski pārvietojas attiecībā pret transportlīdzekli, neskatoties uz to, ka nav ārēja spēka.
Izrādās, ka ne visi inerciālās atskaites sistēmas piemēri atbilst 1. Ņūtona likuma formulējumam. Lai precizētu inerces likumu, tika ieviesta precizēta atskaites sistēmu definīcija, kurā tā ir nevainojami izpildīta.
Atsauces sistēmu veidi
Kādas atskaites sistēmas sauc par inerciālām? Drīzumā tas kļūs skaidrs. "Sniedziet piemērus inerciālām atskaites sistēmām, kurās ir izpildīts 1 Ņūtona likums" -līdzīgs uzdevums tiek piedāvāts skolēniem, kuri kā eksāmenu izvēlējušies fiziku devītajā klasē. Lai tiktu galā ar uzdevumu, ir nepieciešams priekšstats par inerciālo un neinerciālo atskaites sistēmu.
Inerce ietver ķermeņa miera vai vienmērīgas taisnas kustības saglabāšanu, kamēr ķermenis atrodas izolācijā. "Izolētie" ķermeņi ir tie, kas nav savienoti, nesadarbojas, ir noņemti viens no otra.
Apskatīsim dažus inerciālās atskaites sistēmas piemērus. Pieņemot, ka galaktikā ir zvaigzne par atskaites sistēmu, nevis kustīgs autobuss, inerces likuma īstenošana pasažieriem, kas turas pie sliedēm, būs nevainojami.
Bremzēšanas laikā šis transportlīdzeklis turpinās vienmērīgi kustēties taisnā līnijā, līdz to ietekmēs citi korpusi.
Kādus inerciālās atskaites sistēmas piemērus jūs varat sniegt? Tiem nevajadzētu būt saistītiem ar analizējamo ķermeni, ietekmēt tā inerci.
Tieši šādām sistēmām ir izpildīts Ņūtona 1. likums. Reālajā dzīvē ir grūti apsvērt ķermeņa kustību attiecībā pret inerciālām atskaites sistēmām. Nav iespējams nokļūt līdz tālajai zvaigznei, lai ar to veiktu zemes eksperimentus.
Zeme tiek pieņemta kā nosacīta atskaites sistēma, neskatoties uz to, ka tā ir saistīta ar uz tās novietotiem objektiem.
Ir iespējams aprēķināt paātrinājumu inerciālajā atskaites sistēmā, ja par atskaites sistēmu uzskatām Zemes virsmu. Fizikā nav Ņūtona 1. likuma matemātisku pierakstu, bet viņš ir tas, kurš ir pamatādaudzu fizisko definīciju un terminu atvasināšana.
Inerciālo atskaites sistēmu piemēri
Skolēniem dažkārt ir grūti saprast fiziskas parādības. Devītklasniekiem tiek piedāvāts šāda satura uzdevums: “Kādus atskaites rāmjus sauc par inerciāliem? Sniedziet šādu sistēmu piemērus. Pieņemsim, ka ratiņi ar bumbu sākotnēji pārvietojas pa līdzenu virsmu ar nemainīgu ātrumu. Pēc tam tā pārvietojas pa smiltīm, kā rezultātā bumba tiek iestatīta paātrinātā kustībā, neskatoties uz to, ka uz to neiedarbojas citi spēki (to kopējā ietekme ir nulle).
Notiekošā būtība skaidrojama ar to, ka, pārvietojoties pa smilšainu virsmu, sistēma pārstāj būt inerciāla, tai ir nemainīgs ātrums. Inerciālo un neinerciālo atskaites sistēmu piemēri norāda, ka to pāreja notiek noteiktā laika periodā.
Kad korpuss paātrina, tā paātrinājumam ir pozitīva vērtība, un bremzējot šis rādītājs kļūst negatīvs.
Izliekta kustība
Attiecībā pret zvaigznēm un Sauli Zemes kustība tiek veikta pa līknes trajektoriju, kurai ir elipses forma. Tāds atskaites rāmis, kurā centrs ir saskaņots ar Sauli un asis ir vērstas uz noteiktām zvaigznēm, tiks uzskatīts par inerciālu.
Ņemiet vērā, ka jebkura atskaites sistēma, kas pārvietosies taisnā līnijā un vienmērīgi attiecībā pret heliocentriskosistēma ir inerciāla. Līklīnijas kustība tiek veikta ar zināmu paātrinājumu.
Ņemot vērā faktu, ka Zeme pārvietojas ap savu asi, atskaites sistēma, kas ir saistīta ar tās virsmu, attiecībā pret heliocentrisko kustas ar zināmu paātrinājumu. Šādā situācijā varam secināt, ka atskaites rāmis, kas ir saistīts ar Zemes virsmu, pārvietojas ar paātrinājumu attiecībā pret heliocentrisko, tāpēc to nevar uzskatīt par inerciālu. Taču šādas sistēmas paātrinājuma vērtība ir tik maza, ka daudzos gadījumos tas būtiski ietekmē ar to aplūkoto mehānisko parādību specifiku.
Lai risinātu tehniska rakstura praktiskas problēmas, par inerciālu pieņemts uzskatīt atskaites sistēmu, kas ir stingri saistīta ar Zemes virsmu.
Galiles relativitāte
Visām inerciālajām atskaites sistēmām ir svarīga īpašība, ko raksturo relativitātes princips. Tās būtība ir tāda, ka jebkura mehāniska parādība tādos pašos sākotnējos apstākļos tiek veikta vienādi, neatkarīgi no izvēlētās atskaites sistēmas.
ISO vienlīdzība saskaņā ar relativitātes principu ir izteikta šādos noteikumos:
- Šādās sistēmās mehānikas likumi ir vienādi, tāpēc jebkurš ar tiem aprakstītais vienādojums, kas izteikts koordinātās un laikā, paliek nemainīgs.
- Notiekošo mehānisko eksperimentu rezultāti ļauj noteikt, vai atskaites sistēma būs miera stāvoklī, vai arītaisnvirziena vienmērīga kustība. Jebkuru sistēmu nosacīti var atpazīt par nekustīgu, ja otra tajā pašā laikā pārvietojas attiecībā pret to ar noteiktu ātrumu.
- Mehānikas vienādojumi paliek nemainīgi attiecībā uz koordinātu transformācijām, pārejot no vienas sistēmas uz otru. Jūs varat aprakstīt vienu un to pašu parādību dažādās sistēmās, taču to fiziskā būtība nemainīsies.
Problēmu risināšana
Pirmais piemērs.
Nosakiet, vai inerciālais atskaites rāmis ir: a) mākslīgais Zemes pavadonis; b) bērnu atrakcija.
Atbilde. Pirmajā gadījumā nav runas par inerciālu atskaites sistēmu, jo satelīts pārvietojas orbītā gravitācijas spēka ietekmē, tāpēc kustība notiek ar zināmu paātrinājumu.
Pievilcību arī nevar uzskatīt par inerciālu sistēmu, jo tās rotācijas kustība notiek ar zināmu paātrinājumu.
Otrais piemērs.
Ziņošanas sistēma ir cieši savienota ar liftu. Kādās situācijās to var saukt par inerciālu? Ja lifts: a) nokrīt; b) vienmērīgi virzās uz augšu; c) strauji pieaug d) vienmērīgi vērsta uz leju.
Atbilde. a) Brīvā kritienā parādās paātrinājums, tāpēc atskaites sistēma, kas ir saistīta ar liftu, nebūs inerciāla.
b) Ar vienmērīgu lifta kustību sistēma ir inerciāla.
c) Pārvietojoties ar zināmu paātrinājumu, atskaites sistēma tiek uzskatīta par inerciālu.
d) Lifts pārvietojas lēni, tam ir negatīvs paātrinājums, tāpēc jūs nevaratizsauciet atskaites sistēmu inerciāli.
Secinājums
Visā savas pastāvēšanas laikā cilvēce ir centusies izprast dabā notiekošās parādības. Mēģinājumus izskaidrot kustības relativitāti veica Galileo Galilejs. Īzakam Ņūtonam izdevās atvasināt inerces likumu, ko sāka izmantot kā galveno postulātu aprēķinos mehānikā.
Šobrīd ķermeņa stāvokļa noteikšanas sistēmā ietilpst ķermenis, ierīce laika noteikšanai, kā arī koordinātu sistēma. Atkarībā no tā, vai ķermenis ir kustīgs vai nekustīgs, ir iespējams raksturot noteikta objekta stāvokli vēlamajā laika periodā.
