Starověcí filozofové se snažili pochopit podstatu pohybu, odhalit vliv hvězd a Slunce na člověka. Kromě toho se lidé vždy snažili identifikovat síly, které působí na hmotný bod v procesu jeho pohybu, stejně jako v okamžiku odpočinku.
Aristoteles věřil, že při absenci pohybu na tělo nepůsobí žádné síly. Zkusme zjistit, které vztažné soustavy se nazývají inerciální, uvedeme si jejich příklady.
Klidový stav
V každodenním životě je obtížné takový stav odhalit. Téměř u všech typů mechanického pohybu se předpokládá přítomnost cizích sil. Důvodem je síla tření, která mnoha předmětům nedovolí opustit svou původní polohu, opustit klidový stav.
Uvážíme-li příklady inerciálních vztažných systémů, poznamenáváme, že všechny odpovídají 1. Newtonovu zákonu. Teprve po jeho objevení bylo možné vysvětlit klidový stav, naznačit síly působící v tomto stavu na těleso.
Formulace 1. Newtonova zákona
V moderní interpretaci vysvětluje existenci souřadnicových systémů, vzhledem k nimž lze uvažovat o absenci vnějších sil působících na hmotný bod. Z Newtonova pohledu se referenční systémy nazývají inerciální, což nám umožňuje uvažovat o zachování rychlosti tělesa po dlouhou dobu.
Definice
Které vztažné soustavy jsou inerciální? Jejich příklady jsou studovány ve školním kurzu fyziky. Za inerciální vztažné soustavy se považují ty, vůči nimž se hmotný bod pohybuje konstantní rychlostí. Newton objasnil, že jakékoli těleso může být v podobném stavu, pokud na něj není potřeba vyvíjet síly, které mohou takový stav změnit.
Ve skutečnosti není zákon setrvačnosti splněn ve všech případech. Při analýze příkladů inerciálních a neinerciálních vztažných soustav zvažte osobu, která se drží zábradlí v jedoucím vozidle. Když auto prudce zabrzdí, osoba se automaticky pohne vzhledem k vozidlu, a to i přes nepřítomnost vnější síly.
Ukazuje se, že ne všechny příklady inerciální vztažné soustavy odpovídají formulaci 1 Newtonova zákona. Pro objasnění zákona setrvačnosti byla zavedena vylepšená definice referenčních systémů, ve které je bezvadně splněn.
Typy referenčních systémů
Jaké referenční systémy se nazývají inerciální? Brzy se to vyjasní. "Uveďte příklady inerciálních vztažných systémů, ve kterých je splněn 1 Newtonův zákon" -podobný úkol mají školáci, kteří si fyziku zvolili jako zkoušku v deváté třídě. Pro zvládnutí úkolu je nutné mít představu o inerciálních a neinerciálních vztažných soustavách.
Setrvačnost zahrnuje zachování klidu nebo rovnoměrného přímočarého pohybu těla, dokud je tělo v izolaci. "Izolovaná" těla jsou ta, která nejsou propojena, neinteragují, jsou od sebe odstraněna.
Uvažujme několik příkladů inerciální vztažné soustavy. Předpokládejme, že jako vztažný rámec bude hvězda v galaxii, spíše než jedoucí autobus, bude implementace zákona setrvačnosti pro cestující držící se kolejí bezchybná.
Během brzdění se toto vozidlo bude i nadále pohybovat rovnoměrně v přímém směru, dokud nebude ovlivněno jinými tělesy.
Jaké příklady inerciální vztažné soustavy můžete uvést? Neměly by mít spojení s analyzovaným tělesem, ovlivňovat jeho setrvačnost.
Pro takové systémy je splněn 1. Newtonův zákon. V reálném životě je obtížné uvažovat o pohybu tělesa vzhledem k inerciálním vztažným soustavám. Je nemožné dostat se ke vzdálené hvězdě a provádět z ní pozemské experimenty.
Země je přijímána jako podmíněné referenční systémy, přestože je spojena s objekty na ní umístěnými.
Je možné vypočítat zrychlení v inerciální vztažné soustavě, pokud za vztažnou soustavu považujeme povrch Země. Ve fyzice neexistuje matematický záznam 1. Newtonova zákona, ale je to on, kdo je základem proodvození mnoha fyzikálních definic a termínů.
Příklady inerciálních vztažných soustav
Pro studenty škol je někdy obtížné porozumět fyzikálním jevům. Žákům devátých tříd je nabídnut úkol s následujícím obsahem: „Jaké vztažné soustavy se nazývají inerciální? Uveďte příklady takových systémů. Předpokládejme, že vozík s míčem se zpočátku pohybuje po rovném povrchu konstantní rychlostí. Poté se pohybuje po písku, v důsledku čehož se míček uvede do zrychleného pohybu, přestože na něj nepůsobí žádné jiné síly (jejich celkový účinek je nulový).
Podstatu toho, co se děje, lze vysvětlit tím, že při pohybu po písečném povrchu přestává být soustava inerciální, má konstantní rychlost. Příklady inerciálních a neinerciálních vztažných soustav naznačují, že k jejich přechodu dochází v určitém časovém období.
Když tělo zrychluje, jeho zrychlení má kladnou hodnotu a při brzdění je toto číslo záporné.
Křivočarý pohyb
Vzhledem ke hvězdám a Slunci se pohyb Země uskutečňuje po křivočaré trajektorii, která má tvar elipsy. Tato vztažná soustava, ve které je střed zarovnán se Sluncem a osy směřují k určitým hvězdám, bude považována za inerciální.
Všimněte si, že jakákoli vztažná soustava, která se bude pohybovat přímočaře a rovnoměrně vzhledem k heliocentrickésystém je inerciální. Křivočarý pohyb se provádí s určitým zrychlením.
Vzhledem k tomu, že se Země pohybuje kolem své osy, vztažná soustava, která je spojena s jejím povrchem, se vzhledem k heliocentrickému pohybu pohybuje s určitým zrychlením. V takové situaci můžeme usoudit, že vztažná soustava, která je spojena se zemským povrchem, se vůči heliocentrickému pohybuje se zrychlením, nelze ji tedy považovat za inerciální. Hodnota zrychlení takového systému je však tak malá, že v mnoha případech významně ovlivňuje specifika mechanických jevů, které jsou vůči němu uvažovány.
Pro řešení praktických problémů technické povahy je obvyklé považovat za inerciální vztažnou soustavu, která je pevně spojena se zemským povrchem.
Galileská relativita
Všechny inerciální vztažné soustavy mají důležitou vlastnost, kterou popisuje princip relativity. Jeho podstata spočívá v tom, že jakýkoli mechanický jev za stejných počátečních podmínek probíhá stejným způsobem, bez ohledu na zvolený referenční rámec.
Rovnost ISO podle principu relativity je vyjádřena v následujících ustanoveních:
- V takových systémech jsou zákony mechaniky stejné, takže jakákoli rovnice, která je jimi popsána, vyjádřená pomocí souřadnic a času, zůstává nezměněna.
- Výsledky probíhajících mechanických experimentů umožňují určit, zda bude referenční soustava v klidu nebopřímočarý rovnoměrný pohyb. Jakýkoli systém může být podmíněně rozpoznán jako stacionární, pokud se druhý systém vůči němu ve stejnou dobu pohybuje určitou rychlostí.
- Rovnice mechaniky zůstávají nezměněny s ohledem na transformace souřadnic v případě přechodu z jednoho systému do druhého. Můžete popsat stejný jev v různých systémech, ale jejich fyzikální podstata se nezmění.
Řešení problémů
První příklad.
Určete, zda inerciální vztažná soustava je: a) umělá družice Země; b) dětská atrakce.
Odpověz. V prvním případě není řeč o inerciálním referenčním systému, protože satelit se pohybuje na oběžné dráze pod vlivem gravitační síly, takže pohyb nastává s určitým zrychlením.
Přitahování také nelze považovat za inerciální systém, protože jeho rotační pohyb nastává s určitým zrychlením.
Druhý příklad.
Systém hlášení je pevně spojen s výtahem. V jakých situacích ji lze nazvat inerciální? Pokud výtah: a) spadne; b) pohybuje se rovnoměrně nahoru; c) rychle stoupá d) rovnoměrně směřující dolů.
Odpověz. a) Při volném pádu se objeví zrychlení, takže vztažná soustava spojená s výtahem nebude inerciální.
b) Při rovnoměrném pohybu výtahu je systém inerciální.
c) Při pohybu s určitým zrychlením je vztažná soustava považována za inerciální.
d) Výtah se pohybuje pomalu, má záporné zrychlení, takže nemůžetenazývat vztažnou soustavu inerciální.
Závěr
Po celou dobu své existence se lidstvo snažilo pochopit jevy vyskytující se v přírodě. Pokusy vysvětlit relativitu pohybu učinil Galileo Galilei. Isaacu Newtonovi se podařilo odvodit zákon setrvačnosti, který se začal používat jako hlavní postulát ve výpočtech v mechanice.
Systém detekce polohy těla v současnosti zahrnuje tělo, zařízení pro určování času a také souřadnicový systém. V závislosti na tom, zda se těleso pohybuje nebo stojí, je možné charakterizovat polohu určitého předmětu v požadovaném časovém úseku.
