Senovės filosofai bandė suprasti judėjimo esmę, atskleisti žvaigždžių ir Saulės įtaką žmogui. Be to, žmonės visada stengėsi nustatyti jėgas, veikiančias materialųjį tašką jo judėjimo procese, taip pat ir ramybės metu.
Aristotelis tikėjo, kad nesant judėjimo kūno neveikia jokios jėgos. Pabandykime išsiaiškinti, kurios atskaitos sistemos vadinamos inercinėmis, pateiksime jų pavyzdžių.
Poilsio būsena
Kasdieniame gyvenime tokią būklę sunku aptikti. Beveik visų tipų mechaniniuose judėjimuose daroma prielaida, kad yra pašalinių jėgų. Priežastis – trinties jėga, kuri neleidžia daugeliui objektų išeiti iš pradinės padėties, išeiti iš ramybės būsenos.
Atsižvelgdami į inercinių atskaitos sistemų pavyzdžius, pastebime, kad jos visos atitinka 1-ąjį Niutono dėsnį. Tik jį atradus buvo galima paaiškinti ramybės būseną, nurodyti jėgas, veikiančias šioje būsenoje kūną.
1-ojo Niutono dėsnio formuluotė
Šiuolaikiniame aiškinime jis paaiškina koordinačių sistemų egzistavimą, atsižvelgiant į tai, kad nėra išorinių jėgų, veikiančių materialųjį tašką. Niutono požiūriu atskaitos sistemos vadinamos inercinėmis, kurios leidžia apsvarstyti kūno greičio išsaugojimą per ilgą laiką.
Apibrėžimai
Kurios atskaitos sistemos yra inercinės? Jų pavyzdžiai nagrinėjami mokykliniame fizikos kurse. Inercinėmis atskaitos sistemomis laikomos tos, kurių atžvilgiu materialus taškas juda pastoviu greičiu. Niutonas paaiškino, kad bet kuris kūnas gali būti panašios būsenos tol, kol nereikia taikyti jėgų, galinčių pakeisti tokią būseną.
Iš tikrųjų inercijos dėsnis įvykdomas ne visais atvejais. Analizuodami inercinių ir neinercinių atskaitos sistemų pavyzdžius, apsvarstykite asmenį, besilaikantį už turėklų judančioje transporto priemonėje. Kai automobilis staigiai stabdo, žmogus automatiškai juda transporto priemonės atžvilgiu, nepaisant išorinės jėgos nebuvimo.
Pasirodo, kad ne visi inercinės atskaitos sistemos pavyzdžiai atitinka 1 Niutono dėsnio formuluotę. Siekiant paaiškinti inercijos dėsnį, buvo pateiktas patobulintas atskaitos sistemų apibrėžimas, kuriame jis nepriekaištingai įvykdytas.
Atskaitos sistemų tipai
Kokios atskaitos sistemos vadinamos inercinėmis? Greitai paaiškės. „Pateikite inercinių atskaitos sistemų pavyzdžių, kuriose tenkinamas 1 Niutono dėsnis“–panaši užduotis siūloma ir moksleiviams, devintoje klasėje kaip egzaminą pasirinkusiems fiziką. Norint susidoroti su užduotimi, būtina turėti supratimą apie inercines ir neinercines atskaitos sistemas.
Inercija apima ramybės arba vienodo tiesinio kūno judėjimo išsaugojimą tol, kol kūnas yra izoliuotas. „Izoliuoti“kūnai yra tie, kurie nėra sujungti, nesąveikauja, yra atskirti vienas nuo kito.
Panagrinėkime keletą inercinės atskaitos sistemos pavyzdžių. Darant prielaidą, kad žvaigždė galaktikoje yra atskaitos sistema, o ne judantis autobusas, keleivių, besilaikančių už bėgių, inercijos dėsnio įgyvendinimas bus nepriekaištingas.
Stabdymo metu ši transporto priemonė tolygiai važiuos tiesia linija, kol ją paveiks kiti kėbulai.
Kokių inercinės atskaitos sistemos pavyzdžių galite pateikti? Jie neturėtų turėti ryšio su analizuojamu kūnu, paveikti jo inerciją.
Tokioms sistemoms įvykdomas 1-asis Niutono dėsnis. Realiame gyvenime sunku atsižvelgti į kūno judėjimą, palyginti su inercinėmis atskaitos sistemomis. Neįmanoma patekti į tolimą žvaigždę, kad būtų galima su ja atlikti antžeminius eksperimentus.
Žemė priimama kaip sąlyginės atskaitos sistemos, nepaisant to, kad ji yra susijusi su joje esančiais objektais.
Galima apskaičiuoti pagreitį inercinėje atskaitos sistemoje, jei atskaitos sistema laikome Žemės paviršių. Fizikoje nėra matematinių 1-ojo Niutono dėsnio įrašų, tačiau būtent jis yra pagrindasdaugelio fizinių apibrėžimų ir terminų išvedimas.
Inercinių atskaitos sistemų pavyzdžiai
Mokyklos mokiniams kartais sunku suprasti fizinius reiškinius. Devintokams siūloma tokio turinio užduotis: „Kokios atskaitos sistemos vadinamos inercinėmis? Pateikite tokių sistemų pavyzdžių. Tarkime, kad vežimėlis su kamuoliuku iš pradžių juda lygiu paviršiumi pastoviu greičiu. Tada jis juda smėliu, todėl rutulys pradedamas pagreitinti, nepaisant to, kad jo neveikia jokios kitos jėgos (bendras jų poveikis lygus nuliui).
To, kas vyksta, esmę galima paaiškinti tuo, kad judant smėlėtu paviršiumi sistema nustoja būti inercija, jos greitis yra pastovus. Inercinių ir neinercinių atskaitos sistemų pavyzdžiai rodo, kad jų perėjimas įvyksta per tam tikrą laikotarpį.
Kėbului įsibėgėjus, jo pagreitis turi teigiamą reikšmę, o stabdant šis skaičius tampa neigiamas.
Kreivinis judėjimas
Žvaigždžių ir Saulės atžvilgiu Žemės judėjimas vykdomas kreivine trajektorija, kuri yra elipsės formos. Ta atskaitos sistema, kurios centras sulygiuotas su Saule, o ašys nukreiptos į tam tikras žvaigždes, bus laikoma inercine.
Atkreipkite dėmesį, kad bet kokia atskaitos sistema, kuri judės tiesia linija ir tolygiai heliocentrinės sistemos atžvilgiusistema yra inercinė. Kreivinis judėjimas atliekamas su tam tikru pagreičiu.
Atsižvelgiant į tai, kad Žemė juda aplink savo ašį, atskaitos sistema, susieta su jos paviršiumi, heliocentrinio atžvilgiu juda su tam tikru pagreičiu. Esant tokiai situacijai, galime daryti išvadą, kad atskaitos sistema, kuri yra susijusi su Žemės paviršiumi, juda su pagreičiu heliocentrinio atžvilgiu, todėl negali būti laikoma inercine. Tačiau tokios sistemos pagreičio vertė yra tokia maža, kad daugeliu atvejų ji labai paveikia mechaninių reiškinių specifiką, susijusią su ja.
Spręstant praktines techninio pobūdžio problemas, atskaitos sistemą, kuri yra standžiai sujungta su Žemės paviršiumi, įprasta laikyti inercine.
Galilėjos reliatyvumas
Visos inercinės atskaitos sistemos turi svarbią savybę, kurią apibūdina reliatyvumo principas. Jo esmė slypi tame, kad bet koks mechaninis reiškinys tomis pačiomis pradinėmis sąlygomis yra vykdomas vienodai, nepaisant pasirinktos atskaitos sistemos.
ISO lygybė pagal reliatyvumo principą išreiškiama šiomis nuostatomis:
- Tokiose sistemose mechanikos dėsniai yra vienodi, todėl bet kokia jų aprašyta lygtis, išreikšta koordinatėmis ir laiku, lieka nepakitusi.
- Vykdomų mechaninių eksperimentų rezultatai leidžia nustatyti, ar atskaitos sistema bus ramybės būsenoje, artiesus tolygus judėjimas. Bet kuri sistema gali būti sąlyginai pripažinta nejudančia, jei kita tuo pačiu metu juda jos atžvilgiu tam tikru greičiu.
- Mechanikos lygtys išlieka nepakitusios koordinačių transformacijų atžvilgiu pereinant iš vienos sistemos į kitą. Galite aprašyti tą patį reiškinį skirtingose sistemose, tačiau jų fizinė prigimtis nepasikeis.
Problemos sprendimas
Pirmas pavyzdys.
Nustatykite, ar inercinė atskaitos sistema yra: a) dirbtinis Žemės palydovas; b) vaikų atrakcija.
Atsakymas. Pirmuoju atveju nekalbama apie inercinę atskaitos sistemą, nes palydovas juda orbitoje veikiamas gravitacijos jėgos, todėl judėjimas vyksta tam tikru pagreičiu.
Pritrauka taip pat negali būti laikoma inercine sistema, nes jos sukamasis judėjimas vyksta su tam tikru pagreičiu.
Antras pavyzdys.
Pranešimo sistema yra tvirtai sujungta su liftu. Kokiose situacijose tai gali būti vadinama inercija? Jei liftas: a) nukrenta; b) tolygiai juda aukštyn; c) greitai kyla d) tolygiai nukreipta žemyn.
Atsakymas. a) Laisvo kritimo metu atsiranda pagreitis, todėl atskaitos sistema, susieta su liftu, nebus inercinė.
b) Kai liftas juda tolygiai, sistema yra inercinė.
c) Judant su tam tikru pagreičiu, atskaitos sistema laikoma inercine.
d) Liftas juda lėtai, jo pagreitis yra neigiamas, todėl jūs negaliteiškvieskite atskaitos sistemą inercine.
Išvada
Per visą savo egzistavimo laiką žmonija bandė suprasti gamtoje vykstančius reiškinius. Judėjimo reliatyvumą bandė paaiškinti Galilėjus Galilėjus. Isaacui Newtonui pavyko išvesti inercijos dėsnį, kuris buvo pradėtas naudoti kaip pagrindinis postulatas atliekant skaičiavimus mechanikoje.
Šiuo metu kūno padėties nustatymo sistema apima kūną, laiko nustatymo įrenginį, taip pat koordinačių sistemą. Priklausomai nuo to, ar kūnas juda, ar stovi, galima apibūdinti tam tikro objekto padėtį norimu laikotarpiu.
