Nieinerytorialny układ odniesienia: definicja, przykłady

Wszystkie układy odniesienia są podzielone na inercyjne i nieinercyjne. Inercyjny układ odniesienia leży u podstaw mechaniki Newtona. Charakteryzuje się jednolitym ruchem prostoliniowym i stanem spoczynku. Nieinercjalny układ odniesienia jest powiązany z ruchem przyspieszonym wzdłuż innej trajektorii. Ten ruch definiowany jest w odniesieniu do bezwładnościowych układów odniesienia. Nieinercjalna ramka odniesienia jest powiązana z takimi efektami, jak siła bezwładności, siła odśrodkowa i siła Coriolisa.

Wszystkie te procesy powstają w wyniku ruchu, a nie interakcji między ciałami. Prawa Newtona w nieinercjalnych układach odniesienia często nie działają. W takich przypadkach poprawki są dodawane do klasycznych praw mechaniki. Siły spowodowane nie-inercyjnym ruchem są brane pod uwagę przy opracowywaniu technicznych produktów i mechanizmów, w tym tych, w których występuje rotacja. W życiu spotykamy się z nimi, poruszając się windą, jeżdżąc na karuzeli, obserwując pogodę i przepływ rzek. Są brane pod uwagę przy obliczaniu ruchu statku kosmicznego.

Inercyjne i nieinercjalne systemy odniesienia

Inercyjne układy odniesienia nie zawsze nadają się do opisu ruchu ciał. W fizyce istnieją 2 rodzaje układów odniesienia: inercyjne i nieinercjalne systemy odniesienia. Według mechaniki Newtona każdy organizm może znajdować się w stanie spoczynku lub ruchu jednostajnego i prostoliniowego, z wyjątkiem przypadków, gdy na ciało wywierany jest wpływ zewnętrzny. Taki jednorodny ruch nazywa się ruchem inercyjnym.

Ruch bezwładnościowy (inercyjne układy odniesienia) jest podstawą mechaniki Newtona i dzieł Galileo. Jeśli gwiazdy są uważane za stałe obiekty (co w rzeczywistości nie jest prawdą), to wszelkie obiekty poruszające się względem nich równomiernie i bezpośrednio utworzą bezwładnościowe układy odniesienia.

W przeciwieństwie do bezwładnościowych układów odniesienia, system nieinercyjny porusza się względem określonego z pewnym przyspieszeniem. W tym przypadku użycie praw Newtona wymaga dodatkowych zmiennych, w przeciwnym razie nie będą one odpowiednio opisywać systemu. Aby odpowiedzieć na pytanie, które systemy odniesienia nazywane są bezwładnościowe, warto zastanowić się nad przykładem ruchu nieinercjalnego. Ten ruch jest rotacją naszej i innych planet.

Ruch w nieinercjalnych układach odniesienia

Kopernik był pierwszym, który pokazał, jak trudny może być ruch, jeśli uczestniczy w nim kilka sił. Przed nim wierzono, że Ziemia porusza się sama, zgodnie z prawami Newtona, a zatem jej ruch jest bezwładny. Jednak Kopernik udowodnił, że Ziemia krąży wokół Słońca, to znaczy, że wykonuje przyspieszony ruch względem warunkowo nieruchomego obiektu, którym może być gwiazda.

Istnieją różne systemy referencyjne. Połączenia nieaneryjne wywołują tylko te, w których występuje ruch przyspieszony, który jest zdefiniowany w odniesieniu do układu bezwładnościowego.

Ziemia jako system odniesienia

Nieinercjalny układ odniesienia, którego przykłady istnienia można znaleźć niemal wszędzie, jest typowy dla ciał o złożonej trajektorii ruchu. Ziemia krąży wokół Słońca, co powoduje przyspieszony ruch charakterystyczny dla nieinercjalnych układów odniesienia. Jednak w codziennej praktyce wszystko, co spotykamy na Ziemi, jest całkiem zgodne z postulatami Newtona. Chodzi o to, że poprawki dla ruchu bezwładnościowego dla systemów odniesienia związanych z Ziemią są bardzo małe i nie odgrywają dla nas dużej roli. Równania Newtona z tego samego powodu okazują się ogólnie uczciwe.

Wahadło Foucaulta

Jednak w niektórych przypadkach nie jest konieczna żadna zmiana. Na przykład światowe wahadło Foucaulta w katedrze w Sankt Petersburgu nie tylko wykonuje liniowe oscylacje, ale także powoli się obraca. Ten obrót wynika z nieinercjalnego ruchu Ziemi w przestrzeni kosmicznej.

Po raz pierwszy stało się to znane w 1851 roku po eksperymentach francuskiego naukowca L. Foucaulta. Sam eksperyment przeprowadzono nie w Petersburgu, ale w Paryżu, w ogromnej sali. Masa kulki wahadła wynosiła około 30 kg, a długość nici łączącej wynosiła aż 67 metrów.

W przypadkach, w których tylko formuły Newtona dla bezwładnościowej ramy odniesienia nie są wystarczające do opisania ruchu, dodają tak zwane siły bezwładności.

Właściwości nieinercjalnego układu odniesienia

Bezineryjny układ odniesienia wykonuje różne ruchy w stosunku do bezwładności. Być może ruch do przodu rotacja, złożone ruchy złożone. Literatura dostarcza również najprostszego przykładu nieinercjalnego układu odniesienia, takiego jak winda poruszająca się z przyspieszeniem. To z powodu jego przyspieszonego ruchu czujemy, jak jesteśmy przyciśnięci do podłogi, lub, przeciwnie, odczucie jest bliskie nieważkości. Prawa mechaniki Newtona nie potrafią wyjaśnić tego zjawiska. Jeśli podążasz za słynnym fizykiem, to w każdej chwili ta sama siła grawitacji zadziała na osobę w windzie, co oznacza, że ​​odczucia powinny być takie same, jednak w rzeczywistości wszystko jest inne. Dlatego do praw Newtona należy dodać dodatkową siłę, która nazywana jest siłą bezwładności.

Siła bezwładności

Siła bezwładności jest rzeczywistą siłą działającą, chociaż różni się w naturze od sił związanych z interakcją między ciałami w przestrzeni. Jest brany pod uwagę przy opracowywaniu struktur technicznych i aparatury i odgrywa ważną rolę w ich pracy. Siły bezwładności są mierzone na różne sposoby, na przykład za pomocą dynamometru sprężynowego. Bezinerowe układy odniesienia nie są zamknięte, ponieważ siły bezwładności uważa się za zewnętrzne. Siły bezwładności są obiektywnymi czynnikami fizycznymi i nie zależą od woli i opinii obserwatora.

Inercyjne i nieinercjalne systemy odniesienia, których przykłady można znaleźć w podręcznikach fizyki, to działanie siły bezwładności, siły odśrodkowej, siły Coriolisa, przenoszenia pędu z jednego ciała na drugie i innych.

Ruch w windzie

Bezinerialne układy odniesienia, siły bezwładności dobrze manifestują się podczas przyspieszonego wynurzania lub zniżania. Jeśli winda porusza się w górę z przyspieszeniem, wówczas powstająca siła bezwładności ma tendencję do naciskania osoby na podłogę, a przy hamowaniu, ciało, przeciwnie, zaczyna wydawać się łatwiejsze. Pod względem przejawów siła bezwładności w tym przypadku jest podobna do grawitacja ale ma zupełnie inny charakter. Grawitacja to grawitacja, która jest związana z interakcją między ciałami.

Siła odśrodkowa

Siły w nieinercjalnych układach odniesienia mogą być wirowe. Konieczne jest wprowadzenie takiej siły z tego samego powodu, co siła bezwładności. Żywy przykład działania sił odśrodkowych - obrót na karuzeli. Podczas gdy krzesło stara się utrzymać osobę na swojej "orbicie", siła bezwładności powoduje, że ciało naciska na zewnętrzne oparcie krzesła. Ta konfrontacja wyraża się w pojawieniu się takiego zjawiska, jak siła odśrodkowa.

Siła Coriolisa

Wpływ tej siły jest dobrze znany z przykładu obrotu Ziemi. Możesz nazywać to siłą tylko warunkowo, ponieważ tak nie jest. Istotą jego działania jest to, że podczas obrotu (na przykład Ziemi) każdy punkt kulistego ciała porusza się w okręgu, podczas gdy przedmioty wyrwane z Ziemi idealnie poruszają się prosto (jak ciało swobodnie latające w przestrzeni). Ponieważ linia szerokości geograficznej jest trajektorią rotacji punktów na powierzchni Ziemi i ma kształt pierścienia, wszelkie ciała oddzielone od niej i początkowo poruszające się wzdłuż tej linii, poruszające się liniowo, zaczynają coraz bardziej odbiegać od niej w kierunku niższych szerokości geograficznych.

Inną opcją jest, gdy ciało jest wystrzeliwane w kierunku południkowym, ale z powodu obrotu Ziemi, z punktu widzenia obserwatora ziemskiego, ruch ciała nie będzie już ściśle południkowy.

Siły Coriolisa mają ogromny wpływ na rozwój procesów atmosferycznych. Pod jej wpływem woda uderza we wschodnim brzegu rzek płynących w kierunku południka mocniej, stopniowo ją niszcząc, co prowadzi do pojawienia się klifów. Natomiast na zachodzie zdeponowane są osady, dzięki czemu są bardziej łagodne i często zalewane wodą podczas powodzi. To prawda, nie jest to jedyny powód, dla którego jedna strona rzeki jest wyższa od drugiej, ale w wielu przypadkach jest dominująca.

Siły Coriolisa mają również dowody doświadczalne. Został on uzyskany przez niemieckiego fizyka F. Reicha. W eksperymencie ciała spadły z wysokości 158 m. Przeprowadzono łącznie 106 takich eksperymentów. Kiedy ciało upadło, odchyliły się od prostej (z punktu widzenia obserwatora ziemskiego) trajektorii o około 30 mm.

Inercyjne układy odniesienia i teoria względności

Specjalna teoria względności Einstein został stworzony w odniesieniu do bezwładnościowych układów odniesienia. Tak zwane efekty relatywistyczne, zgodnie z tą teorią, powinny wystąpić w przypadku bardzo dużych prędkości ciała względem "stacjonarnego" obserwatora. Wszystkie formuły specjalnej teorii względności są również malowane dla ruchu jednostajnego, typowego dla bezwładnościowego układu odniesienia. Pierwszy postulat tej teorii zakłada, że ​​postuluje się równoważność dowolnych inercyjnych układów odniesienia, tj. Brak specjalnych, dedykowanych systemów.

Wiąże się to jednak z wątpliwościami co do możliwości sprawdzenia efektów relatywistycznych (a także samego faktu ich istnienia), które doprowadziły do ​​pojawienia się takich zjawisk jak bliźniaczy paradoks. Ponieważ układy odniesienia związane z rakietą i Ziemią są zasadniczo równe pod względem praw, skutki dylatacji czasu w parze Ziemia-rakieta zależą tylko od tego, gdzie znajduje się obserwator. Tak więc, dla obserwatora na rakiecie, czas na Ziemi powinien iść wolniej, a dla osoby na naszej planecie, wręcz przeciwnie, powinna wolniej rakieta. W rezultacie bliźniak pozostający na Ziemi zobaczy, że jego brat przybył młodszy, a ten, który był w rakiecie, przyleciał, powinien zobaczyć młodszego od tego, który pozostał na Ziemi. Oczywiste jest, że jest to fizycznie niemożliwe.

Aby więc zaobserwować efekty relatywistyczne, potrzebujemy jakiegoś specjalnego, dedykowanego układu odniesienia. Na przykład zakłada się, że obserwujemy relatywistyczny wzrost czasu życia mionów, jeśli poruszają się one z prędkością bliską prędkości światła w stosunku do Ziemi. Oznacza to, że Ziemia musi (zresztą bez żadnej alternatywy) posiadać właściwości priorytetowego, podstawowego układu odniesienia, który jest sprzeczny z pierwszym postulatem SRT. Priorytet jest możliwy tylko wtedy, gdy Ziemia jest centrum wszechświata, co jest zgodne tylko z prymitywnym obrazem świata i przeciwieństwem fizyki.

Bezineryjne układy odniesienia jako nieudany sposób wyjaśnienia bliźniaczego paradoksu

Próby wyjaśnienia priorytetu "ziemskiego" układu odniesienia nie obejmują wody. Niektórzy naukowcy przypisują ten priorytet współczynnikowi bezwładności jednej i innej bezwładności innego układu odniesienia. W tym przypadku system odniesienia związany z obserwatorem na Ziemi jest uważany za bezwładny, pomimo faktu, że w fizyce jest on oficjalnie uznany za nieinerialny (Detlaf, Yavorsky, kurs fizyki, 2000). To jest pierwsze. Druga to ta sama zasada równości wszystkich systemów odniesienia. Tak więc, jeśli statek kosmiczny opuszcza Ziemię z przyspieszeniem, to z punktu widzenia obserwatora na statku sam jest statyczny, a Ziemia, przeciwnie, odlatuje z niej ze wzrastającą prędkością.

Okazuje się, że sama Ziemia jest specjalnym układem odniesienia, lub obserwowane efekty mają inne (nierelatywistyczne) wyjaśnienie. Być może procesy są związane z osobliwościami formułowania lub interpretowania eksperymentów lub z innymi fizycznymi mechanizmami zaobserwowanych zjawisk.

Wniosek

Tak więc, nieinercyjne systemy odniesienia prowadzą do pojawienia się sił, które nie znalazły swojego miejsca w prawach mechaniki Newtona. Przy obliczaniu dla systemów nieinercjalnych rozliczanie tych sił jest obowiązkowe, w tym przy opracowywaniu produktów technicznych.