≡×МЕНЮ

• Ремонт
• Ремонт 
• Вътрешен дизайн
• За всичко
• Относно ВиК

Международна референтна система. Инерционна отправна система

Първият закон на Нютон е формулиран, както следва: тяло, което не е подложено на външни въздействия, или е в покой, или се движи праволинейно и равномерно. Такова тяло се нарича Безплатно, а движението му е свободно движениеили движение по инерция. Свойството на тялото да поддържа състояние на покой или униформа праволинейно движениепри липса на влияние на други органи върху него се нарича инерция. Следователно първият закон на Нютон се нарича закон на инерцията. Свободни тела, строго погледнато, не съществуват. Естествено е обаче да се предположи, че колкото по-далеч е една частица от други материални обекти, толкова по-малко въздействие оказват върху нея. Като си представим, че тези влияния намаляват, в крайна сметка стигаме до идеята за свободно тяло и свободно движение.

Невъзможно е експериментално да се провери предположението за естеството на движението на свободна частица, тъй като е невъзможно абсолютно надеждно да се установи фактът на липсата на взаимодействие. Възможно е да се моделира само с определена степен на точност тази ситуация, използвайки експерименталния факт за намалено взаимодействие между отдалечени тела. Обобщението на редица експериментални факти, както и съвпадението на произтичащите от закона последици с експериментални данни доказват неговата валидност. Когато се движи, тялото запазва скоростта си толкова по-дълго, колкото по-слабо е въздействието на другите тела върху него; например, камък, който се плъзга по повърхността, се движи по-дълго, колкото по-гладка е тази повърхност, т.е. толкова по-малко въздействие оказва тази повърхност върху нея.

Механичното движение е относително и неговият характер зависи от референтната система. В кинематиката изборът на отправна система не беше важен. В динамиката не е така. Ако в която и да е отправна система едно тяло се движи праволинейно и равномерно, то в отправна система, движеща се ускорено спрямо първото, това вече няма да е така. От това следва, че законът за инерцията не може да бъде валиден във всички отправни системи. Класическата механика постулира, че има референтна система, в която всички свободни тела се движат праволинейно и равномерно. Такава отправна система се нарича инерциална отправна система (IRS). Съдържанието на закона за инерцията по същество се свежда до твърдението, че има такива отправни системи, в които тяло, не подложено на външни въздействия, се движи равномерно и праволинейно или е в покой.

Кои отправни системи са инерциални и кои неинерциални е възможно да се установи само експериментално. Да приемем например, че става дума за движението на звезди и други астрономически обекти в частта на Вселената, достъпна за нашето наблюдение. Нека изберем отправна система, в която Земята се счита за неподвижна (ще наречем такава система земна). Инерционен ли ще е?

Можете да изберете звезда като свободно тяло. Всъщност всяка звезда, поради огромното си разстояние от другите небесни тела, е практически свободно тяло. Въпреки това, в референтната система на Земята, звездите извършват ежедневни завъртания в небесния свод и следователно се движат с ускорение, насочено към центъра на Земята. По този начин движението на свободно тяло (звезда) в земната референтна система става в кръг, а не в права линия. Той не се подчинява на закона за инерцията, така че референтната система на земята няма да бъде инерционна.

Следователно, за да се реши проблемът, е необходимо да се проверят други референтни системи за инерциалност. Нека изберем Слънцето като референтно тяло. Тази референтна система се нарича хелиоцентрична референтна система или система на Коперник. Координатните оси на свързаната с него координатна система са прави линии, насочени към три далечни звезди, които не лежат в една и съща равнина (фиг. 2.1).

По този начин, когато се изучават движенията, случващи се в мащаба на нашата планетна система, както и на всяка друга система, чиито размери са малки в сравнение с разстоянието до тези три звезди, които бяха избрани за референтни звезди в системата на Коперник, системата на Коперник е практически инерциална отправна система.

Пример

Неинерционността на земната референтна система се обяснява с факта, че Земята се върти около собствената си ос и около Слънцето, тоест се движи с ускорена скорост спрямо системата на Коперник. Тъй като и двете въртения се случват бавно, по отношение на огромен набор от явления, земната система се държи практически като инерционна система. Ето защо установяването на основните закони на динамиката може да започне с изучаване на движението на телата спрямо Земята, абстрахирайки се от нейното въртене, тоест приемайки Земята приблизително ISO.

СИЛА. ТЕЛЕСНА МАСА

Както показва опитът, всяка промяна в скоростта на едно тяло се случва под въздействието на други тела. В механиката процесът на промяна на характера на движението под въздействието на други тела се нарича взаимодействие на телата. За да характеризира количествено интензивността на това взаимодействие, Нютон въвежда понятието сила. Силите могат да предизвикат не само промяна в скоростта на материалните тела, но и тяхната деформация. Следователно на понятието сила може да се даде следната дефиниция: силата е количествена мярка за взаимодействието на най-малко две тела, причиняващо ускорение на тялото или промяна на формата му, или и двете.

Пример за деформация на тяло под въздействието на сила е компресирана или разтегната пружина. Лесно се използва като стандарт за сила: единицата за сила е еластичната сила, действаща в пружина, разтегната или компресирана до определена степен. Използвайки такъв стандарт, можете да сравнявате силите и да изучавате техните свойства. Силите имат следните свойства.

ü Силата е векторна величина и се характеризира с посока, големина (числова стойност) и точка на приложение. Силите, приложени към едно тяло, се сумират според правилото на успоредника.

ü Силата е причина за ускорението. Посоката на вектора на ускорението е успоредна на вектора на силата.

ü Силата има материален произход. Няма материални тела - няма сили.

ü Действието на силата не зависи от това дали тялото е в покой или в движение.

ü Когато няколко сили действат едновременно, тялото получава същото ускорение, което би получило при действието на резултантната сила.

Последното твърдение съставлява съдържанието на принципа на суперпозицията на силите. Принципът на суперпозицията се основава на идеята за независимостта на действието на силите: всяка сила придава едно и също ускорение на въпросното тяло, независимо дали действа само аз- източник на сили или всички източници едновременно. Това може да се формулира по различен начин. Силата, с която една частица действа върху друга, зависи от радиус-векторите и скоростите само на тези две частици. Наличието на други частици не влияе на тази сила. Това свойство се нарича закон за независимостдействието на силите или закона за взаимодействие по двойки. Обхватът на приложимост на този закон обхваща цялата класическа механика.

От друга страна, за решаването на много проблеми може да се наложи да се намерят няколко сили, които чрез съвместното си действие да заменят една дадена власт. Тази операция се нарича разлагане на дадена сила на нейните компоненти.

От опит е известно, че при едни и същи взаимодействия различните тела променят скоростта си на движение по различен начин. Характерът на изменението на скоростта на движение зависи не само от големината на силата и времето на нейното действие, но и от свойствата на самото тяло. Както показва опитът, за дадено тялосъотношението на всяка сила, действаща върху него, към ускорението, придадено от тази сила, е постоянна стойност . Това отношение зависи от свойствата на ускореното тяло и се нарича инертна масатела. По този начин масата на тялото се определя като съотношението на силата, действаща върху тялото, към ускорението, придадено от тази сила. Колкото по-голяма е масата, толкова по-голяма е силата, необходима за придаване на определено ускорение на тялото. Тялото сякаш се съпротивлява на опита да промени скоростта си.

Свойството на телата, което се изразява в способността да запазват своето състояние във времето (скорост на движение, посока на движение или състояние на покой), се нарича инертност. Мярка за инерцията на тялото е неговата инерционна маса при едно и също въздействие на околните тела едно тяло може бързо да промени скоростта си, докато друго при същите условия може да се промени много по-бавно (фиг. 2.2). Прието е да се казва, че второто от тези две тела има по-голяма инерция или, с други думи, второто тяло има по-голяма маса. IN Международна системаединици (SI) телесното тегло се измерва в килограми (kg). Концепцията за маса не може да се сведе до повече прости концепции. Колкото по-голяма е масата на едно тяло, толкова по-малко ускорение ще придобие то под въздействието на същата сила. Колкото по-голяма е силата, толкова по-голямо е ускорението и следователно с по-голяма крайна скорост ще се движи тялото.

Единицата за сила в SI е N (нютон). Един N (нютон) е числено равен на силата, която придава на тялото маса м = 1 килограмаускорение .

Коментирайте.

Отношението е валидно само при достатъчно ниски скорости. С увеличаването на скоростта това съотношение се променя, увеличавайки се със скоростта.

ВТОРИ ЗАКОН НА НЮТОН

От опита следва, че в инерциалните отправни системи ускорението на тялото е пропорционално на векторната сума на всички действащи върху него сили и обратно пропорционално на масата на тялото:

Вторият закон на Нютон изразява връзката между резултантната на всички сили и ускорението, което причинява:

Ето промяната в импулса на материална точка във времето. Нека насочим интервала от време към нула:

тогава получаваме

	Сред екстремните видове забавление специално мястоса бънджи скокове или бънджи скокове. В град Джефри Бей има най-голямото регистрирано „бънджи“ - 221 м. Дори е вписано в Книгата на рекордите на Гинес. Дължината на въжето е изчислена така, че когато човек скочи надолу, той спира на самия ръб на водата или просто я докосва. Скачащият човек се задържа от еластичната сила на деформираното въже. Обикновено кабелът се състои от много гумени нишки, сплетени заедно. Така че, когато пада, кабелът пружинира назад, предотвратявайки отделянето на краката на скачача и добавяйки допълнителни усещания към скока. В пълно съответствие с втория закон на Нютон, увеличаването на времето за взаимодействие между джъмпера и въжето води до отслабване на силата, действаща върху човека от въжето.
	За да получите топка, летяща с висока скорост, когато играете волейбол, трябва да движите ръцете си по посока на движението на топката. В същото време времето на взаимодействие с топката се увеличава и следователно, в пълно съответствие с втория закон на Нютон, величината на силата, действаща върху ръцете, намалява.

Вторият закон на Нютон, представен в този вид, съдържа нова физическа величина - импулс. При скорости, близки до скоростта на светлината във вакуум, импулсът става основното количество, измервано в експериментите. Следователно уравнение (2.2) е обобщение на уравнението на движението за релативистични скорости.

Както може да се види от уравнение (2.2), ако , тогава постоянна стойност, следва, че е постоянна, т.е. импулсът, а с него и скоростта на свободно движеща се материална точка, са постоянни. Така формално първият закон на Нютон е следствие от втория закон. Защо тогава се обособява като самостоятелен закон? Факт е, че уравнението, изразяващо втория закон на Нютон, има смисъл само когато е посочена отправната система, в която е валидно. Първият закон на Нютон ни позволява да изберем такава референтна система. Той твърди, че има референтна система, в която свободна материална точка се движи без ускорение. В такава отправна система движението на всяка материална точка се подчинява на уравнението на движението на Нютон. Така по същество първият закон не може да се разглежда като просто логическо следствие от втория. Връзката между тези закони е по-дълбока.

От уравнение (2.2) следва, че , т.е. безкрайно малка промяна в импулса за безкрайно малък период от време е равна на продукта, наречен импулс на властта.Колкото по-голям е импулсът на силата, толкова по-голяма е промяната в импулса.

ВИДОВЕ СИЛИ

Цялото разнообразие от взаимодействия, съществуващи в природата, се свежда до четири вида: гравитационни, електромагнитни, силни и слаби. Силните и слабите взаимодействия са значими на такива малки разстояния, когато законите на механиката на Нютон вече не са приложими. Всички макроскопични явления в света около нас се определят от гравитационни и електромагнитни взаимодействия. Само за тези видове взаимодействия може да се използва понятието сила в смисъла на Нютоновата механика. Гравитационните сили са най-значими, когато големи маси си взаимодействат. Проявите на електромагнитните сили са изключително разнообразни. Добре познатите сили на триене и еластични сили са от електромагнитно естество. Тъй като вторият закон на Нютон определя ускорението на тялото, независимо от природата на силите, придаващи ускорението, в бъдеще ще използваме така наречения феноменологичен подход: разчитайки на опита, ще установим количествени закони за тези сили.

Еластични сили.Еластични сили възникват в тяло, което изпитва влиянието на други тела или полета, и са свързани с деформацията на тялото. Деформациите са особен вид движение, а именно движението на части на тялото една спрямо друга под въздействието на външна сила. Когато едно тяло се деформира, неговата форма и обем се променят. За твърдите тела има два гранични случая на деформация: еластична и пластична. Деформацията се нарича еластична, ако напълно изчезне след прекратяване на действието на деформиращите сили. При пластични (нееластични) деформации тялото частично запазва променената си форма след отстраняване на натоварването.

Еластичните деформации на телата са разнообразни. Под въздействието на външна сила телата могат да се разтягат и свиват, огъват, усукват и т.н. Това изместване се противодейства от силите на взаимодействие между частиците твърдо, като държи тези частици на определено разстояние една от друга. Следователно при всякакъв вид еластична деформация в тялото възникват вътрешни сили, които предотвратяват неговата деформация. Силите, които възникват в тялото по време на неговата еластична деформация и са насочени срещу посоката на изместване на частиците на тялото, причинено от деформацията, се наричат ​​еластични сили. Еластични сили действат във всяка част на деформираното тяло, както и в точката на контакта му с тялото, причинявайки деформация.

Опитът показва, че при малки еластични деформации големината на деформацията е пропорционална на силата, която я предизвиква (фиг. 2.3). Това твърдение се нарича закон Хук.

Робърт Хук, 1635–1702

английски физик. Роден в Freshwater на остров Уайт в семейство на свещеник, той завършва Оксфордския университет. Докато все още е в университета, той работи като асистент в лабораторията на Робърт Бойл, помагайки на последния да изгради Вакуумна помпаза инсталацията, където е открит законът на Бойл-Мариот. Като съвременник на Исак Нютон, той активно участва с него в работата на Кралското общество, а през 1677 г. заема поста научен секретар там. Подобно на много други учени от своето време, Робърт Хук се интересува от голямо разнообразие от области. природни наукии допринесе за развитието на много от тях. В своята монография Micrographia той публикува много скици на микроскопичната структура на живи тъкани и други биологични образци и е първият, който въвежда съвременната концепция за „жива клетка“. В геологията той е първият, който признава значението на геоложките пластове и първият в историята, който се занимава с научно изследване на природните бедствия. Той е един от първите, които изказват хипотезата, че силата на гравитационното привличане между телата намалява пропорционално на квадрата на разстоянието между тях, а двама сънародници и съвременници, Хук и Нютон, до края на живота си се оспорват един друг за правото да бъде наречен откривател на закона за всемирното притегляне. Хук е проектирал и изградил със собствените си ръце цяла линияважни научни измервателни инструменти. По-специално, той беше първият, който предложи поставянето на мерник, направен от две тънки нишки в окуляра на микроскоп, първият, който предложи да се вземе точката на замръзване на водата като нула на температурната скала, а също така изобрети универсално съединение (карданно съединение ).

Математическият израз на закона на Хук за едностранна деформация на опън (натиск) има формата:

където е еластичната сила; – изменение на дължината (деформация) на тялото; – коефициент на пропорционалност, зависещ от размера и материала на тялото, наречен твърдост. Единицата SI за коравина е нютон на метър (N/m). При едностранно напрежение или компресия еластичната сила е насочена по правата линия, по която действа външната сила, предизвикваща деформация на тялото, противоположна на посоката на тази сила и перпендикулярна на повърхността на тялото. Еластичната сила винаги е насочена към равновесното положение. Еластичната сила, която действа върху тялото от страната на опората или окачването, се нарича сила на реакция на опората или сила на опън на окачването.

В . В такъв случай . Следователно модулът на Йънг е числено равен на това нормално напрежение, които трябва да се появят в тялото, когато дължината му се удвои (ако законът на Хук беше изпълнен за такава голяма деформация). От (2.3) също така става ясно, че в системата от единици SI модулът на Йънг се измерва в паскали (). За различни материалиМодулът на Йънг варира в широки граници. За стоманата, например, и за каучука приблизително, тоест с пет порядъка по-малко.

Разбира се, законът на Хук, дори във формата, подобрена от Юнг, не описва всичко, което се случва с твърдото тяло под въздействието на външни сили. Представете си ластик. Ако не го разтегнете твърде много, от гумената лента ще възникне възстановителна сила на еластично напрежение и веднага щом го пуснете, той веднага ще се събере и ще приеме същата форма. Ако разтегнете гумената лента допълнително, рано или късно тя ще загуби своята еластичност и ще почувствате, че якостта на опън е намаляла. Това означава, че сте преминали така наречената граница на еластичност на материала. Ако дръпнете гумата още повече, след известно време тя ще се счупи напълно и съпротивлението ще изчезне напълно. Това означава, че е премината така наречената точка на прекъсване. С други думи, законът на Хук се прилага само за относително малки компресии или разтягания.

Представяме на вашето внимание видео урок, посветен на темата „Инерциални отправни системи. Първият закон на Нютон“, който е включен в училищния курс по физика за 9 клас. В началото на урока учителят ще ви напомни за важността на избраната референтна рамка. И тогава той ще говори за правилността и характеристиките на избраната референтна система, а също така ще обясни термина „инерция“.

В предишния урок говорихме за важността на избора на референтна система. Нека ви напомним, че траекторията, изминатото разстояние и скоростта ще зависят от това как избираме CO. Има редица други характеристики, свързани с избора на референтна система, и ние ще говорим за тях.

Ориз. 1. Зависимост на траекторията на падащ товар от избора на отправна система

В седми клас изучавахте понятията „инерция“ и „инерция“.

Инерция - Това явление, при което тялото се стреми да запази първоначалното си състояние. Ако тялото се движеше, то трябва да се стреми да поддържа скоростта на това движение. И ако е било в покой, то ще се стреми да запази състоянието си на покой.

Инерция - Това Имоттелата поддържат състояние на движение.Свойството на инерцията се характеризира с такова количество като маса. Тегло – мярка за инерция на тялото. Колкото по-тежко е тялото, толкова по-трудно е да го преместите или, обратно, да го спрете.

Моля, имайте предвид, че тези понятия са пряко свързани с понятието " инерционна отправна система"(ISO), което ще бъде обсъдено по-долу.

Нека разгледаме движението на тялото (или състоянието на покой) в случая, когато тялото не се въздейства от други тела. Заключението за това как ще се държи едно тяло при липса на действие на други тела е предложено за първи път от Рене Декарт (фиг. 2) и е продължено в експериментите на Галилей (фиг. 3).

Ориз. 2. Рене Декарт

Ориз. 3. Галилео Галилей

Ако едно тяло се движи и други тела не му действат, тогава движението ще се запази, то ще остане праволинейно и равномерно. Ако други тела не действат върху тялото и тялото е в покой, тогава състоянието на покой ще се запази. Но е известно, че състоянието на покой е свързано с референтна система: в една референтна система тялото е в покой, а в другата се движи доста успешно и с ускорена скорост. Резултатите от експериментите и разсъжденията водят до извода, че не във всички отправни системи едно тяло ще се движи праволинейно и равномерно или ще бъде в покой при липса на действие на други тела върху него.

Следователно, за решаване основна задачаЗа механиката е важно да се избере система за отчитане, при която законът на инерцията все още е изпълнен, където причината, която е причинила промяната в движението на тялото, е ясна. Ако тялото се движи праволинейно и равномерно при липса на действие на други тела, такава референтна система ще бъде за предпочитане за нас и ще се нарича инерциална отправна система(ISO).

Възгледът на Аристотел за причината за движението

Инерционна системаобратното броене е удобен моделда описват движението на тялото и причините, които предизвикват това движение. Тази концепция се появява за първи път благодарение на Исак Нютон (фиг. 5).

Ориз. 5. Исак Нютон (1643-1727)

Древните гърци са си представяли движението съвсем различно. Ще се запознаем с гледната точка на Аристотел за движението (фиг. 6).

Ориз. 6. Аристотел

Според Аристотел има само една инерционна отправна система - отправната система, свързана със Земята. Всички останали референтни системи според Аристотел са вторични. Съответно всички движения могат да бъдат разделени на два вида: 1) естествени, т.е. тези, съобщавани от Земята; 2) принудени, тоест всички останали.

Най-простият пример за естествено движение е свободното падане на тяло към Земята, тъй като в този случай Земята придава скорост на тялото.

Нека да разгледаме пример за принудително движение. Това е ситуация кон, теглещ каруца. Докато конят упражнява сила, каруцата се движи (фиг. 7). Щом спря конят, спря и каруцата. Няма сила - няма скорост. Според Аристотел именно силата обяснява наличието на скорост в тялото.

Ориз. 7. Принудително движение

Досега някои обикновени хора смятат гледната точка на Аристотел за справедлива. Например полковник Фридрих Краус фон Цилергут от „Приключенията на добрия войник Швейк по време на световната война“ се опита да илюстрира принципа „Няма сила – няма скорост“: „Когато целият бензин свърши“, каза полковникът, „ колата е била спряна принудително. Аз лично видях това вчера. И след това продължават да говорят за инерция, господа. Не върви, стои там, не се движи. Без бензин! Не е ли смешно?"

Както в съвременния шоубизнес, където има фенове, винаги ще има и критици. Аристотел също е имал своите критици. Предложиха му да направи следния експеримент: пуснете тялото и то ще падне точно под мястото, където сме го пуснали. Нека дадем пример за критика на теорията на Аристотел, подобен на примерите на неговите съвременници. Представете си, че летящ самолет хвърля бомба (фиг. 8). Ще падне ли бомбата точно под мястото, където я пуснахме?

Ориз. 8. Илюстрация например

Разбира се, че не. Но това е естествено движение - движение, което е съобщено от Земята. Тогава какво кара тази бомба да се движи напред? Аристотел отговаря по следния начин: факт е, че естественото движение, което Земята предава, пада право надолу. Но когато се движи във въздуха, бомбата се отнася от своята турбуленция и тези турбуленции сякаш тласкат бомбата напред.

Какво се случва, ако въздухът се отстрани и се създаде вакуум? В крайна сметка, ако няма въздух, тогава според Аристотел бомбата трябва да падне точно под мястото, където е хвърлена. Аристотел твърди, че ако няма въздух, тогава такава ситуация е възможна, но всъщност в природата няма празнота, няма вакуум. И ако няма вакуум, няма проблем.

И само Галилео Галилей формулира принципа на инерцията във формата, с която сме свикнали. Причината за промяната на скоростта е действието на други тела върху тялото. Ако други тела не действат върху тялото или това действие е компенсирано, тогава скоростта на тялото няма да се промени.

Следните аргументи могат да бъдат направени по отношение на инерциалната отправна система. Представете си ситуация, когато кола се движи, тогава водачът изключва двигателя и след това колата се движи по инерция (фиг. 9). Но това е неправилно твърдение по простата причина, че след време колата ще спре в резултат на триене. Следователно в в такъв случайняма да има равномерно движение - липсва едно от условията.

Ориз. 9. Скоростта на автомобила се променя в резултат на триене

Нека разгледаме друг случай: голям, голям трактор се движи с постоянна скорост, докато отпред влачи голям товар с кофа. Такова движение може да се разглежда като праволинейно и равномерно, тъй като в този случай всички сили, които действат върху тялото, се компенсират и се балансират взаимно (фиг. 10). Това означава, че референтната система, свързана с това тяло, може да се счита за инерционна.

Ориз. 10. Тракторът се движи равномерно и праволинейно. Компенсирано е действието на всички тела

Може да има много инерциални отправни системи. В действителност такава референтна система все още е идеализирана, тъй като при по-внимателно разглеждане няма такива референтни системи в пълния смисъл на думата. ISO е вид идеализация, която ви позволява ефективно да симулирате реални физически процеси.

За инерциалните отправни системи е валидна формулата на Галилей за добавяне на скорости. Също така отбелязваме, че всички референтни системи, за които говорихме преди, могат да се считат за инерционни до известно приближение.

Законът, посветен на ISO, е формулиран за първи път от Исак Нютон. Заслугата на Нютон се състои в това, че той пръв научно доказа, че скоростта на движещо се тяло не се променя моментално, а в резултат на някакво действие във времето. Този факт е в основата на създаването на закона, който наричаме първи закон на Нютон.

Първият закон на Нютон : има такива отправни системи, в които тялото се движи праволинейно и равномерно или е в покой, ако върху тялото не действат сили или всички сили, действащи върху тялото, са компенсирани. Такива референтни системи се наричат ​​инерциални.

По друг начин те понякога казват следното: инерционна референтна система е система, в която са изпълнени законите на Нютон.

Защо Земята е неинерционен CO? Махалото на Фуко

В голям брой задачи е необходимо да се разглежда движението на тялото спрямо Земята, докато ние считаме Земята за инерционна референтна система. Оказва се, че това твърдение не винаги е вярно. Ако разгледаме движението на Земята спрямо нейната ос или спрямо звездите, тогава това движение се извършва с известно ускорение. СО, който се движи с определено ускорение, не може да се счита за инерционен в пълния смисъл.

Земята се върти около оста си, което означава, че всички точки, разположени на нейната повърхност, непрекъснато променят посоката на своята скорост. Скоростта е векторно количество. Ако посоката му се промени, тогава се появява известно ускорение. Следователно Земята не може да бъде правилен ISO. Ако изчислим това ускорение за точки, разположени на екватора (точки, които имат максимално ускорение спрямо точки, разположени по-близо до полюсите), тогава неговата стойност ще бъде . Индексът показва, че ускорението е центростремително. В сравнение с ускорението, дължащо се на гравитацията, ускорението може да бъде пренебрегнато и Земята може да се счита за инерционна отправна система.

Въпреки това, по време на дългосрочни наблюдения не може да се забрави за въртенето на Земята. Това убедително показа френският учен Жан Бернар Леон Фуко (фиг. 11).

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

Махалото на Фуко(фиг. 12) - това е масивна тежест, окачена на много дълга нишка.

Ориз. 12. Модел на махалото на Фуко

Ако махалото на Фуко бъде извадено от равновесие, тогава то ще опише следната траектория, различна от права линия (фиг. 13). Преместването на махалото се дължи на въртенето на Земята.

Ориз. 13. Трептения на махалото на Фуко. Поглед отгоре.

Въртенето на Земята се причинява от редица други интересни факти. Например при реките в северното полукълбо по правило десният бряг е по-стръмен, а левият е по-плосък. В реките на южното полукълбо е обратното. Всичко това се дължи именно на въртенето на Земята и произтичащата от това сила на Кориолис.

По въпроса за формулировката на първия закон на Нютон

Първият закон на Нютон: ако върху едно тяло не действат тела или тяхното действие е взаимно уравновесено (компенсирано), то това тяло ще бъде в покой или ще се движи равномерно и праволинейно.

Нека разгледаме ситуация, която ще ни покаже, че тази формулировка на първия закон на Нютон трябва да бъде коригирана. Представете си влак със завеси на прозорците. В такъв влак пътникът не може да определи дали влакът се движи или не, като гледа предмети отвън. Нека разгледаме две референтни системи: FR, свързана с пътника Володя, и FR, свързана с наблюдателя на платформата Катя. Влакът започва да ускорява, скоростта му се увеличава. Какво ще стане с ябълката, която е на масата? Той ще се търкаля по инерция в противоположната страна. За Катя ще бъде очевидно, че ябълката се движи по инерция, но за Володя това ще бъде неразбираемо. Той не вижда, че влакът е потеглил и изведнъж ябълка, лежаща на масата, започва да се търкаля към него. Как е възможно това? В крайна сметка, според първия закон на Нютон, ябълката трябва да остане в покой. Следователно е необходимо да се подобри дефиницията на първия закон на Нютон.

Ориз. 14. Пример за илюстрация

Правилна формулировка на първия закон на Нютонзвучи така: има отправни системи, в които тялото се движи праволинейно и равномерно или е в покой, ако върху тялото не действат сили или всички сили, действащи върху тялото, са компенсирани.

Володя е в неинерциална отправна система, а Катя е в инерциална.

Повечето от системите, реалните отправни системи, са неинерциални. Нека разгледаме един прост пример: докато седите във влак, вие слагате някакво тяло (например ябълка) на масата. Когато влакът тръгне, ще наблюдаваме следната интересна картина: ябълката ще се движи, ще се търкаля в посока, обратна на движението на влака (фиг. 15). В този случай няма да можем да определим какви тела действат и карат ябълката да се движи. В този случай системата се нарича неинерциална. Но можете да излезете от тази ситуация, като влезете инерционна сила.

Ориз. 15. Пример за неинерционен FR

Друг пример: когато тялото се движи по крив път (фиг. 16), възниква сила, която кара тялото да се отклони от правата посока на движение. В този случай също трябва да вземем предвид неинерциална отправна система, но, както и в предишния случай, можем да излезем и от ситуацията, като въведем т.нар. инерционни сили.

Ориз. 16. Инерционни сили при движение по заоблена траектория

Заключение

Има безкраен брой отправни системи, но повечето от тях са тези, които не можем да считаме за инерциални отправни системи. Инерциалната отправна система е идеализиран модел. Между другото, с такава референтна система можем да приемем референтна система, свързана със Земята или някои далечни обекти (например със звезди).

Библиография

1. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учебник за 9. клас гимназия. - М.: Просвещение.
2. Перишкин А.В., Гутник Е.М. Физика. 9. клас: учебник за общообразовател. институции / А. В. Перишкин, Е. М. Гутник. - 14-то изд., стереотип. - М.: Дропла, 2009. - 300.
3. Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Физика: Справочник с примери за решаване на задачи. - 2-ро издание, преработка. - X.: Веста: Издателство Ранок, 2005. - 464 с.

1. Интернет портал “physics.ru” ()
2. Интернет портал “ens.tpu.ru” ()
3. Интернет портал “prosto-o-slognom.ru” ()

Домашна работа

1. Формулирайте определенията за инерциални и неинерциални отправни системи. Дайте примери за такива системи.
2. Изложете първия закон на Нютон.
3. В ISO тялото е в покой. Определете каква е стойността на неговата скорост в ISO, която се движи спрямо първия референтен кадър със скорост v?

Представяме на вашето внимание видео урок, посветен на темата „Инерциални отправни системи. Първият закон на Нютон“, който е включен в училищния курс по физика за 9 клас. В началото на урока учителят ще ви напомни за важността на избраната референтна рамка. И тогава той ще говори за правилността и характеристиките на избраната референтна система, а също така ще обясни термина „инерция“.

В предишния урок говорихме за важността на избора на референтна система. Нека ви напомним, че траекторията, изминатото разстояние и скоростта ще зависят от това как избираме CO. Има редица други характеристики, свързани с избора на референтна система, и ние ще говорим за тях.

Ориз. 1. Зависимост на траекторията на падащ товар от избора на отправна система

В седми клас изучавахте понятията „инерция“ и „инерция“.

Инерция - Това явление, при което тялото се стреми да запази първоначалното си състояние. Ако тялото се движеше, то трябва да се стреми да поддържа скоростта на това движение. И ако е било в покой, то ще се стреми да запази състоянието си на покой.

Инерция - Това Имоттелата поддържат състояние на движение.Свойството на инерцията се характеризира с такова количество като маса. Тегло – мярка за инерция на тялото. Колкото по-тежко е тялото, толкова по-трудно е да го преместите или, обратно, да го спрете.

Моля, имайте предвид, че тези понятия са пряко свързани с понятието " инерционна отправна система"(ISO), което ще бъде обсъдено по-долу.

Нека разгледаме движението на тялото (или състоянието на покой) в случая, когато тялото не се въздейства от други тела. Заключението за това как ще се държи едно тяло при липса на действие на други тела е предложено за първи път от Рене Декарт (фиг. 2) и е продължено в експериментите на Галилей (фиг. 3).

Ориз. 2. Рене Декарт

Ориз. 3. Галилео Галилей

Ако едно тяло се движи и други тела не му действат, тогава движението ще се запази, то ще остане праволинейно и равномерно. Ако други тела не действат върху тялото и тялото е в покой, тогава състоянието на покой ще се запази. Но е известно, че състоянието на покой е свързано с референтна система: в една референтна система тялото е в покой, а в другата се движи доста успешно и с ускорена скорост. Резултатите от експериментите и разсъжденията водят до извода, че не във всички отправни системи едно тяло ще се движи праволинейно и равномерно или ще бъде в покой при липса на действие на други тела върху него.

Следователно, за да се реши основният проблем на механиката, е важно да се избере система за отчитане, при която законът на инерцията все още е изпълнен, където причината, която е причинила промяната в движението на тялото, е ясна. Ако тялото се движи праволинейно и равномерно при липса на действие на други тела, такава референтна система ще бъде за предпочитане за нас и ще се нарича инерциална отправна система(ISO).

Възгледът на Аристотел за причината за движението

Инерциалната отправна система е удобен модел за описание на движението на тялото и причините, които предизвикват това движение. Тази концепция се появява за първи път благодарение на Исак Нютон (фиг. 5).

Ориз. 5. Исак Нютон (1643-1727)

Древните гърци са си представяли движението съвсем различно. Ще се запознаем с гледната точка на Аристотел за движението (фиг. 6).

Ориз. 6. Аристотел

Според Аристотел има само една инерционна отправна система - отправната система, свързана със Земята. Всички останали референтни системи според Аристотел са вторични. Съответно всички движения могат да бъдат разделени на два вида: 1) естествени, т.е. тези, съобщавани от Земята; 2) принудени, тоест всички останали.

Най-простият пример за естествено движение е свободното падане на тяло към Земята, тъй като в този случай Земята придава скорост на тялото.

Нека да разгледаме пример за принудително движение. Това е ситуация кон, теглещ каруца. Докато конят упражнява сила, каруцата се движи (фиг. 7). Щом спря конят, спря и каруцата. Няма сила - няма скорост. Според Аристотел именно силата обяснява наличието на скорост в тялото.

Ориз. 7. Принудително движение

Досега някои обикновени хора смятат гледната точка на Аристотел за справедлива. Например полковник Фридрих Краус фон Цилергут от „Приключенията на добрия войник Швейк по време на световната война“ се опита да илюстрира принципа „Няма сила – няма скорост“: „Когато целият бензин свърши“, каза полковникът, „ колата е била спряна принудително. Аз лично видях това вчера. И след това продължават да говорят за инерция, господа. Не върви, стои там, не се движи. Без бензин! Не е ли смешно?"

Както в съвременния шоубизнес, където има фенове, винаги ще има и критици. Аристотел също е имал своите критици. Предложиха му да направи следния експеримент: пуснете тялото и то ще падне точно под мястото, където сме го пуснали. Нека дадем пример за критика на теорията на Аристотел, подобен на примерите на неговите съвременници. Представете си, че летящ самолет хвърля бомба (фиг. 8). Ще падне ли бомбата точно под мястото, където я пуснахме?

Ориз. 8. Илюстрация например

Разбира се, че не. Но това е естествено движение - движение, което е съобщено от Земята. Тогава какво кара тази бомба да се движи напред? Аристотел отговаря по следния начин: факт е, че естественото движение, което Земята предава, пада право надолу. Но когато се движи във въздуха, бомбата се отнася от своята турбуленция и тези турбуленции сякаш тласкат бомбата напред.

Какво се случва, ако въздухът се отстрани и се създаде вакуум? В крайна сметка, ако няма въздух, тогава според Аристотел бомбата трябва да падне точно под мястото, където е хвърлена. Аристотел твърди, че ако няма въздух, тогава такава ситуация е възможна, но всъщност в природата няма празнота, няма вакуум. И ако няма вакуум, няма проблем.

И само Галилео Галилей формулира принципа на инерцията във формата, с която сме свикнали. Причината за промяната на скоростта е действието на други тела върху тялото. Ако други тела не действат върху тялото или това действие е компенсирано, тогава скоростта на тялото няма да се промени.

Следните аргументи могат да бъдат направени по отношение на инерциалната отправна система. Представете си ситуация, когато кола се движи, тогава водачът изключва двигателя и след това колата се движи по инерция (фиг. 9). Но това е неправилно твърдение по простата причина, че след време колата ще спре в резултат на триене. Следователно в този случай няма да има равномерно движение - липсва едно от условията.

Ориз. 9. Скоростта на автомобила се променя в резултат на триене

Нека разгледаме друг случай: голям, голям трактор се движи с постоянна скорост, докато отпред влачи голям товар с кофа. Такова движение може да се разглежда като праволинейно и равномерно, тъй като в този случай всички сили, които действат върху тялото, се компенсират и се балансират взаимно (фиг. 10). Това означава, че референтната система, свързана с това тяло, може да се счита за инерционна.

Ориз. 10. Тракторът се движи равномерно и праволинейно. Компенсирано е действието на всички тела

Може да има много инерциални отправни системи. В действителност такава референтна система все още е идеализирана, тъй като при по-внимателно разглеждане няма такива референтни системи в пълния смисъл на думата. ISO е вид идеализация, която ви позволява ефективно да симулирате реални физически процеси.

За инерциалните отправни системи е валидна формулата на Галилей за добавяне на скорости. Също така отбелязваме, че всички референтни системи, за които говорихме преди, могат да се считат за инерционни до известно приближение.

Законът, посветен на ISO, е формулиран за първи път от Исак Нютон. Заслугата на Нютон се състои в това, че той пръв научно доказа, че скоростта на движещо се тяло не се променя моментално, а в резултат на някакво действие във времето. Този факт е в основата на създаването на закона, който наричаме първи закон на Нютон.

Първият закон на Нютон : има такива отправни системи, в които тялото се движи праволинейно и равномерно или е в покой, ако върху тялото не действат сили или всички сили, действащи върху тялото, са компенсирани. Такива референтни системи се наричат ​​инерциални.

По друг начин те понякога казват следното: инерционна референтна система е система, в която са изпълнени законите на Нютон.

Защо Земята е неинерционен CO? Махалото на Фуко

В голям брой задачи е необходимо да се разглежда движението на тялото спрямо Земята, докато ние считаме Земята за инерционна референтна система. Оказва се, че това твърдение не винаги е вярно. Ако разгледаме движението на Земята спрямо нейната ос или спрямо звездите, тогава това движение се извършва с известно ускорение. СО, който се движи с определено ускорение, не може да се счита за инерционен в пълния смисъл.

Земята се върти около оста си, което означава, че всички точки, разположени на нейната повърхност, непрекъснато променят посоката на своята скорост. Скоростта е векторно количество. Ако посоката му се промени, тогава се появява известно ускорение. Следователно Земята не може да бъде правилен ISO. Ако изчислим това ускорение за точки, разположени на екватора (точки, които имат максимално ускорение спрямо точки, разположени по-близо до полюсите), тогава неговата стойност ще бъде . Индексът показва, че ускорението е центростремително. В сравнение с ускорението, дължащо се на гравитацията, ускорението може да бъде пренебрегнато и Земята може да се счита за инерционна отправна система.

Въпреки това, по време на дългосрочни наблюдения не може да се забрави за въртенето на Земята. Това убедително показа френският учен Жан Бернар Леон Фуко (фиг. 11).

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

Махалото на Фуко(фиг. 12) - това е масивна тежест, окачена на много дълга нишка.

Ориз. 12. Модел на махалото на Фуко

Ако махалото на Фуко бъде извадено от равновесие, тогава то ще опише следната траектория, различна от права линия (фиг. 13). Преместването на махалото се дължи на въртенето на Земята.

Ориз. 13. Трептения на махалото на Фуко. Поглед отгоре.

Въртенето на Земята се дължи на редица други интересни факти. Например при реките в северното полукълбо по правило десният бряг е по-стръмен, а левият е по-плосък. В реките на южното полукълбо е обратното. Всичко това се дължи именно на въртенето на Земята и произтичащата от това сила на Кориолис.

По въпроса за формулировката на първия закон на Нютон

Първият закон на Нютон: ако върху едно тяло не действат тела или тяхното действие е взаимно уравновесено (компенсирано), то това тяло ще бъде в покой или ще се движи равномерно и праволинейно.

Нека разгледаме ситуация, която ще ни покаже, че тази формулировка на първия закон на Нютон трябва да бъде коригирана. Представете си влак със завеси на прозорците. В такъв влак пътникът не може да определи дали влакът се движи или не, като гледа предмети отвън. Нека разгледаме две референтни системи: FR, свързана с пътника Володя, и FR, свързана с наблюдателя на платформата Катя. Влакът започва да ускорява, скоростта му се увеличава. Какво ще стане с ябълката, която е на масата? Той ще се търкаля в обратна посока по инерция. За Катя ще бъде очевидно, че ябълката се движи по инерция, но за Володя това ще бъде неразбираемо. Той не вижда, че влакът е потеглил и изведнъж ябълка, лежаща на масата, започва да се търкаля към него. Как е възможно това? В крайна сметка, според първия закон на Нютон, ябълката трябва да остане в покой. Следователно е необходимо да се подобри дефиницията на първия закон на Нютон.

Ориз. 14. Пример за илюстрация

Правилна формулировка на първия закон на Нютонзвучи така: има отправни системи, в които тялото се движи праволинейно и равномерно или е в покой, ако върху тялото не действат сили или всички сили, действащи върху тялото, са компенсирани.

Володя е в неинерциална отправна система, а Катя е в инерциална.

Повечето от системите, реалните отправни системи, са неинерциални. Нека разгледаме един прост пример: докато седите във влак, вие слагате някакво тяло (например ябълка) на масата. Когато влакът тръгне, ще наблюдаваме следната интересна картина: ябълката ще се движи, ще се търкаля в посока, обратна на движението на влака (фиг. 15). В този случай няма да можем да определим какви тела действат и карат ябълката да се движи. В този случай системата се нарича неинерциална. Но можете да излезете от тази ситуация, като влезете инерционна сила.

Ориз. 15. Пример за неинерционен FR

Друг пример: когато тялото се движи по крив път (фиг. 16), възниква сила, която кара тялото да се отклони от правата посока на движение. В този случай също трябва да вземем предвид неинерциална отправна система, но, както и в предишния случай, можем да излезем и от ситуацията, като въведем т.нар. инерционни сили.

Ориз. 16. Инерционни сили при движение по заоблена траектория

Заключение

Има безкраен брой отправни системи, но повечето от тях са тези, които не можем да считаме за инерциални отправни системи. Инерциалната отправна система е идеализиран модел. Между другото, с такава референтна система можем да приемем референтна система, свързана със Земята или някои далечни обекти (например със звезди).

Библиография

1. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учебник за 9 клас на СОУ. - М.: Просвещение.
2. Перишкин А.В., Гутник Е.М. Физика. 9. клас: учебник за общообразовател. институции / А. В. Перишкин, Е. М. Гутник. - 14-то изд., стереотип. - М.: Дропла, 2009. - 300.
3. Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Физика: Справочник с примери за решаване на задачи. - 2-ро издание, преработка. - X.: Веста: Издателство Ранок, 2005. - 464 с.

1. Интернет портал “physics.ru” ()
2. Интернет портал “ens.tpu.ru” ()
3. Интернет портал “prosto-o-slognom.ru” ()

Домашна работа

1. Формулирайте определенията за инерциални и неинерциални отправни системи. Дайте примери за такива системи.
2. Изложете първия закон на Нютон.
3. В ISO тялото е в покой. Определете каква е стойността на неговата скорост в ISO, която се движи спрямо първия референтен кадър със скорост v?

Древните философи се опитват да разберат същността на движението, да идентифицират въздействието на звездите и Слънцето върху хората. Освен това хората винаги са се опитвали да идентифицират силите, които действат върху материална точка по време на нейното движение, както и в момента на покой.

Аристотел вярва, че при липса на движение тялото не се влияе от никакви сили. Нека се опитаме да разберем кои референтни системи се наричат ​​инерционни и да дадем примери за тях.

Състояние на покой

IN Ежедневиетотрудно е да се идентифицира такова състояние. При почти всички видове механични движения се предполага наличието на външни сили. Причината е силата на триене, която пречи на много обекти да напуснат първоначалното си положение и да напуснат състояние на покой.

Разглеждайки примери за инерциални референтни системи, отбелязваме, че всички те отговарят на първия закон на Нютон. Едва след откриването му стана възможно да се обясни състоянието на покой и да се посочат силите, действащи върху тялото в това състояние.

Твърдение на 1-ви закон на Нютон

В съвременната интерпретация той обяснява съществуването на координатни системи, по отношение на които може да се разглежда липсата на влияние върху материална точка от външни сили. От гледна точка на Нютон референтните системи се наричат ​​инерционни, които ни позволяват да разгледаме запазването на скоростта на тялото за дълго време.

Дефиниции

Кои отправни системи са инерциални? Примери за тях се изучават в училищния курс по физика. Инерциалните системи се считат за тези референтни системи, спрямо които материалната точка се движи с постоянна скорост. Нютон изясни, че всяко тяло може да бъде в подобно състояние, стига да няма нужда да се прилагат сили към него, които могат да променят това състояние.

В действителност законът за инерцията не е изпълнен във всички случаи. Анализирайки примери за инерциални и неинерциални референтни системи, помислете за човек, който държи перилата в движещо се превозно средство. Когато колата спира рязко, човек автоматично се премества спрямо превозното средство, въпреки липсата на външна сила.

Оказва се, че не всички примери за инерциална отправна система отговарят на формулировката на 1-ви закон на Нютон. За изясняване на закона за инерцията е въведена прецизна справка, в която той е безупречно изпълнен.

Видове отправни системи

Кои отправни системи се наричат ​​инерциални? Това скоро ще стане ясно. „Дайте примери за инерционни референтни системи, в които е изпълнен първият закон на Нютон“ - подобна задача се предлага на ученици, които са избрали физика като изпит в девети клас. За да се справи със задачата е необходимо да има разбиране за инерциални и неинерциални отправни системи.

Инерцията включва поддържане на покой или равномерно линейно движение на тялото, докато тялото е изолирано. „Изолирани“ се считат за тела, които не са свързани, не взаимодействат и са отдалечени едно от друго.

Нека да разгледаме някои примери за инерциални отправни системи. Ако приемем, че отправната система е звезда в Галактиката, а не движещ се автобус, изпълнението на закона за инерцията за пътниците, хванати за перилата, ще бъде безупречно.

По време на спиране това превозно средствоще продължи равномерно праволинейно движение, докато върху него не въздействат други тела.

Кои са някои примери за инерционна отправна система? Те не трябва да имат връзка с анализираното тяло или да влияят върху инертността му.

Именно за такива системи е изпълнен първият закон на Нютон. IN Истински животтрудно е да се разгледа движението на тялото спрямо инерционните референтни системи. Невъзможно е да се стигне до далечна звезда, за да се провеждат земни експерименти от нея.

Земята се приема като конвенционална отправна система, въпреки факта, че е свързана с обекти, разположени върху нея.

Ускорението в инерционна отправна система може да се изчисли, ако вземем земната повърхност като отправна система. Не във физиката математическа нотация 1 от закона на Нютон, но именно той е в основата на извеждането на мн физически дефинициии условия.

Примери за инерциални отправни системи

На учениците понякога им е трудно да разберат физическите явления. На деветокласниците се предлага задача със следното съдържание: „Кои отправни системи се наричат ​​инерциални? Дайте примери за такива системи." Да приемем, че количката с топката първоначално се движи плоска повърхност, с постоянна скорост. След това се движи по пясъка, в резултат на което топката се привежда в ускорено движение, въпреки факта, че върху нея не действат други сили (общият им ефект е нула).

Същността на случващото се може да се обясни с факта, че докато се движи по пясъчна повърхност, системата престава да бъде инерционна, тя има постоянна скорост. Примери за инерциални и неинерциални отправни системи показват, че техният преход се извършва за определен период от време.

Когато тялото се ускорява, неговото ускорение има положителна стойност, а при спиране този показател става отрицателен.

Криволинейно движение

Спрямо звездите и Слънцето движението на Земята става по криволинейна траектория, която има формата на елипса. Референтната система, в която центърът е подравнен със Слънцето, а осите са насочени към определени звезди, ще се счита за инерционна.

Имайте предвид, че всяка референтна система, която се движи праволинейно и равномерно спрямо хелиоцентричната система, е инерционна. Криволинейното движение се извършва с известно ускорение.

Предвид факта, че Земята се движи около своята ос, референтната система, която е свързана с нейната повърхност, се движи с известно ускорение спрямо хелиоцентричната. В такава ситуация можем да заключим, че референтната система, която е свързана със земната повърхност, се движи с ускорение спрямо хелиоцентричната, така че не може да се счита за инерционна. Но стойността на ускорението на такава система е толкова малка, че в много случаи значително влияе върху спецификата на механичните явления, разглеждани във връзка с нея.

За решаване на практически проблеми от техническо естество е обичайно да се счита, че отправната система, която е твърдо свързана с повърхността на Земята, е инерционна.

Относителността на Галилей

Всички инерциални отправни системи имат важна собственост, което се описва от принципа на относителността. Същността му се състои в това, че всяко механично явление със същ начални условиясе извършва по един и същи начин независимо от избраната отправна система.

Равенството на ISO според принципа на относителността се изразява в следните разпоредби:

• В такива системи те са еднакви, следователно всяко уравнение, което е описано от тях, изразено чрез координати и време, остава непроменено.
• Резултатите от проведените механични експерименти позволяват да се установи дали отправната система ще бъде в покой, или ще извършва праволинейна равномерно движение. Всяка система може условно да бъде призната за неподвижна, ако друга система се движи спрямо нея с определена скорост.
• Уравненията на механиката остават непроменени по отношение на координатните трансформации в случай на преход от една система към втора. Възможно е да се опише същото явление в различни системи, но техните физическа природаняма да се промени.

Разрешаване на проблем

Първи пример.

Определете дали е инерциална отправна система: а) изкуствен спътник на Земята; б) детски атракцион.

Отговор.В първия случай не говори сеотносно инерционната референтна рамка, тъй като спътникът се движи в орбита под въздействието на силата на гравитацията, следователно движението се извършва с известно ускорение.

Втори пример.

Системата за отчитане е здраво свързана с асансьора. В какви ситуации може да се нарече инерционен? Ако асансьорът: а) падне; б) се движи равномерно нагоре; в) нараства бързо; г) е насочена равномерно надолу.

Отговор.а) По време на свободно падане се появява ускорение, така че отправната система, свързана с асансьора, няма да бъде инерционна.

б) Когато асансьорът се движи равномерно, системата е инерционна.

в) При движение с известно ускорение отправната система се счита за инерционна.

г) Асансьорът се движи бавно и има отрицателно ускорение, така че референтната система не може да се нарече инерционна.

Заключение

През цялото си съществуване човечеството се опитва да разбере явленията, случващи се в природата. Опити за обяснение на относителността на движението са направени от Галилео Галилей. Исак Нютон успява да изведе закона за инерцията, който започва да се използва като основен постулат при извършване на изчисления в механиката.

Понастоящем системата за определяне на позицията на тялото включва тяло, устройство за определяне на времето и координатна система. В зависимост от това дали тялото се движи или неподвижно, е възможно да се характеризира позицията на определен обект в желания период от време.

От древни времена движението на материалните тела не спира да вълнува умовете на учените. Например, самият Аристотел вярва, че ако върху дадено тяло не действат никакви сили, тогава такова тяло винаги ще бъде в покой.

И само 2000 години по-късно италианският учен Галилео Галилей успява да изключи думата „винаги“ от формулировката на Аристотел. Галилей осъзнава, че тялото в покой не е единствената последица от липсата на външни сили.

Тогава Галилей заявява: тяло, върху което не действат сили, или ще бъде в покой, или ще се движи равномерно по права линия. Тоест движението със същата скорост по права линия от гледна точка на физиката е еквивалентно на състояние на покой.

Какво е състояние на покой?

В живота този факт е много трудно да се наблюдава, тъй като винаги има сила на триене, която не позволява на предметите и нещата да напуснат местата си. Но ако си представите безкрайно дълга, абсолютно хлъзгава и гладка пързалка, върху която стои тяло, ще стане очевидно, че ако дадете на тялото импулс, тялото ще се движи неограничено и в една права линия.

Всъщност само две сили действат върху тялото: гравитацията и силата на реакция на земята. Но те са разположени на една и съща права линия и са насочени един срещу друг. Така, по принципа на суперпозицията, имаме това обща сила, действаща върху такова тяло е равна на нула.

Това обаче е идеален случай. В живота силата на триене се проявява в почти всички случаи. Галилей прави важно откритие, като приравнява състоянието на покой и движението с постоянна скорост по права линия. Но това не беше достатъчно. Оказа се, че това условие не е изпълнено във всички случаи.

Този въпрос беше изяснен от Исак Нютон, който обобщи изследванията на Галилей и по този начин формулира първия закон на Нютон.

Първият закон на Нютон: формулираме го сами

Има две формулировки на първия закон на Нютон: съвременната и формулировката на самия Исак Нютон. В оригиналната версия първият закон на Нютон е донякъде неточен и съвременна версияв опитите да се коригира тази неточност се оказа много объркващо и следователно неуспешно. Е, тъй като истината винаги е някъде наблизо, ще се опитаме да я намерим „наблизо“ и да разберем какъв е този закон.

Съвременна формулировказвучи така: „Има такива референтни системи, наречени инерционни, по отношение на които материалната точка, при липса на външни влияния, запазва големината и посоката на скоростта си за неопределено време“.

Инерциални референтни системи

Инерциалните отправни системи са тези, в които е изпълнен законът за инерцията. Законът за инерцията е, че телата поддържат скоростта си непроменена, ако върху тях не действат други тела. Оказва се много несмилаемо, неразбираемо и напомнящо за комична ситуация, когато въпросът: „Къде е това „тук“?“ Те отговарят: „Тук е“, а на следващия логичен въпрос: „Къде е „тук“?“ Те отговарят: "Тук е." Масло масло. Порочен кръг.

Собствена формулировка на Нютонтова ли е: „Всяко тяло продължава да се поддържа в състояние на покой или равномерно и праволинейно движение, докато и освен ако не бъде принудено от приложени сили да промени това състояние.“.

На практика обаче този закон не винаги се спазва. Можете лесно да проверите това. Когато човек стои без да държи перилата в движещ се автобус и автобусът внезапно спре, човекът започва да се движи напред спрямо автобуса, въпреки че никаква видима сила не го принуждава да го направи.

Тоест по отношение на автобуса първият закон на Нютон в първоначалната му формулировка не е изпълнен. Очевидно има нужда от пояснение. Уточнение е въвеждането на инерциални отправни системи. Тоест такива референтни системи, в които е изпълнен първият закон на Нютон. Това не е съвсем ясно, така че нека се опитаме да преведем всичко това на човешки език.

Инерциални и неинерциални отправни системи

Свойството на инерция на всяко тяло е такова, че докато тялото остава изолирано от други тела, то ще поддържа своето състояние на покой или равномерно линейно движение. „Изолиран“ означава несвързан по никакъв начин, безкрайно отдалечен от други тела.

На практика това означава, че ако в нашия пример вземем за отправна система не автобус, а някаква звезда в покрайнините на Галактиката, то първият закон на Нютон ще бъде абсолютно точно изпълнен за невнимателен пътник, който не държи на парапети. Когато автобус спира, той ще продължи равномерното си движение, докато други тела не действат върху него.

Такива референтни системи, които по никакъв начин не са свързани с разглежданото тяло и които по никакъв начин не влияят на инерцията на тялото, се наричат ​​инерционни. За такива отправни системи първият закон на Нютон в оригиналната му формулировка е абсолютно валиден.

Това е законът може да се формулира така: в референтни системи, които абсолютно не са свързани с тялото, скоростта на тялото при липса на външно влияние остава непроменена. В тази форма първият закон на Нютон е лесно разбираем.

Проблемът е, че на практика е много трудно да се разгледа движението на конкретно тяло спрямо такива отправни системи. Не можем да се преместим до безкрайно далечна звезда и оттам да извършваме някакви експерименти на Земята.

Следователно Земята условно често се приема като такава референтна система, въпреки че е свързана с телата, разположени върху нея, и влияе върху характеристиките на тяхното движение. Но за много изчисления това приближение е достатъчно. Следователно примери за инерционни референтни системи могат да се считат за Земята за телата, разположени на нея, слънчева системаза своите планети и т.н.

Първият закон на Нютон не се описва с никаква физическа формула, но с негова помощ се извеждат други понятия и определения. По същество този закон постулира инертността на телата. И така се оказва, че за инерциалните отправни системи законът за инерцията е първият закон на Нютон.

Още примери за инерциални системи и първия закон на Нютон

Така например, ако количка с топка се движи първо върху равна повърхност с постоянна скорост и след това се движи върху пясъчна повърхност, тогава топката вътре в количката ще започне да се ускорява, въпреки че върху нея не действат сили (в всъщност го правят, но сумата е нула).

Това се случва, защото отправната система (в случая количката) в момента, в който се удари в пясъчната повърхност, става неинерционна, тоест спира да се движи с постоянна скорост.

Първият закон на Нютон прави важно разграничение между инерциални и неинерциални отправни системи. Друго важно следствие от този закон е фактът, че ускорението в известен смисъл е по-важно от скоростта на тялото.

Тъй като движението с постоянна скорост по права линия е покой. Докато движението с ускорение ясно показва, че или сумата от силите, приложени към тялото, не е равна на нула, или самата референтна система, в която се намира тялото, е неинерционна, тоест се движи с ускорение.

Освен това ускорението може да бъде или положително (тялото се ускорява), или отрицателно (тялото се забавя).

Нуждаете се от помощ с обучението си?

Предишна тема: Относителност на движението: понятие и примери
Следваща тема:   Вторият закон на Нютон: формула и определение + малко опит