Neinertijski referentni okvir: definicija, primjeri

Svi referentni sustavi podijeljeni su na inercijalne i ne-inercijalne. Inertijski referentni okvir leži u Newtonovoj mehanici. Ona karakterizira ravnomjerno pravocrtno gibanje i stanje mirovanja. Ne-inercijalni referentni okvir povezan je s ubrzanim kretanjem duž različite putanje. Ovo kretanje je definirano u odnosu na inercijalne referentne sustave. Neinertijski referentni okvir povezan je s takvim učincima kao što su inercijska sila, centrifugalna sila i Coriolisova sila.

Svi ti procesi nastaju kao rezultat kretanja, a ne interakcije između tijela. Newtonovi zakoni u ne-inercijalnim referentnim sustavima često ne rade. U takvim slučajevima u klasične zakone mehanike dodaju se dopune. Sile zbog ne-inercijalnih kretanja uzimaju se u obzir pri razvoju tehničkih proizvoda i mehanizama, uključujući i one gdje je rotacija prisutna. U životu ih susrećemo, krećući se dizalom, vozimo se na vrtuljku, promatramo vrijeme i tok rijeka. Oni se uzimaju u obzir pri izračunavanju kretanja letjelica.

Inercijski i ne-inercijalni referentni sustavi

Inercijalni referentni sustavi nisu uvijek prikladni za opisivanje kretanja tijela. U fizici postoje 2 tipa referentnih sustava: inercijalni i ne-inercijalni referentni sustavi. Prema mehanici Newtona, bilo koje tijelo može biti u stanju mirovanja ili jednolikog i pravocrtnog gibanja, osim u slučajevima kada se na tijelo vrši vanjski utjecaj. Takvo ujednačeno kretanje naziva se inercijalno gibanje.

Inercijalni pokret (inercijalni referentni sustavi) temelj je Newtonove mehanike i Galilejevih djela. Ako se zvijezde smatraju fiksnim objektima (što zapravo i nije slučaj), onda će svi objekti koji se kreću u odnosu na njih ravnomjerno i izravno oblikovati inercijalne referentne sustave.

Za razliku od inercijalnih referentnih sustava, ne-inercijalni sustav se pomiče u odnosu na specificirani s određenim ubrzanjem. U ovom slučaju, uporaba Newtonovih zakona zahtijeva dodatne varijable, inače će neadekvatno opisati sustav. Da bi se odgovorilo na pitanje koji se referentni sustavi nazivaju ne-inercijalnim, vrijedi razmotriti primjer ne-inercijalnog pokreta. Ovaj pokret je rotacija naših i drugih planeta.

Pokret u ne-inercijalnim referentnim sustavima

Kopernik je bio prvi koji je pokazao koliko je teško pokretu ako u njemu sudjeluje nekoliko sila. Prije njega, vjerovalo se da se Zemlja kreće sama po sebi, u skladu s Newtonovim zakonima, pa je stoga njeno gibanje inercijalno. Međutim, Kopernik je dokazao da se Zemlja okreće oko Sunca, to jest, radi ubrzano kretanje u odnosu na uvjetno stacionarni objekt, koji zvijezda može biti.

Dakle, postoje različiti referentni sustavi. Ne-inercijalni poziv samo onima gdje postoji ubrzano gibanje, koje je definirano u odnosu na inercijalni sustav.

Zemlja kao referentni sustav

Ne-inercijalni referentni okvir, primjeri čije se postojanje može naći gotovo svugdje, tipičan je za tijela sa složenom putanjom kretanja. Zemlja se vrti oko sunca, što stvara karakteristiku ubrzanog gibanja ne-inercijalnih referentnih sustava. Međutim, u svakodnevnoj praksi, sve što susrećemo na Zemlji je sasvim u skladu s Newtonovim postavkama. Stvar je u tome da su korekcije za ne-inercijalne pokrete za referentne sustave vezane uz Zemlju vrlo male i ne igraju veliku ulogu za nas. A Newtonove jednadžbe iz istog razloga ispadaju općenito poštene.

Foucaultovo njihalo

Međutim, u nekim slučajevima nije potrebna nikakva izmjena. Primjerice, svjetsko Foucaultovo klatno u katedrali Sankt Peterburga ne samo da obavlja linearne oscilacije, već se i polako okreće. Ova rotacija je posljedica ne-inercijalnog gibanja Zemlje u svemiru.

Prvi put je to postalo poznato 1851. godine nakon pokusa francuskog znanstvenika L. Foucaulta. Sam eksperiment nije proveden u Petersburgu, već u Parizu, u velikoj dvorani. Težina kugle klatna iznosila je oko 30 kg, a dužina spojnog navoja bila je čak 67 metara.

U onim slučajevima kada samo Newtonove formule za inercijalni referentni okvir nisu dovoljne da opišu kretanje, dodaju se takozvane sile inercije.

Svojstva ne-inercijalnog referentnog sustava

Ne-inercijalni referentni sustav obavlja različite pokrete u odnosu na inerciju. Može biti kretanje naprijed rotacija, složeni kombinirani pokreti. U literaturi se također daje najjednostavniji primjer ne-inercijalnog referentnog sustava, kao što je ubrzani pokretni lift. Upravo zbog njegovog ubrzanog kretanja osjećamo kako smo pritisnuti na pod, ili, naprotiv, osjećaj je blizak bestežinskom stanju. Newtonovi zakoni mehanike ne mogu objasniti ovaj fenomen. Ako pratite slavnog fizičara, tada će u svakom trenutku ista gravitacija djelovati na osobu u liftu, što znači da bi senzacija trebala biti ista, ali u stvarnosti sve je drugačije. Stoga, prema zakonima Newtona, morate dodati dodatnu silu, koja se naziva sila inercije.

Inercijska sila

Sila inercije je stvarna djelujuća sila, iako se po prirodi razlikuje od sila povezanih s interakcijom tijela u prostoru. Ona se uzima u obzir u razvoju tehničkih struktura i aparata i igra važnu ulogu u njihovom radu. Inercijske sile mjere se na različite načine, primjerice pomoću dinamometra s oprugom. Ne-inercijalni referentni sustavi nisu zatvoreni jer se sile inercije smatraju vanjskim. Sile inercije su objektivni fizički faktori i ne ovise o volji i mišljenju promatrača.

Inercijalni i ne-inercijalni referentni sustavi, primjeri kojih se mogu naći u udžbenicima fizike, su djelovanje inercijske sile, centrifugalne sile, Coriolisove sile, prijenos momenta iz jednog tijela u drugo i druge.

Kretanje u liftu

Neinertni referentni sustavi, inercijalne sile dobro se manifestiraju tijekom ubrzanog uspona ili spuštanja. Ako se dizalo kreće prema gore s ubrzanjem, tada rezultirajuća inercijalna sila nastoji pritisnuti osobu na pod, a pri kočenju tijelo se, naprotiv, počinje činiti lakšim. U smislu manifestacija, sila inercije je u ovom slučaju slična sila gravitacije, ali ima vrlo različitu prirodu. Gravitacija je gravitacija, koja je povezana s interakcijom između tijela.

Centrifugalna sila

Sile u ne-inercijalnim referentnim sustavima mogu biti centrifugalne. Potrebno je uvesti takvu silu iz istog razloga kao i sila inercije. Živopisan primjer djelovanja centrifugalnih sila - rotacije na vrtuljku. Dok stolica nastoji zadržati osobu u svojoj "orbiti", sila inercije uzrokuje da tijelo pritisne vanjski stražnji dio stolca. Ovo sučeljavanje izražava se pojavom takve pojave kao što je centrifugalna sila.

Coriolisova sila

Učinak ove sile je dobro poznat iz primjera rotacije Zemlje. Možete ga nazvati silom samo uvjetno, jer to nije. Suština njezina djelovanja je da se tijekom rotacije (na primjer, Zemlje) svaka točka sfernog tijela kreće u krugu, dok se objekti otrgnuti od Zemlje idealno kreću ravno (poput tijela koje slobodno leti u svemiru). Budući da je linija zemljopisne širine putanja rotacije točaka na zemljinoj površini i ima oblik prstena, sva tijela odvojena od nje i koja se kreću uzduž te linije, krećući se linearno, počinju sve više odstupati od nje u smjeru nižih geografskih širina.

Druga mogućnost je kada se tijelo pokrene u meridionalnom smjeru, ali zbog rotacije Zemlje, sa stajališta zemaljskog promatrača, kretanje tijela više neće biti strogo meridionalno.

Coriolisova sila ima veliki utjecaj na razvoj atmosferskih procesa. Pod njezinim utjecajem voda udara u istočnu obalu rijeka koja teče u meridijalnom smjeru teže, postupno nagrizajući, što dovodi do pojave litica. Naprotiv, na zapadu se talože oborine, pa je nježnije i često poplavljeno vodom tijekom poplava. Istina, to nije jedini razlog zašto je jedna strana rijeke viša od druge, ali u mnogim slučajevima ona je dominantna.

Coriolisova sila također ima eksperimentalne dokaze. Dobio ju je njemački fizičar F. Reich. U pokusu su tijela pala s visine od 158 m. Izvedeno je ukupno 106 takvih pokusa. Kada je tijelo palo, oni su odstupali od ravne (sa stajališta zemaljskog promatrača) putanje za približno 30 mm.

Inercijalni referentni sustavi i teorija relativnosti

Posebna teorija relativnosti Einstein je nastao u odnosu na inercijalne referentne sustave. Takozvani relativistički učinci, prema ovoj teoriji, trebali bi se pojaviti u slučaju vrlo velikih brzina tijela u odnosu na "stacionarni" promatrač. Sve formule posebne teorije relativnosti također su oslikane za ravnomjerno kretanje, tipično za inercijalni referentni sustav. Prvi postulat te teorije potvrđuje ekvivalentnost bilo kojeg inercijskog referentnog sustava, tj. Pretpostavlja se odsustvo posebnih, namjenskih sustava.

Međutim, to baca sumnju na mogućnost provjere relativističkih učinaka (kao i same činjenice njihovog postojanja), što je dovelo do pojave takvih fenomena kao što je dvostruki paradoks. Budući da su referentni sustavi povezani s raketom i Zemljom u osnovi jednaki u pravima, tada će učinci vremenske dilatacije u paru Earth-Rocket ovisiti samo o tome gdje je promatrač. Dakle, za promatrača na raketi, vrijeme na Zemlji treba ići sporije, a za osobu na našem planetu, naprotiv, treba ići sporije na raketu. Kao rezultat toga, blizanac koji ostane na Zemlji vidjet će mlađeg brata, a onaj koji je bio u raketi, koji je uletio, trebao bi vidjeti mlađe od onog koji je ostao na Zemlji. Jasno je da je to fizički nemoguće.

Dakle, da bismo promatrali relativističke učinke, trebamo neku vrstu posebnog, posvećenog referentnog okvira. Na primjer, pretpostavlja se da promatramo relativističko povećanje životnog vijeka miona, ako se kreću brzinom bliskom svjetlosti u odnosu na Zemlju. To znači da Zemlja mora (štoviše, bez ikakve alternative) posjedovati svojstva prioritetnog, osnovnog referentnog sustava, što je u suprotnosti s prvim postulatom SRT-a. Prioritet je moguć samo ako je Zemlja središte svemira, što je konzistentno samo s primitivnom slikom svijeta i suprotno fizici.

Ne-inercijalni referentni sustavi kao neuspješan način objašnjavanja dvostrukog paradoksa

Pokušaji da se objasni prioritet "zemaljskog" referentnog okvira ne drže vodu. Neki znanstvenici ovaj prioritet pripisuju čimbeniku inercije jednog i ne-inercijalnosti drugog referentnog okvira. U ovom slučaju, referentni sustav povezan s promatračem na Zemlji smatra se inercijalnim, unatoč činjenici da je u fizičkoj znanosti službeno priznat kao ne-inercijski (Detlaf, Yavorsky, tečaj fizike, 2000.). Ovo je prvi. Drugi je isti princip jednakosti bilo kojeg referentnog sustava. Dakle, ako svemirska letjelica napusti Zemlju s ubrzanjem, onda sa stajališta promatrača na samom brodu, ona je statična, a Zemlja, naprotiv, odlazi s njom sve brže.

Ispostavlja se da je sama Zemlja poseban referentni sustav, ili promatrani efekti imaju drugačije (ne-relativističko) objašnjenje. Možda su procesi povezani s osobitostima formuliranja ili tumačenja eksperimenata ili s drugim fizičkim mehanizmima promatranih fenomena.

zaključak

Dakle, ne-inercijalni referentni sustavi dovode do pojave sila koje nisu našle svoje mjesto u zakonima newtonske mehanike. Pri izračunu za ne-inercijalne sustave, obračunavanje tih sila je obvezno, uključujući i razvoj tehničkih proizvoda.