Неинерциална референтна рамка: определение, примери

Всички референтни системи са разделени на инерционни и неинерционни. Инерционната референтна рамка лежи в основата на механиката на Нютон. Той характеризира еднородно праволинейно движение и състояние на покой. Неинерционната референтна рамка е свързана с ускорено движение по различна траектория. Това движение е определено по отношение на инерционните референтни системи. Неинерционната референтна система е свързана с такива ефекти като инерционна сила, центробежна сила и сила на Кориолис.

Всички тези процеси възникват в резултат на движението, а не на взаимодействието между телата. Законите на Нютон в неинерциални референтни системи често не работят. В такива случаи към класическите закони на механиката се добавят изменения. Силите, дължащи се на неинерционното движение, се вземат предвид при разработването на технически продукти и механизми, включително тези, в които има ротация. В живота се сблъскваме с тях, движим се в асансьора, карахме се на въртележката, наблюдаваме времето и течението на реките. Те се вземат предвид при изчисляването на движението на космическия кораб.

Инерционни и неинерционни референтни системи

Инерционните референтни системи не винаги са подходящи за описване на движението на тела. Във физиката има два вида референтни системи: инерционни и неинерционни референтни системи. Според механиката на Нютон, всяко тяло може да бъде в състояние на покой или равномерно и праволинейно движение, с изключение на случаите, когато върху тялото се упражнява външно влияние. Такова равномерно движение се нарича инерционно движение.

Инерционното движение (инерционни референтни системи) е в основата на механиката на Нютон и произведенията на Галилео. Ако звездите се считат за фиксирани обекти (което всъщност не е така), тогава всички обекти, движещи се спрямо тях равномерно и ясно, ще формират инерционни референтни системи.

За разлика от инерционните референтни системи, неинерционната система се движи по отношение на посоченото с определено ускорение. В този случай използването на законите на Нютон изисква допълнителни променливи, в противен случай те неадекватно ще опишат системата. За да се отговори на въпроса кои референтни системи се наричат ​​неинерционни, заслужава да се обмисли пример за неинерционно движение. Това движение е ротация на нашите и други планети.

Движение в неинерционни референтни системи

Коперник беше първият, който показа колко трудно може да бъде едно движение, ако в нея участват няколко сили. Пред него се смяташе, че Земята се движи сама по себе си, в съответствие с законите на Нютон, и следователно нейното движение е инерционно. Въпреки това, Коперник доказа, че Земята се върти около Слънцето, т.е. прави ускорено движение по отношение на условно неподвижен обект, който звездата може да бъде.

Така че има различни референтни системи. Неинерционните повиквания са само тези, при които има ускорено движение, което се дефинира по отношение на инерционната система.

Земята като референтна система

Неинерциална референтна рамка, примери за чието съществуване могат да бъдат намерени почти навсякъде, е типична за тела с комплексна траектория на движение. Земята се върти около слънцето, което създава характеристика на ускорено движение на неинерционни референтни системи. В ежедневната практика обаче всичко, което срещаме на Земята, е съвместимо с постулатите на Нютон. Работата е там, че корекциите за неинерционните движения на референтните системи, свързани с Земята, са много малки и не играят голяма роля за нас. А уравненията на Нютон по същата причина се оказват честни.

Махалото на Фуко

В някои случаи обаче не е необходимо изменение. Например световното махало на Фуко в катедралата на Санкт Петербург не само извършва линейни колебания, но и бавно се обръща. Това въртене се дължи на неинерционното движение на Земята в космоса.

За първи път това стана известно през 1851 г. след експериментите на френския учен Л. Фуко. Самият експеримент се провежда не в Петербург, а в Париж, в огромна зала. Тежестта на топката на махалото е около 30 кг, а дължината на свързващата резба е била 67 метра.

В случаите, когато само формулите на Нютон за инерционната референтна рамка не са достатъчни да опишат движението, те добавят така наречените сили на инерция.

Свойства на неинерционната референтна система

Неинерционната референтна система извършва различни движения спрямо инерционната. Може да е така движение напред ротация, сложни комбинирани движения. В литературата е представен и най-простият пример за неинерциална референтна система, като например ускорен асансьор. Заради ускореното му движение ние усещаме как сме притиснати към пода, или, напротив, усещането е близо до безтегловността. Законите на механиката на Нютон не могат да обяснят това явление. Ако следвате известния физик, тогава във всеки един момент една и съща сила на гравитацията ще действа върху човек в асансьора, което означава, че усещанията трябва да бъдат едни и същи, но в действителност всичко е различно. Следователно, към законите на Нютон, трябва да добавите допълнителна сила, която се нарича сила на инерцията.

Инерционна сила

Силата на инерцията е истинска действаща сила, въпреки че тя се различава по природа от силите, свързани с взаимодействието между тела в пространството. Той се взема предвид при разработването на технически структури и апарати и играе важна роля в тяхната работа. Инерционните сили се измерват по различни начини, например с помощта на пружинен динамометър. Неинерционните референтни системи не са затворени, тъй като инерционните сили се считат за външни. Силите на инерцията са обективни физически фактори и не зависят от волята и мнението на наблюдателя.

Инерционни и неинерционни референтни системи, примери за които могат да се намерят в учебниците по физика, са действието на инерционната сила, центробежната сила, силата на Кориолис, прехвърлянето на инерция от едно тяло в друго и други.

Движение в асансьора

Неинерциалните референтни системи, инерционните сили се проявяват добре по време на ускорено изкачване или спускане. Ако асансьорът се движи нагоре с ускорение, тогава получената инерционна сила има тенденция да притиска човека към пода, а при спиране тялото, напротив, започва да изглежда по-лесно. По отношение на проявленията силата на инерцията в този случай е подобна на на силата на гравитацията, но тя има много различен характер. Гравитацията е гравитацията, която е свързана с взаимодействието между телата.

Центробежна сила

Силите в неинерционните референтни системи могат да бъдат центробежни. Необходимо е да се въведе такава сила по същата причина, както и инерционната сила. Ярък пример за действието на центробежните сили - въртенето на въртележката. Докато столът се стреми да държи човека в неговата „орбита“, силата на инерцията кара тялото да се притисне към външната част на стола. Тази конфронтация се изразява в появата на такова явление като центробежна сила.

Сила на Кориолис

Ефектът от тази сила е добре известен от примера на въртенето на Земята. Можете да го наречете сила само условно, тъй като не е така. Същността на неговото действие е, че по време на ротация (например на Земята) всяка точка на сферично тяло се движи в кръг, докато обектите, разкъсани от Земята, в идеалния случай се движат направо (като тяло, свободно летящо в космоса). Тъй като линията на географска ширина е траекторията на въртене на точките на земната повърхност и има формата на пръстен, всички органи, отделени от нея и първоначално движещи се по тази линия, движещи се линейно, започват да се отклоняват все повече и повече от нея в посока на по-ниски ширини.

Друг вариант е, когато тялото е пуснато в меридионална посока, но поради ротацията на Земята, от гледна точка на земния наблюдател, движението на тялото вече няма да бъде строго меридионално.

Силата на Кориолис оказва голямо влияние върху развитието на атмосферните процеси. Под нейното влияние водата удря по източния бряг на реките, течащи в меридионална посока по-трудно, постепенно го ерозирайки, което води до появата на скали. На запад, напротив, валежите се отлагат, така че по време на наводненията е по-нежна и често напоена с вода. Вярно е, че това не е единствената причина, поради която едната страна на реката е по-висока от другата, но в много случаи тя е доминираща.

Силата на Кориолис също има експериментални доказателства. Той е получен от германския физик Ф. Райх. В експеримента телата паднаха от височина от 158 м. Бяха проведени общо 106 такива експеримента. Когато едно тяло падна, те се отклониха от права (от гледна точка на земния наблюдател) траектория с приблизително 30 mm.

Инерционни референтни системи и теория на относителността

Специална теория на относителността Айнщайн е създаден във връзка с инерционни референтни системи. Така наречените релативистични ефекти, според тази теория, трябва да се появят в случай на много високи скорости на тялото спрямо "стационарния" наблюдател. Всички формули на специалната теория на относителността също са боядисани за равномерно движение, характерно за инерционната референтна система. Първият постулат на тази теория твърди, че еквивалентността на всяка инерциална референтна система, т.е. липсата на специални, посветени системи е постулирана.

Това обаче поставя под съмнение възможността за проверка на релативистките ефекти (както и на самия факт на тяхното съществуване), което е довело до появата на такива явления като парадокс-близнак. Тъй като референтните системи, свързани с ракетата и Земята, са фундаментално равни в правата, тогава ефектите от времевата дилатация в двойката Земя-Ракета ще зависят само от това къде е наблюдателят. Така че, за наблюдател на ракета, времето на Земята трябва да върви по-бавно, а за човек на нашата планета, напротив, трябва да върви по-бавно на ракета. В резултат на това близнакът, останал на Земята, ще види брат си да пристигне по-млад, а онзи, който е бил в ракетата, след като е пристигнал, ще види по-млад от този, който остана на Земята. Ясно е, че това е физически невъзможно.

Така че, за да наблюдаваме релативистични ефекти, ние се нуждаем от някаква специална, посветена референтна рамка. Например, приема се, че наблюдаваме релативистично увеличение в живота на мюоните, ако те се движат с почти светлинна скорост спрямо Земята. Това означава, че Земята трябва (освен това, без никаква алтернатива) да притежава свойствата на приоритетна, основна референтна система, която противоречи на първия постулат на СТО. Приоритет е възможен само ако Земята е центърът на Вселената, който е съвместим само с примитивната картина на света и противоположна на физиката.

Неинерционните референтни системи като неуспешен начин да обяснят двойния парадокс

Опитите да се обясни приоритета на "земната" референтна рамка не задържа вода. Някои учени приписват този приоритет на фактора на инерцията на едното и на неинерционността на друга референтна рамка. В този случай референтната система, свързана с наблюдател на Земята, се счита за инерционна, въпреки факта, че във физиката тя е официално призната за неинерционна (Detlaf, Yavorsky, курс по физика, 2000). Това е първото. Вторият е същият принцип на равенство на всички референтни системи. Така че, ако космически кораб напусне Земята с ускорение, тогава от гледна точка на наблюдателя на самия кораб, той е статичен, а Земята, напротив, излита от него с нарастваща скорост.

Оказва се, че самата Земя е специална референтна система, или наблюдаваните ефекти имат различно (нерелативистично) обяснение. Може би процесите са свързани с особеностите на формулирането или интерпретацията на експерименти или с други физически механизми на наблюдаваните явления.

заключение

Така неинерционните референтни системи водят до появата на сили, които не са намерили място в законите на нютоновата механика. При изчисляване на неинерционни системи отчитането на тези сили е задължително, включително при разработването на технически продукти.