Starodavni filozofi so poskušali razumeti bistvo gibanja, razkriti vpliv zvezd in sonca na človeka. Poleg tega so ljudje vedno poskušali prepoznati sile, ki delujejo na materialno točko v procesu njenega gibanja, pa tudi v trenutku počitka.
Aristotel je verjel, da v odsotnosti gibanja na telo ne vplivajo nobene sile. Poskusimo ugotoviti, kateri referenčni okvirji se imenujejo inercialni, dali bomo primere zanje.
Stanje mirovanja
V vsakdanjem življenju je takšno stanje težko zaznati. Pri skoraj vseh vrstah mehanskega gibanja se domneva prisotnost tujih sil. Razlog je sila trenja, ki mnogim predmetom ne omogoča, da zapustijo prvotni položaj, da zapustijo stanje mirovanja.
Glede na primere inercialnih referenčnih sistemov ugotavljamo, da vsi ustrezajo Newtonovemu 1. zakonu. Šele po njegovem odkritju je bilo mogoče razložiti stanje mirovanja, navesti sile, ki v tem stanju delujejo na telo.
Formulacija Newtonovega 1. zakona
V sodobni interpretaciji razlaga obstoj koordinatnih sistemov, glede na katere lahko upoštevamo odsotnost zunanjih sil, ki delujejo na materialno točko. Z Newtonovega stališča se referenčni sistemi imenujejo inercialni, kar nam omogoča, da razmislimo o ohranjanju hitrosti telesa v daljšem časovnem obdobju.
Definicije
Kateri referenčni okviri so inercialni? Njihovi primeri se preučujejo v šolskem tečaju fizike. Za inercialne referenčne sisteme se štejejo tisti, glede na katere se materialna točka giblje s konstantno hitrostjo. Newton je pojasnil, da je lahko vsako telo v podobnem stanju, dokler nanj ni treba uporabiti sil, ki bi lahko spremenile takšno stanje.
V resnici zakon vztrajnosti ni izpolnjen v vseh primerih. Če analiziramo primere inercialnih in neinercialnih referenčnih okvirov, si oglejmo osebo, ki se drži za oprijemala v premikajočem se vozilu. Ko avtomobil močno zavira, se oseba samodejno premakne glede na vozilo, kljub odsotnosti zunanje sile.
Izkazalo se je, da vsi primeri inercialnega referenčnega okvira ne ustrezajo formulaciji 1 Newtonovega zakona. Za pojasnitev zakona vztrajnosti je bila uvedena izpopolnjena definicija referenčnih sistemov, v kateri je brezhibno izpolnjen.
Vrste referenčnih sistemov
Kateri referenčni sistemi se imenujejo inercialni? Kmalu bo jasno. "Navedite primere inercialnih referenčnih sistemov, v katerih je izpolnjen 1 Newtonov zakon" -podobno nalogo ponujajo šolarjem, ki so si za izpit v devetem razredu izbrali fiziko. Za obvladovanje naloge je potrebno imeti predstavo o inercialnih in neinercialnih referenčnih okvirih.
Inercija vključuje ohranjanje mirovanja ali enakomernega pravokotnega gibanja telesa, dokler je telo v izolaciji. "Izolirana" telesa so tista, ki niso povezana, niso v interakciji, so odstranjena drug od drugega.
Upoštevajmo nekaj primerov inercialnega referenčnega okvirja. Ob predpostavki, da je zvezda v galaksiji kot referenčni okvir namesto premikajočega se avtobusa, bo izvajanje zakona vztrajnosti za potnike, ki se držijo za tirnice, brezhibno.
Med zaviranjem se bo to vozilo še naprej enakomerno premikalo v ravni črti, dokler nanj ne bodo vplivala druga telesa.
Katere primere inercialnega referenčnega okvirja lahko navedete? Ne smejo imeti povezave z analiziranim telesom, vplivati na njegovo vztrajnost.
Za takšne sisteme je izpolnjen Newtonov 1. zakon. V resničnem življenju je težko upoštevati gibanje telesa glede na inercialne referenčne okvire. Nemogoče je priti do oddaljene zvezde, da bi iz nje izvajali zemeljske poskuse.
Zemlja je sprejeta kot pogojni referenčni sistem, kljub temu, da je povezana s predmeti, ki so na njej.
Mogoče je izračunati pospešek v inercialnem referenčnem sistemu, če upoštevamo površino Zemlje kot referenčni okvir. V fiziki ni matematičnega zapisa Newtonovega 1. zakona, vendar je on tisti, ki je osnova zaizpeljava številnih fizičnih definicij in izrazov.
Primeri inercialnih referenčnih okvirov
Šolci včasih težko razumejo fizične pojave. Devetošolcem ponudimo nalogo naslednje vsebine: »Kateri referenčni okviri se imenujejo inercialni? Navedite primere takšnih sistemov. Predpostavimo, da se voziček s kroglo na začetku premika po ravni površini s konstantno hitrostjo. Nato se premika po pesku, zaradi česar se krogla pospešeno premika, kljub temu, da nanjo ne delujejo nobene druge sile (njihov skupni učinek je nič).
Bistvo dogajanja je mogoče razložiti z dejstvom, da med premikanjem po peščeni površini sistem preneha biti inercien, ima konstantno hitrost. Primeri inercialnih in neinercialnih referenčnih okvirov kažejo, da se njihov prehod zgodi v določenem časovnem obdobju.
Ko telo pospešuje, ima njegov pospešek pozitivno vrednost, pri zaviranju pa ta številka postane negativna.
Ukrivljeno gibanje
Gibanje Zemlje glede na zvezde in Sonce poteka po krivolinijski poti, ki ima obliko elipse. Tisti referenčni okvir, v katerem je središče poravnano s Soncem, osi pa usmerjene proti določenim zvezdam, se bo štel za inercialnega.
Upoštevajte, da se bo vsak referenčni okvir, ki se bo premikal v ravni črti in enakomerno glede na heliocentričnisistem je inercialni. Krivinolinijsko gibanje se izvaja z nekaj pospeškom.
Glede na dejstvo, da se Zemlja giblje okoli svoje osi, se referenčni okvir, ki je povezan z njeno površino, glede na heliocentrično premika z določenim pospeškom. V takšni situaciji lahko sklepamo, da se referenčni okvir, ki je povezan z zemeljskim površjem, giblje s pospeškom glede na heliocentrični, zato ga ne moremo šteti za inercialnega. Toda vrednost pospeška takšnega sistema je tako majhna, da v mnogih primerih pomembno vpliva na posebnosti mehanskih pojavov, ki jih obravnavamo glede nanj.
Za reševanje praktičnih problemov tehnične narave je običajno upoštevati kot inercialni referenčni okvir, ki je togo povezan z zemeljskim površjem.
Galilejska relativnost
Vsi inercialni referenčni okvirji imajo pomembno lastnost, ki jo opisuje načelo relativnosti. Njegovo bistvo je v tem, da se vsak mehanski pojav pod enakimi začetnimi pogoji izvaja na enak način, ne glede na izbrani referenčni okvir.
Enakost ISO po načelu relativnosti je izražena v naslednjih določbah:
- V takih sistemih so zakoni mehanike enaki, zato vsaka enačba, ki jo opisujejo, izražena v koordinatah in času, ostane nespremenjena.
- Rezultati tekočih mehanskih eksperimentov omogočajo ugotoviti, ali bo referenčni okvir miroval alipravolinijsko enakomerno gibanje. Vsak sistem lahko pogojno prepoznamo kot mirujočega, če se drugi hkrati premika glede nanj z določeno hitrostjo.
- Enačbe mehanike ostanejo nespremenjene glede na koordinatne transformacije v primeru prehoda iz enega sistema v drugega. Isti pojav lahko opišete v različnih sistemih, vendar se njihova fizična narava ne bo spremenila.
Reševanje težav
Prvi primer.
Ugotovite, ali je inercialni referenčni okvir: a) umetni satelit Zemlje; b) otroška atrakcija.
Odgovori. V prvem primeru ni govora o inercialnem referenčnem sistemu, saj se satelit premika po orbiti pod vplivom sile gravitacije, zato se gibanje zgodi z nekaj pospeškom.
Privlačnost tudi ne moremo šteti za inercialni sistem, saj se njegovo rotacijsko gibanje odvija z nekaj pospeškom.
Drugi primer.
Sistem poročanja je trdno povezan z dvigalom. V katerih primerih ga lahko imenujemo inercialni? Če dvigalo: a) pade dol; b) se premika enakomerno navzgor; c) hitro narašča d) enakomerno usmerjeno navzdol.
Odgovori. a) Pri prostem padu se pojavi pospešek, zato referenčni okvir, ki je povezan z dvigalom, ne bo inercialen.
b) Z enakomernim gibanjem dvigala je sistem inercialen.
c) Ko se premikate z določenim pospeškom, se referenčni okvir šteje za inercialnega.
d) Dvigalo se premika počasi, ima negativni pospešek, zato ne moretepokliči referenčni okvir inercialni.
Sklep
Človeštvo je ves čas svojega obstoja poskušalo razumeti pojave, ki se pojavljajo v naravi. Galileo Galilei je poskušal razložiti relativnost gibanja. Isaac Newton je uspel izpeljati zakon vztrajnosti, ki se je začel uporabljati kot glavni postulat pri izračunih v mehaniki.
Trenutno sistem za zaznavanje položaja telesa vključuje telo, napravo za določanje časa, pa tudi koordinatni sistem. Glede na to, ali se telo premika ali miruje, je mogoče označiti položaj določenega predmeta v želenem časovnem obdobju.
