Muistsed filosoofid püüdsid mõista liikumise olemust, paljastada tähtede ja Päikese mõju inimesele. Lisaks on inimesed alati püüdnud tuvastada jõude, mis mõjuvad materiaalsele punktile nii selle liikumise protsessis kui ka puhkehetkel.
Aristoteles uskus, et liikumise puudumisel ei mõjuta keha ükski jõud. Proovime välja selgitada, milliseid tugiraame nimetatakse inertsiaalseteks, toome nende kohta näiteid.
Puhke olek
Igapäevaelus on sellist seisundit raske tuvastada. Peaaegu kõigi mehaaniliste liikumiste puhul eeldatakse kõrvaliste jõudude olemasolu. Põhjuseks on hõõrdejõud, mis ei lase paljudel objektidel oma algsest asendist lahkuda, puhkeseisundist lahkuda.
Arvestades inertsiaalsete võrdlussüsteemide näiteid, märgime, et need kõik vastavad Newtoni 1. seadusele. Alles pärast selle avastamist oli võimalik selgitada puhkeseisundit, näidata kehale selles olekus mõjuvaid jõude.
Newtoni 1. seaduse sõnastus
Kaasaegses tõlgenduses selgitab ta koordinaatsüsteemide olemasolu, mille suhtes võib pidada materiaalsele punktile mõjuvate välisjõudude puudumist. Newtoni seisukohast nimetatakse tugisüsteeme inertsiaalseteks, mis võimaldavad kaaluda keha kiiruse säilimist pika aja jooksul.
Definitsioonid
Millised tugiraamid on inertsiaalsed? Nende näiteid õpitakse kooli füüsika kursusel. Inertsiaalseteks tugisüsteemideks loetakse neid, mille suhtes materiaalne punkt liigub püsiva kiirusega. Newton selgitas, et iga keha võib olla sarnases olekus seni, kuni pole vaja rakendada jõudu, mis võivad sellist olekut muuta.
Tegelikkuses ei täitu inertsiseadus kõigil juhtudel. Analüüsides näiteid inertsiaalsete ja mitteinertsiaalsete tugisüsteemide kohta, võtke arvesse inimest, kes hoiab liikuvas sõidukis käsipuudest kinni. Kui auto järsult pidurdab, liigub inimene sõiduki suhtes automaatselt, hoolimata välisjõu puudumisest.
Selgub, et mitte kõik inertsiaalse tugiraamistiku näited ei vasta 1. Newtoni seaduse sõnastusele. Inertsiseaduse selgitamiseks võeti kasutusele võrdlussüsteemide täpsustatud definitsioon, milles see on laitmatult täidetud.
Referentssüsteemide tüübid
Milliseid võrdlussüsteeme nimetatakse inertsiaalseteks? Varsti selgub. "Tooge näiteid inertsiaalsetest referentssüsteemidest, milles on täidetud 1 Newtoni seadus" -sarnast ülesannet pakutakse üheksandas klassis füüsika eksamiks valinud koolilastele. Ülesandega toimetulemiseks peab olema ettekujutus inertsiaalsetest ja mitteinertsiaalsetest tugiraamistikest.
Inerts hõlmab puhkeoleku või keha ühtlase sirgjoonelise liikumise säilimist seni, kuni keha on isoleeritud. "Isoleeritud" kehad on need, mis ei ole ühendatud, ei suhtle omavahel, on üksteisest eemaldatud.
Vaatleme mõningaid näiteid inertsiaalsest tugiraamistikust. Kui eeldada, et võrdlusraamistikuks on galaktikas täht, mitte liikuv buss, on inertsiseaduse rakendamine rööbastest kinni hoidvate reisijate jaoks veatu.
Pidurdamise ajal jätkab see sõiduk ühtlaselt sirgjoonelist liikumist, kuni teised kehad sellele mõju avaldavad.
Milliseid näiteid inertsiaalsest tugiraamistikust saate tuua? Need ei tohiks olla seotud analüüsitava kehaga, mõjutada selle inertsust.
Just selliste süsteemide puhul on täidetud Newtoni 1. seadus. Reaalses elus on raske arvestada keha liikumist inertsiaalsete tugiraamistike suhtes. Kauge tähe juurde on võimatu pääseda, et sellega maapealseid katseid teha.
Maa aktsepteeritakse tingimuslike võrdlussüsteemidena, hoolimata asjaolust, et see on seotud sellele asetatud objektidega.
Inertsiaalses võrdlusraamis on võimalik arvutada kiirendus, kui võtta võrdlusraamiks Maa pinda. Füüsikas ei ole Newtoni 1. seaduse matemaatilist ülestähendust, kuid just tema on selle aluseks.paljude füüsiliste definitsioonide ja terminite tuletamine.
Inertsiaalsete võrdlusraamistike näited
Kooliõpilastel on mõnikord raske füüsilisi nähtusi mõista. Üheksanda klassi õpilastele pakutakse järgmise sisuga ülesannet: „Milliseid tugiraame nimetatakse inertsiaalseteks? Tooge näiteid selliste süsteemide kohta. Oletame, et palliga käru liigub alguses tasasel pinnal ühtlase kiirusega. Seejärel liigub see mööda liiva, mille tulemusena pannakse pall kiirendatud liikumisele, hoolimata asjaolust, et sellele ei mõju ükski teine jõud (nende kogumõju on null).
Toimuva olemus on seletatav sellega, et liivasel pinnal liikudes lakkab süsteem olemast inertsiaalne, sellel on püsiv kiirus. Inertsiaalsete ja mitteinertsiaalsete tugisüsteemide näited näitavad, et nende üleminek toimub teatud aja jooksul.
Kere kiirendamisel on selle kiirendusel positiivne väärtus ja pidurdamisel muutub see näitaja negatiivseks.
Kurviline liikumine
Suhteliselt tähtede ja Päikese suhtes toimub Maa liikumine mööda kõverjoonelist trajektoori, millel on ellipsi kuju. Seda tugiraamistikku, mille keskpunkt on joondatud Päikesega ja teljed on suunatud teatud tähtedele, loetakse inertsiaalseks.
Pange tähele, et mis tahes tugiraamistik, mis liigub heliotsentrilise suhtes sirgjooneliselt ja ühtlaseltsüsteem on inertsiaalne. Kurviline liikumine toimub teatud kiirendusega.
Arvestades asjaolu, et Maa liigub ümber oma telje, liigub tugiraam, mis on seotud selle pinnaga, heliotsentrilise suhtes teatud kiirendusega. Sellises olukorras võime järeldada, et Maa pinnaga seotud tugiraam liigub heliotsentrilise suhtes kiirendusega, mistõttu seda ei saa pidada inertsiaalseks. Kuid sellise süsteemi kiirenduse väärtus on nii väike, et paljudel juhtudel mõjutab see oluliselt sellega võrreldes vaadeldavate mehaaniliste nähtuste eripära.
Tehnilist laadi praktiliste probleemide lahendamiseks on tavaks pidada inertsiaalseks tugiraamistikku, mis on Maa pinnaga jäig alt seotud.
Galilei relatiivsusteooria
Kõigil inertsiaalsetel tugiraamistikel on oluline omadus, mida kirjeldab relatiivsusprintsiip. Selle olemus seisneb selles, et mis tahes mehaaniline nähtus samadel algtingimustel viiakse läbi ühtemoodi, sõltumata valitud tugiraamistikust.
ISO võrdsust relatiivsuspõhimõtte kohaselt väljendatakse järgmistes sätetes:
- Sellistes süsteemides on mehaanika seadused samad, nii et kõik võrrandid, mida need kirjeldavad, väljendatuna koordinaatide ja aja järgi, jäävad muutumatuks.
- Käimasolevate mehaaniliste katsete tulemused võimaldavad kindlaks teha, kas tugiraam jääb puhkeolekusse võisirgjooneline ühtlane liikumine. Iga süsteemi saab tinglikult paigalseisvaks tunnistada, kui teine samal ajal tema suhtes teatud kiirusega liigub.
- Mehaanika võrrandid jäävad ühest süsteemist teise üleminekul koordinaatide teisenduste suhtes muutumatuks. Saate kirjeldada sama nähtust erinevates süsteemides, kuid nende füüsiline olemus ei muutu.
Probleemi lahendamine
Esimene näide.
Tehke kindlaks, kas inertsiaalne tugiraamistik on: a) Maa tehissatelliit; b) laste atraktsioon.
Vastus. Esimesel juhul ei saa juttugi olla inertsiaalsest referentssüsteemist, kuna satelliit liigub orbiidil gravitatsioonijõu mõjul, seetõttu toimub liikumine mõningase kiirendusega.
Atraktsiooni ei saa samuti pidada inertsiaalsüsteemiks, kuna selle pöörlev liikumine toimub teatud kiirendusega.
Teine näide.
Aruandlussüsteem on liftiga kindl alt ühendatud. Millistes olukordades võib seda nimetada inertsiaalseks? Kui lift: a) kukub alla; b) liigub ühtlaselt üles; c) tõuseb kiiresti d) ühtlaselt allapoole suunatud.
Vastus. a) Vaba langemise korral ilmneb kiirendus, nii et liftiga seostatav tugiraam ei ole inertsiaalne.
b) Lifti ühtlase liikumise korral on süsteem inertsiaalne.
c) Teatava kiirendusega liikumisel loetakse tugiraamistikku inertsiaalseks.
d) Lift liigub aeglaselt, sellel on negatiivne kiirendus, nii et te ei saakutsuge tugiraamistikku inertsiaalne.
Järeldus
Inimkond on kogu oma eksisteerimise aja püüdnud mõista looduses esinevaid nähtusi. Liikumise suhtelisust püüdis selgitada Galileo Galilei. Isaac Newtonil õnnestus tuletada inertsiseadus, mida hakati mehaanikas arvutustes peamise postulaadina kasutama.
Praegu hõlmab kehaasendi tuvastamise süsteem nii keha, kellaaja määramise seadet kui ka koordinaatsüsteemi. Olenev alt sellest, kas keha on liikuv või paigal, on võimalik iseloomustada teatud objekti asendit soovitud ajavahemikul.
