Неинерциальная система відліку - це... Визначення і приклади
Опубликованно 09.11.2018 04:56
Одна з задач фізики полягає у виявленні основних законів, згідно з якими відбувається рух матерії, тобто будь-які зміни її стану в часі. Для опису руху в фізиці запроваджено базові поняття інерціальної і неинерциальной системи відліку. Це свого роду матеріальна основа, спираючись на яку, можна проводити вимірювання характеристик стану фізичної системи. Що таке система відліку
Будь-який рух можливо розглядати тільки по відношенню до якого-небудь об'єкту, від параметрів якого відраховуються зміни стану. Стосовно до механічного руху в якості такого об'єкта вибирають комплекс тіл зі строго фіксованим взаємним просторовим розташуванням, називається тілом відліку, до якого прив'язується система просторових координат. У сукупності з годинником, що вимірюють час для цього комплексу, він і являє собою систему відліку. Вона необов'язково повинна включати реальне тіло – неодмінною умовою є наявність системи координат і годин.
Для того щоб розібратися в тому, які системи відліку називаються неинерциальными, необхідно звернутися до одного з фундаментальних властивостей, притаманних фізичним тілам. Системи відліку та інерція тіла
Властивість тіл чинити опір дії сил, що викликають прискорення, називається інерцією. З нею пов'язаний ознака, за якою розрізняють два типи систем відліку. Інерціальній систему прийнято вважати в тому випадку, якщо пов'язані з нею тіла покояться або рухаються по інерції (прямолінійно і рівномірно) в умовах, коли на них не діють зовнішні сили.
Якщо ж при відсутності зовнішніх сил рух тіла в будь-якій системі відліку змінюється, то ця система відліку – неинерциальная. По відношенню до якоїсь інерціальної просторовій системі вона рухається прискорено (у тому числі може обертатися), а тіло, пов'язане з нею, завдяки своїй інерції прагне зберігати спокій або рівномірний пряме рух. Сили інерції
Зміна руху спостерігач зафіксує як факт прискорення тіла («матеріальної точки»). Тому на питання про те, які системи відліку називаються неинерциальными, можна дати таку відповідь: це системи, в яких інерція зовні проявляє себе як джерело сили, що повідомляє тілу прискорення.
Поняття сил інерції досить розпливчасто і багатозначне. Іноді їх називають фіктивними, або псевдосилами, внаслідок того, що їх походження не пов'язане із взаємодією тел. Ці сили реальні для спостерігача в рамках неинерциальной системи відліку: тут вони прикладені до маси тіла і виконували роботу. Але сторонній спостерігач в інерціальній системі, взагалі, не зафіксує їх виникнення – для нього реальні будуть тільки сили взаємодії спостережуваних матеріальних точок. Робота цих сил і викличе зміна кінетичної енергії тіла. Неінерціальні системи відліку в класичній механіці
Ньютона закони руху були сформульовані для інерціальних систем відліку. Однак, користуючись ними, можна описувати рух тіла і в неинерциальной системі, тільки при цьому потрібно ввести в рівняння сили інерції як реально діючі. Загальний вид рівняння руху матеріальної точки в неинерциальной системі відліку буде таким: ma' = F + Fin. Тут m – маса тіла, a' – прискорення неинерциальной системі, F – результуюча реальних сил взаємодії, Fin – сили інерції.
Для ясності викладеного необхідно навести декілька прикладів неинерциальных систем відліку і діючих на них сил. У всіх випадках в цілях спрощення тертя і сила тяжіння не враховуються.
Поступальний прискорення системи відліку
Нехай на останній відкритій платформі поїзда лежить незакріплена бочка. Коли потяг рушить і почне розганяти, бочка покотиться по платформі і впаде на рейки. Що відзначить спостерігач в інерціальній системі відліку, що стоїть на пероні (крім факту безгосподарності)? Він побачить, що поїзд поїхав з деяким прискоренням і просто «виїхав» з-під бочки, що в системі відліку цього спостерігача перебувала в спокої.
Спостерігач, їде разом з поїздом, відзначить, що без видимих причин незакріплений предмет придбав прискорення –ain в напрямку, протилежному прискоренню складу. Оскільки воно не дорівнює нулю, то для дотримання законів механіки спостерігачеві на платформі доведеться припустити, що на бочку подіяла якась особлива сила Fin = –main. Це і буде сила інерції. Зауважимо, що проявляється вона для цього спостерігача як зовнішня сила тяжіння. Він і сам відчує, як при розгоні поїзда щось тягне його назад. Відцентрова сила
Тепер уявімо той же склад, що рухається рівномірно і входить в поворот. В даному прикладі неинерциальной системи відліку людина, що їде на платформі, негайно відчує, що якась сила (очевидно, знову інерційна) зміщує його до зовнішнього краю платформи. Величина цієї сили Fin = mw2R = mv2/R (w – кутова швидкість, R – радіус повороту) пропорційна, як бачимо, масі пасажира і квадрату швидкості складу. Спрямована вона радіально від центру повороту.
А ось спостерігач, який стоїть біля насипу, побачить, що чоловік на платформі прагне зберегти інерційний рух, а потяг – знову-таки «виїхати» з-під нього. Нехай, щоб не полетіти з платформи, пасажир спирається на який-небудь закріплений вантаж. Тоді цей вантаж тисне на нього з силою F = mv2/R, повідомляє центростремительное прискорення, що дозволяє залишитися в поїзді. Так що і в цьому випадку спостерігач, пов'язаний з інерціальною системою відліку, не зафіксує ніяких сил інерції.
Сила Коріоліса
Якщо тіло рухається під обертається просторовій системі, виникає ще одна інерційна сила – кориолисова, відхиляюча його траєкторію в площині, орієнтованої перпендикулярно до осі обертання системи. У разі наближення до цієї осі сила Коріоліса відхиляє тіло в напрямку обертання, при видаленні від осі напрямок дії сили протилежно обертанню. В загальному випадку вона дорівнює векторному добутку лінійної та кутової швидкості тіла, помноженій на його подвоєну масу: Fin = FK = 2m [v ? w].
Так, у системі відліку Землі через її обертання тіла, пов'язані з нею, відчуває дію сили Коріоліса. У північній півкулі вона відхиляє вправо траєкторії польоту снарядів, рух річок, коливання маятників, течії в океанах і переміщення повітряних мас. У південній півкулі зміщення відбувається, відповідно, ліворуч. Прояв сили Коріоліса мінімально поблизу екватора і зростає з наближенням до полюсів, оскільки там поверхню планети наближається до площини, перпендикулярної осі її обертання.
В інерціальній системі відліку ця сила знову-таки не спостерігається. Наприклад, маятник Фуко для такого спостерігача зберігає площину коливань, а Земля, навпаки, «провертається» під ним. Маса, інерція і тяжіння
Ньютона закони руху оперують масою як мірою, характеризує інертність тіла, в той час як у законі всесвітнього тяжіння фігурує гравітаційна маса. Спільне застосування цих законів можливо лише завдяки рівності двох видів мас, що в рамках класичної фізики не знаходить пояснення, а є лише наглядовою фактом.
Кілька вище було відзначено, що поведінка матеріальних точок в неинерциальной системі відліку – це процес, локально невідмітний від прояву поля гравітації, накладеного ззовні на інерційну систему. Даний факт був сформульований А. Ейнштейном в 1913 р. як принцип еквівалентності сил інерції і тяжіння, що означає єдність їх фізичної природи, що дозволило узагальнити та поняття маси. Через кілька років Ейнштейн використав його вже при створенні цілісної теорії. Неінерціальні системи відліку в загальній теорії відносності
Эйнштейновская теорія гравітації дає можливість пояснити характер дії гравітаційних сил через зміни геометрії просторово-часового континууму в присутності маси. Будь-яке тіло у власній системі відліку рухається інерційно за так званим геодезичним, або прямейшим (але не прямим!) лініях, що проходять через точки однакової кривизни простору-часу.
Наприклад, камінь в падінні за інерцією слід з геодезичної лінії в деформованому масою Землі просторі-часі. Лежить же предмет відчуває дію сили з боку поверхні планети, і його просторово-тимчасова траєкторія – світова лінія – відхилена від прямейшей.
З-за цієї нерівномірною і непостійною кривизни в чотиривимірному континуумі можна виділити жодної привілейованої інерціальної системи відліку. У реальності всі вони – неінерціальні і рівноправні: закони фізики, виражені математичним апаратом даної теорії, які не змінюють виду при будь-яких переходах між системами відліку, тобто інваріантні щодо всіх систем. Системи відліку в квантовому світі
Енергетичний стан квантових полів пов'язано залежностями з координатами або часом, і теоретично рух, пов'язаний з неинерциальной системою відліку, в квантової теорії також повинно мати особливості. Так, одним із наслідків квантової теорії поля, виведене в 1976 р. канадським фізиком Б. Унру, передбачає зміну спостережуваних властивостей вакууму при русі з прискоренням.
Вакуум – нижча, нульовий стан квантового поля. У відповідності з принципом невизначеності він піддається флуктуаціям – нульових коливань, які при инерциальном русі не можна побачити. Однак у прискореної системі відліку спостерігач виявить не нульовий стан вакууму, а фон частинок, що має вид випромінювання з тепловим спектром.
Передбачене в ефекті Унру підвищення температури вакууму залежить від прискорення і складає дуже малу величину з коефіцієнтом близько 10-21 K, що надзвичайно ускладнює можливість експериментальної перевірки. А вона дуже бажана для фізиків, оскільки дала б їм інструмент для визначення абсолютного прискорення. Про важливість поняття системи відліку
Безперечно, що як інерціальні, так і неінерціальні системи відліку – це сама основа розуміння сутності фізичного руху. Без них не обійтися ні в класичній механіці, чудово яка впорається з описом близької нам за масштабами світу, ні в теорії відносності, яка розкриває природу простору-часу та руху в ньому, ні навіть у фізиці квантових систем. Навіть поверхневе знайомство з ними переконливо свідчить про те, що світ влаштований набагато складніше, ніж іноді підказують нам інтуїтивні уявлення, обмежені рамками безпосереднього досвіду. Автор: Вінера Андрєєва 20 Липня, 2018
Категория: Студентам