Prvi Newtonov zakon (zakon inercije)
Postoje referentni okviri tzv inercijski(u daljnjem tekstu $-$ISO), u kojem bilo koje tijelo miruje ili se giba jednoliko i pravocrtno, ako na njega ne djeluju druga tijela ili je djelovanje tih tijela kompenzirano. U takvim sustavima tijelo će zadržati svoje početno stanje mirovanja ili uniformnosti pravocrtno gibanje sve dok ga djelovanje drugih tijela ne prisili da promijeni ovo stanje.
ISO $-$ je posebna klasa referentnih sustava u kojoj su ubrzanja tijela određena samo stvarnim silama koje djeluju na tijela, a ne svojstvima referentnih sustava. Kao posljedica toga, ako na tijelo ne djeluju sile ili je njihovo djelovanje kompenzirano $\vec(R_())=\vec(F_1)+\vec(F_2)+\vec(F_3)+…=\vec(0_( )) $, tada tijelo ili ne mijenja svoju brzinu $\vec(V_())=\vec(const)$ i giba se ravnomjerno pravocrtno ili miruje $\vec(V_())=\vec (0_())$.
Postoji beskonačan broj inercijskih sustava. Referentni okvir povezan s vlakom iz kojeg dolazi stalna brzina duž ravnog dijela staze je također inercijalni sustav (približno), poput sustava pridruženog Zemlji. Svi ISO-ovi tvore klasu sustava koji se gibaju jedan u odnosu na drugog ravnomjerno i pravocrtno. Ubrzanja bilo kojeg tijela u različitim ISO-ima su ista.
Kako utvrditi da je zadani referentni sustav inercijalan? To se može učiniti samo iskustvom. Promatranja pokazuju da s vrlo visok stupanj Točnost se može smatrati inercijskim referentnim sustavom kao heliocentričnim sustavom, u kojem je ishodište koordinata povezano sa Suncem, a osi su usmjerene na određene "fiksne" zvijezde. Referentni sustavi čvrsto povezani sa Zemljinom površinom, strogo govoreći, nisu inercijalni, jer se Zemlja kreće po orbiti oko Sunca i istovremeno rotira oko svoje osi. Međutim, kada se opisuju kretanja koja nemaju globalnu (tj. svjetsku) ljestvicu, referentni sustavi povezani sa Zemljom mogu se smatrati inercijalnim s dovoljnom točnošću.
Inercijalni su i referentni sustavi koji se gibaju jednoliko i pravocrtno u odnosu na neki inercijalni referentni sustav.
Galileo je utvrdio da se nikakvim mehaničkim eksperimentima koji se provode unutar inercijalnog referentnog sustava ne može utvrditi da li taj sustav miruje ili se giba jednoliko i pravocrtno. Ova izjava se zove Galilejevo načelo relativnosti, odnosno mehaničko načelo relativnosti.
Ovo je načelo kasnije razvio A. Einstein i jedan je od postulata posebne teorije relativnosti. ISO igra izuzetno važnu ulogu u fizici, jer, prema Einsteinovom principu relativnosti, matematički izraz svakog zakona fizike ima isti oblik u svakom ISO.
Neinercijalni referentni okvir$-$ referentni okvir koji nije inercijalan. Svojstvo opisano u zakonu inercije ne funkcionira u ovim sustavima. Zapravo, svaki referentni sustav koji se giba u odnosu na inercijalni s akceleracijom bit će neinercijalan.
Bilo koje tijelo može biti pod utjecajem drugih tijela koja ga okružuju, uslijed čega se stanje gibanja (mirovanja) promatranog tijela može promijeniti. Istodobno, takvi se utjecaji mogu kompenzirati (uravnotežiti) i ne uzrokovati takve promjene. Kad kažu da se djelovanje dvaju ili više tijela međusobno kompenzira, to znači da je rezultat njihovog zajedničkog djelovanja isti kao da tih tijela uopće nema. Ako je utjecaj drugih tijela na tijelo kompenziran, tada tijelo u odnosu na Zemlju ili miruje ili se giba pravocrtno i jednoliko.
Tako dolazimo do jednog od temeljnih zakona mehanike koji se naziva Prvi Newtonov zakon.
1. Newtonov zakon (zakon inercije)
Postoje referentni sustavi u kojima se translatorno gibajuće tijelo nalazi u stanju mirovanja ili jednolikog pravocrtnog gibanja (gibanje po inerciji) sve dok ga utjecaji drugih tijela ne izvedu iz tog stanja.
U vezi s navedenim, promjena brzine tijela (odnosno ubrzanje) uvijek je uzrokovana utjecajem nekih drugih tijela na to tijelo.
Newtonov 1. zakon je zadovoljen samo u inercijalnim referentnim okvirima.
Definicija
Referentni okviri u odnosu na koje tijelo, na koje ne djeluju druga tijela, miruje ili se giba jednoliko i pravocrtno nazivaju se inercijskim.
Je li određeni referentni sustav inercijalan moguće je utvrditi samo eksperimentalno. U većini slučajeva referentni sustavi povezani sa Zemljom ili referentnim tijelima koja se gibaju jednoliko i pravocrtno u odnosu na Zemljinu površinu mogu se smatrati inercijalnima.
Slika 1. Inercijalni referentni okviri
Sada je eksperimentalno potvrđeno da je heliocentrični referentni sustav povezan sa središtem Sunca i tri "fiksne" zvijezde praktički inercijalan.
Svaki drugi referentni sustav koji se giba jednoliko i pravocrtno u odnosu na inercijalni je i sam inercijalan.
Galileo je utvrdio da se nikakvim mehaničkim eksperimentima koji se provode unutar inercijalnog referentnog sustava ne može utvrditi da li taj sustav miruje ili se giba jednoliko i pravocrtno. Ova se tvrdnja naziva Galilejevim principom relativnosti ili mehaničkim principom relativnosti.
Ovo je načelo kasnije razvio A. Einstein i jedan je od postulata posebne teorije relativnosti. ISO igra izuzetno važnu ulogu u fizici, jer, prema Einsteinovom principu relativnosti, matematički izraz svakog zakona fizike ima isti oblik u svakom ISO.
Ako se referentno tijelo giba ubrzano, onda je referentni okvir koji mu je pridružen neinercijalan i u njemu ne vrijedi 1. Newtonov zakon.
Svojstvo tijela da tijekom vremena zadrže svoje stanje (brzina gibanja, smjer gibanja, stanje mirovanja itd.) naziva se tromost. Sama pojava održavanja brzine tijelom u gibanju bez vanjskih utjecaja naziva se inercija.
Slika 2. Pojave tromosti u autobusu pri početku kretanja i kočenju
Često se u svakodnevnom životu susrećemo s manifestacijama tromosti tijela. Kada autobus naglo ubrza, putnici u njemu se naginju unatrag (slika 2, a), a kada autobus naglo zakoči, naginju se prema naprijed (slika 2, b), a kada autobus skrene udesno, naginju se prema njegov lijevi zid. Kada avion uzlijeće s velikim ubrzanjem, tijelo pilota, pokušavajući zadržati prvobitno stanje mirovanja, pritišće sjedalo.
Inercija tijela jasno se očituje kada dođe do oštre promjene u ubrzanju tijela sustava, kada se inercijalni referentni sustav zamijeni neinercijalnim, i obrnuto.
Tromost tijela obično se karakterizira njegovom masom (tromom masom).
Sila koja na tijelo djeluje iz neinercijalnog referentnog sustava naziva se inercijalna sila
Ako na tijelo u neinercijalnom referentnom sistemu istodobno djeluje nekoliko sila, od kojih su neke "obične", a druge inercijalne, tada će tijelo djelovati na jednu rezultantnu silu, koja je vektorski zbroj svih sila koje djeluju na tome. Ova rezultantna sila nije inercijalna sila. Sila inercije je samo komponenta rezultantne sile.
Ako se štap obješen o dvije tanke niti polako vuče užetom pričvršćenim za njegovo središte, tada:
- štap će se slomiti;
- kabel pukne;
- jedna od niti pukne;
- Moguća je bilo koja opcija, ovisno o primijenjenoj sili
Slika 4
Sila se primjenjuje na sredinu štapa, gdje je uže obješeno. Budući da prema 1. Newtonovom zakonu svako tijelo ima inerciju, dio štapa na mjestu gdje je uže ovješeno pomaknut će se pod djelovanjem primijenjene sile, a ostali dijelovi štapa na koje sila ne djeluje ostat će u miru. Stoga će se štap slomiti na mjestu ovjesa.
Odgovor. Točan odgovor 1.
Čovjek vuče dvije spojene saonice djelujući silom pod kutom od 300 u odnosu na horizontalu. Nađite tu silu ako znate da se sanjke gibaju jednoliko. Težina sanjki je 40 kg. Koeficijent trenja 0,3.
$t_1$ = $t_2$ = $m$ = 40 kg
$(\mathbf \mu )$ = 0,3
$(\mathbf \alpha )$=$30^(\circ)$
$g$ = 9,8 m/s2
Slika 5
Budući da se saonice gibaju konstantnom brzinom, prema prvom Newtonovom zakonu zbroj sila koje djeluju na sanjke jednak je nuli. Zapišimo prvi Newtonov zakon za svako tijelo neposredno u projekciji na os i dodajmo Coulombov zakon suhog trenja za sanjke:
OX os OY os
\[\lijevo\( \begin(array)(c) T-F_(tr1)=0 \\ F_(tr1)=\mu N_1 \\ F_(tr2)=\mu N_2 \\ F(cos \alpha - \ )F_(tr2)-T=0 \end(niz) \desno. \lijevo\( \begin(niz)(c) N_1-mg=0 \\ N_2+F(sin \alpha \ )-mg=0 \end(niz) \desno.\]
$F=\frac(2\mu mg)((cos \alpha \ )+\mu (sin \alpha \ ))=\ \frac(2\cdot 0,3\cdot 40\cdot 9,8)((cos 30() ^\circ \ )+0,3\cdot (sin 30()^\circ \ ))=231,5\ H$
Predstavljamo vam video lekciju posvećenu temi "Inercijalni referentni sustavi. Prvi Newtonov zakon", koji je uključen u školski tečaj fizika za 9. razred. Na početku sata nastavnik će vas podsjetiti na važnost odabranog referentnog okvira. Zatim će govoriti o ispravnosti i značajkama odabranog referentnog sustava, te objasniti pojam "tromost".
Na prethodna lekcija govorili smo o važnosti odabira referentnog okvira. Podsjetimo, putanja, prijeđena udaljenost i brzina ovisit će o tome kako izaberemo CO. Postoji niz drugih značajki povezanih s izborom referentnog sustava i o njima ćemo govoriti.
Riža. 1. Ovisnost putanje padajućeg tereta o izboru referentnog sustava
U sedmom ste razredu učili pojmove "inercija" i "inercija".
Inercija - Ovo fenomen, u kojem tijelo nastoji održati svoje prvobitno stanje. Ako se tijelo kretalo, onda bi trebalo težiti održavanju brzine tog kretanja. A ako je mirovao, nastojat će održati stanje mirovanja.
Inercija - Ovo vlasništvo tijela održavaju stanje gibanja. Svojstvo inercije karakterizira takva količina kao što je masa. Težina – mjera tromosti tijela. Što je tijelo teže, to ga je teže pomaknuti ili, obrnuto, zaustaviti.
Imajte na umu da su ovi koncepti izravno povezani s konceptom " inercijski referentni okvir"(ISO), o čemu će biti riječi u nastavku.
Promotrimo gibanje tijela (ili stanje mirovanja) u slučaju kada na tijelo ne djeluju druga tijela. Zaključak o tome kako će se tijelo ponašati u odsutnosti djelovanja drugih tijela prvi je predložio Rene Descartes (slika 2), a nastavio se u eksperimentima Galileja (slika 3).
Riža. 2. Rene Descartes
Riža. 3. Galileo Galilei
Ako se tijelo giba, a druga tijela ne djeluju na njega, tada će se gibanje održati, ostat će pravocrtno i jednoliko. Ako druga tijela ne djeluju na tijelo, a tijelo miruje, tada će se stanje mirovanja održati. No poznato je da je stanje mirovanja povezano s referentnim sustavom: u jednom referentnom sustavu tijelo miruje, au drugom se giba prilično uspješno i ubrzano. Rezultati pokusa i razmišljanja dovode do zaključka da se neće u svim referentnim sustavima tijelo gibati pravocrtno i jednoliko ili mirovati ako na njega ne djeluju druga tijela.
Slijedom toga, za rješavanje glavnog problema mehanike važno je odabrati sustav izvještavanja u kojem je još uvijek zadovoljen zakon tromosti, gdje je jasan razlog koji je uzrokovao promjenu gibanja tijela. Ako se tijelo giba pravocrtno i jednoliko bez djelovanja drugih tijela, takav će referentni okvir za nas biti poželjniji, a nazvat ćemo ga inercijski referentni sustav(ISO).
Aristotelov pogled na uzrok gibanja
Inercijalni referentni sustav je prikladan model za opisivanje gibanja tijela i uzroka koji uzrokuju takvo gibanje. Ovaj se koncept prvi put pojavio zahvaljujući Isaacu Newtonu (slika 5).
Riža. 5. Isaac Newton (1643.-1727.)
Stari Grci su potpuno drugačije zamišljali kretanje. Upoznat ćemo se s aristotelovskim stajalištem o gibanju (sl. 6).
Riža. 6. Aristotel
Prema Aristotelu, postoji samo jedan inercijalni referentni okvir - referentni okvir povezan sa Zemljom. Svi ostali referentni sustavi, prema Aristotelu, su sekundarni. Prema tome, sva se kretanja mogu podijeliti u dvije vrste: 1) prirodna, to jest ona koja priopćava Zemlja; 2) prisilni, odnosno svi ostali.
Najjednostavniji primjer prirodnog gibanja je slobodan pad tijela na Zemlju, budući da Zemlja u tom slučaju tijelu daje brzinu.
Pogledajmo primjer prisilnog kretanja. Ovo je situacija kada konj vuče kola. Dok konj djeluje silom, kola se kreću (slika 7). Čim je konj stao, stala su i kola. Nema snage - nema brzine. Prema Aristotelu, sila je ta koja objašnjava prisutnost brzine u tijelu.
Riža. 7. Prisilno kretanje
Do sada, neki obični ljudi smatraju Aristotelovo gledište pravednim. Na primjer, pukovnik Friedrich Kraus von Zillergut iz “Pustolovina dobrog vojnika Švejka tijekom svjetskog rata” pokušao je ilustrirati načelo “Nema snage - nema brzine”: “Kad je nestalo benzina”, rekao je pukovnik, “ automobil je bio prisiljen stati. Vidio sam ovo jučer. I nakon toga još pričaju o inerciji, gospodo. Ne ide, stoji, ne miče se. Nema benzina! Nije li smiješno?"
Kao iu modernom show businessu, gdje ima obožavatelja, uvijek će biti i kritičara. Aristotel je također imao svoje kritičare. Predložili su mu da napravi sljedeći eksperiment: pusti tijelo i ono će pasti točno ispod mjesta gdje smo ga pustili. Navedimo primjer kritike Aristotelove teorije, sličan primjerima njegovih suvremenika. Zamislite da leteći avion baca bombu (slika 8). Hoće li bomba pasti točno ispod mjesta gdje smo je pustili?
Riža. 8. Ilustracija za primjer
Naravno da ne. Ali ovo je prirodno kretanje - kretanje koje je priopćila Zemlja. Što onda tjera ovu bombu naprijed? Aristotel je ovako odgovorio: činjenica je da prirodno kretanje koje daje Zemlja pada ravno prema dolje. Ali kada se kreće u zraku, bomba je odnesena svojom turbulencijom, a čini se da te turbulencije guraju bombu naprijed.
Što se događa ako se ukloni zrak i stvori vakuum? Uostalom, ako nema zraka, onda bi, prema Aristotelu, bomba trebala pasti točno ispod mjesta gdje je bačena. Aristotel je tvrdio da ako nema zraka, onda je takva situacija moguća, ali zapravo u prirodi nema praznine, nema vakuuma. A ako nema vakuuma, nema problema.
I tek je Galileo Galilei formulirao princip inercije u obliku na koji smo navikli. Razlog promjene brzine je djelovanje drugih tijela na tijelo. Ako druga tijela ne djeluju na tijelo ili se to djelovanje kompenzira, tada se brzina tijela neće promijeniti.
U vezi s inercijskim referentnim okvirom mogu se uzeti u obzir sljedeća razmatranja. Zamislimo situaciju kada se automobil kreće, zatim vozač ugasi motor, a zatim se automobil kreće po inerciji (slika 9). Ali ovo je netočna izjava iz jednostavnog razloga što će se automobil s vremenom zaustaviti kao rezultat trenja. Stoga u ovom slučaju neće biti jednoliko kretanje- nedostaje jedan od uvjeta.
Riža. 9. Brzina automobila se mijenja uslijed trenja
Razmotrimo još jedan slučaj: veliki, veliki traktor kreće se konstantnom brzinom, dok ispred sebe vuče veliki teret sa žlicom. Takvo kretanje možemo smatrati pravocrtnim i jednolikim, jer se u tom slučaju sve sile koje djeluju na tijelo kompenziraju i međusobno uravnotežuju (slika 10). To znači da se referentni okvir povezan s ovim tijelom može smatrati inercijskim.
Riža. 10. Traktor se kreće ravnomjerno i pravocrtno. Djelovanje svih tijela je kompenzirano
Može postojati mnogo inercijalnih referentnih sustava. U stvarnosti, takav referentni sustav još uvijek je idealiziran, jer nakon detaljnijeg ispitivanja takvih referentnih sustava u punom smislu nema. ISO je vrsta idealizacije koja vam omogućuje učinkovitu simulaciju stvarnih fizičkih procesa.
Za inercijalne referentne sustave vrijedi Galileova formula za zbrajanje brzina. Također napominjemo da se svi referentni sustavi o kojima smo prije govorili mogu smatrati inercijalnima do neke aproksimacije.
Zakon posvećen ISO-u prvi je formulirao Isaac Newton. Newtonova zasluga leži u tome što je prvi znanstveno pokazao da se brzina tijela u gibanju ne mijenja trenutno, već kao rezultat nekog djelovanja tijekom vremena. Ta je činjenica bila temelj za stvaranje zakona koji nazivamo prvim Newtonovim zakonom.
Newtonov prvi zakon : postoje takvi referentni sustavi u kojima se tijelo giba pravocrtno i jednoliko ili miruje ako na tijelo ne djeluju sile ili su sve sile koje djeluju na tijelo kompenzirane. Takvi referentni sustavi nazivaju se inercijski.
Na drugi način, ponekad kažu ovo: inercijalni referentni okvir je sustav u kojem su zadovoljeni Newtonovi zakoni.
Zašto je Zemlja neinercijalni CO? Foucaultovo njihalo
U velike količine problema, potrebno je razmatrati gibanje tijela u odnosu na Zemlju, dok Zemlju smatramo inercijskim referentnim okvirom. Ispostavilo se da ova izjava nije uvijek točna. Ako uzmemo u obzir kretanje Zemlje u odnosu na njezinu os ili u odnosu na zvijezde, tada se to kretanje događa s određenim ubrzanjem. CO, koji se giba s određenim ubrzanjem, ne može se smatrati inercijskim u punom smislu.
Zemlja se okreće oko svoje osi, što znači da sve točke koje leže na njezinoj površini neprestano mijenjaju smjer svoje brzine. Brzina je vektorska veličina. Ako se njegov smjer promijeni, tada se pojavljuje neko ubrzanje. Stoga Zemlja ne može biti ispravan ISO. Ako izračunamo ovo ubrzanje za točke koje se nalaze na ekvatoru (točke koje imaju maksimalno ubrzanje u odnosu na točke bliže polovima), tada će njegova vrijednost biti . Indeks pokazuje da je ubrzanje centripetalno. U usporedbi s ubrzanjem slobodan pad, ubrzanje se može zanemariti i Zemlja se može smatrati inercijskim referentnim okvirom.
Međutim, tijekom dugotrajnih promatranja ne može se zaboraviti na rotaciju Zemlje. To je uvjerljivo pokazao francuski znanstvenik Jean Bernard Leon Foucault (Sl. 11).
Riža. 11. Jean Bernard Leon Foucault (1819.-1868.)
Foucaultovo njihalo(Sl. 12) - to je masivan uteg obješen o vrlo dugačku nit.
Riža. 12. Model Foucaultovog njihala
Ako se Foucaultovo njihalo izbaci iz ravnoteže, ono će opisati sljedeću putanju koja nije ravna linija (slika 13). Pomak njihala uzrokovan je rotacijom Zemlje.
Riža. 13. Oscilacije Foucaultovog njihala. Pogled odozgo.
Rotacija Zemlje uzrokovana je nizom drugih Zanimljivosti. Na primjer, u rijekama na sjevernoj hemisferi u pravilu je desna obala strmija, a lijeva ravnija. U rijekama južne polutke je obrnuto. Sve je to upravo zbog rotacije Zemlje i rezultirajuće Coriolisove sile.
O pitanju formulacije prvog Newtonovog zakona
Newtonov prvi zakon: ako na neko tijelo ne djeluju tijela ili je njihovo djelovanje međusobno uravnoteženo (kompenzirano), tada će to tijelo mirovati ili se gibati jednoliko i pravocrtno.
Razmotrimo situaciju koja će nam ukazati da ovu formulaciju prvog Newtonovog zakona treba ispraviti. Zamislite vlak sa zastrtim prozorima. U takvom vlaku putnik gledajući predmete izvana ne može utvrditi kreće li se vlak ili ne. Razmotrimo dva referentna sustava: FR povezan s putnikom Volodjom i FR povezan s promatračem na platformi Katya. Vlak počinje ubrzavati, njegova brzina se povećava. Što će biti s jabukom koja je na stolu? Inercijom će se kotrljati u suprotnom smjeru. Za Katju će biti očito da se jabuka kreće po inerciji, ali za Volodju će to biti neshvatljivo. Ne vidi da je vlak krenuo, a odjednom se prema njemu počne kotrljati jabuka koja leži na stolu. Kako to može biti? Uostalom, prema prvom Newtonovom zakonu, jabuka mora mirovati. Stoga je potrebno unaprijediti definiciju prvog Newtonovog zakona.
Riža. 14. Primjer ilustracije
Točna formulacija prvog Newtonovog zakona zvuči ovako: postoje referentni sustavi u kojima se tijelo giba pravocrtno i jednoliko ili miruje ako na tijelo ne djeluju sile ili su sve sile koje djeluju na tijelo kompenzirane.
Volodja je u neinercijalnom referentnom okviru, a Katja u inercijalnom.
Većina sustava, pravih referentnih sustava, su neinercijalni. Razmotrimo jednostavan primjer: dok sjedite u vlaku, stavite neko tijelo (na primjer, jabuku) na stol. Kad vlak krene, uočit ćemo sljedeću zanimljivu sliku: jabuka će se kretati, kotrljati u smjeru suprotnom od kretanja vlaka (slika 15). U tom slučaju nećemo moći odrediti koja tijela djeluju i tjeraju jabuku da se kreće. U tom slučaju se kaže da je sustav neinercijalan. Ali možete izaći iz ove situacije ulaskom sila inercije.
Riža. 15. Primjer neinercijalnog FR
Drugi primjer: kada se tijelo kreće zakrivljenom cestom (slika 16), javlja se sila koja uzrokuje odstupanje tijela od ravnog smjera kretanja. U ovom slučaju također moramo uzeti u obzir neinercijalni referentni okvir, no, kao i u prethodnom slučaju, iz situacije možemo izaći i uvođenjem tzv. sile inercije.
Riža. 16. Sile tromosti pri kretanju po zaobljenoj putanji
Zaključak
Postoji beskonačan broj referentnih sustava, ali većina njih su oni koje ne možemo smatrati inercijalnim referentnim sustavima. Inercijalni referentni okvir je idealizirani model. Usput, s takvim referentnim sustavom možemo prihvatiti referentni sustav povezan sa Zemljom ili nekim udaljenim objektima (na primjer, sa zvijezdama).
Bibliografija
- Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizika: Udžbenik za 9. razred Srednja škola. - M.: Prosvjeta.
- Peryshkin A.V., Gutnik E.M. Fizika. 9. razred: udžbenik za općeobraz. ustanove / A. V. Peryshkin, E. M. Gutnik. - 14. izd., stereotip. - M.: Bustard, 2009. - 300.
- Sokolovich Yu.A., Bogdanova G.S. Fizika: priručnik s primjerima rješavanja problema. - 2. izdanje, revizija. - X.: Vesta: Izdavačka kuća Ranok, 2005. - 464 str.
- Internet portal “physics.ru” ()
- Internet portal “ens.tpu.ru” ()
- Internet portal “prosto-o-slognom.ru” ()
Domaća zadaća
- Formulirajte definicije inercijalnih i neinercijalnih referentnih sustava. Navedite primjere takvih sustava.
- Navedite prvi Newtonov zakon.
- U ISO tijelo miruje. Odredite kolika je vrijednost njegove brzine u ISO-u, koja se brzinom kreće u odnosu na prvi referentni okvir v?
Prvi zakon mehanike, odnosno zakon inercije ( inercija- ovo je svojstvo tijela da zadrže svoju brzinu bez djelovanja drugih tijela na njega ), kako se često naziva, osnovao ga je Galileo. Ali Newton je dao strogu formulaciju ovog zakona i uvrstio ga među temeljne zakone mehanike. Zakon tromosti vrijedi za najjednostavniji slučaj gibanja – kretanje tijela na koje druga tijela ne utječu. Takva tijela nazivamo slobodnim tijelima.
Nemoguće je odgovoriti na pitanje kako se slobodna tijela kreću bez pozivanja na iskustvo. Međutim, nemoguće je izvesti niti jedan eksperiment koji bi u svom čistom obliku pokazao kako se kreće tijelo koje ni s čim ne djeluje, jer takvih tijela nema. Kako biti?
Postoji samo jedan izlaz. Potrebno je tijelu stvoriti uvjete u kojima će utjecaj vanjskih utjecaja biti sve manji i promatrati do čega to dovodi. Možete, na primjer, promatrati kretanje glatkog kamena na vodoravnoj površini nakon što mu je određena brzina. (Privlačenje kamena prema tlu uravnoteženo je djelovanjem površine na kojoj leži, a na brzinu njegova kretanja utječe samo trenje.) Lako je otkriti da što je površina glatkija, to je sporije brzina kamena će se smanjiti. Na glatkom ledu kamen klizi jako dugo, bez primjetne promjene brzine. Trenje se može svesti na najmanju moguću mjeru korištenjem zračnog jastuka - mlazova zraka koji podupiru tijelo iznad čvrste površine po kojoj se odvija kretanje. Ovaj princip se koristi u vodeni prijevoz(lebdjelica). Na temelju takvih opažanja možemo zaključiti: kad bi površina bila savršeno glatka, tada u nedostatku otpora zraka (u vakuumu) kamen uopće ne bi mijenjao svoju brzinu. Do tog je zaključka Galileo prvi došao.
S druge strane, lako je primijetiti da se pri promjeni brzine tijela uvijek detektira utjecaj drugih tijela na njega. Iz ovoga možemo zaključiti da tijelo koje je dovoljno udaljeno od drugih tijela i zbog toga s njima ne djeluje giba se konstantnom brzinom.
Kretanje je relativno, pa ima smisla govoriti samo o kretanju tijela u odnosu na referentni okvir povezan s drugim tijelom. Odmah se postavlja pitanje hoće li se slobodno tijelo gibati konstantnom brzinom u odnosu na bilo koje drugo tijelo? Odgovor je, naravno, negativan. Dakle, ako se slobodno tijelo u odnosu na Zemlju giba pravocrtno i jednoliko, onda se u odnosu na rotirajući vrtuljak tijelo sigurno neće gibati na ovaj način.
Promatranja gibanja tijela i razmišljanja o prirodi tih gibanja navode nas na zaključak da se slobodna tijela gibaju konstantnom brzinom, barem u odnosu na određena tijela i njima pridružene referentne okvire. Na primjer, u odnosu na Zemlju. To je glavni sadržaj zakona tromosti.
Zato Newtonov prvi zakon može se formulirati ovako:
Postoje takvi referentni sustavi u odnosu na koje tijelo (materijalna točka), u nedostatku vanjskih utjecaja na njega (ili uz njihovu međusobnu kompenzaciju), održava stanje mirovanja ili ravnomjernog pravocrtnog gibanja.
Inercijalni referentni okvir
Newtonov prvi zakon tvrdi (ovo se može eksperimentalno potvrditi s različitim stupnjevima točnosti) da inercijski sustavi stvarno postoje. Ovaj zakon mehanike stavlja inercijalne referentne sustave u poseban, privilegiran položaj.
Referentni sustavi, u kojima je zadovoljen prvi Newtonov zakon, nazivamo inercijalnim.
Inercijalni referentni sustavi- to su sustavi u odnosu na koje materijalna točka, u nedostatku vanjskih utjecaja na nju ili njihove međusobne kompenzacije, miruje ili se giba jednoliko i pravocrtno.
Postoji beskonačan broj inercijskih sustava. Referentni sustav povezan s vlakom koji se kreće stalnom brzinom duž ravnog dijela pruge također je inercijski sustav (približno), poput sustava povezanog sa Zemljom. Svi inercijski referentni sustavi tvore klasu sustava koji se međusobno gibaju jednoliko i pravocrtno. Akceleracije svakog tijela u različitim inercijskim sustavima su iste.
Kako utvrditi da je zadani referentni sustav inercijalan? To se može učiniti samo iskustvom. Promatranja pokazuju da se, s vrlo visokim stupnjem točnosti, heliocentrični sustav može smatrati inercijskim referentnim sustavom, u kojem je ishodište koordinata povezano sa Suncem, a osi su usmjerene na određene "fiksne" zvijezde. Referentni sustavi čvrsto povezani sa Zemljinom površinom, strogo govoreći, nisu inercijalni, jer se Zemlja kreće po orbiti oko Sunca i istovremeno rotira oko svoje osi. Međutim, kada se opisuju kretanja koja nemaju globalnu (tj. svjetsku) ljestvicu, referentni sustavi povezani sa Zemljom mogu se smatrati inercijalnim s dovoljnom točnošću.
Inercijalni referentni sustavi su oni koji se gibaju jednoliko i pravocrtno u odnosu na neki inercijalni referentni sustav..
Galileo je to otkrio nikakvim mehaničkim eksperimentima koji se provode unutar inercijalnog referentnog sustava ne može se utvrditi da li taj sustav miruje ili se giba jednoliko i pravocrtno. Ova izjava se zove Galilejevo načelo relativnosti ili mehaničko načelo relativnosti.
Ovo je načelo kasnije razvio A. Einstein i jedan je od postulata posebne teorije relativnosti. Inercijalni referentni okviri igraju izuzetno važnu ulogu u fizici, budući da, prema Einsteinovom principu relativnosti, matematički izraz bilo kojeg zakona fizike ima isti oblik u svakom inercijalnom referentnom okviru. U nastavku ćemo koristiti samo inercijalne sustave (ne spominjući to svaki put).
Referentni okviri u kojima ne vrijedi prvi Newtonov zakon nazivaju se neinercijalni I.
Takvi sustavi uključuju bilo koji referentni sustav koji se ubrzano kreće u odnosu na inercijalni referentni sustav.
U Newtonovoj mehanici, zakoni međudjelovanja tijela formulirani su za klasu inercijalnih referentnih sustava.
Primjer mehaničkog eksperimenta u kojem se očituje neinercijalnost sustava povezanog sa Zemljom je ponašanje Foucaultovo njihalo. Ovo je naziv za masivnu kuglu obješenu na prilično dugačku nit koja izvodi male oscilacije oko ravnotežnog položaja. Kad bi sustav povezan sa Zemljom bio inercijalan, ravnina njihanja Foucaultovog njihala ostala bi nepromijenjena u odnosu na Zemlju. Zapravo, ravnina ljuljanja njihala rotira zbog rotacije Zemlje, a projekcija putanje njihala na Zemljinu površinu ima oblik rozete (slika 1). Riža. 2
Književnost
- Otvorena fizika 2.5 (http://college.ru/physics/)
- Fizika: Mehanika. 10. razred: Udžbenik. za produbljeni studij fizike / M.M. Balashov, A.I. Gomonova, A.B. Dolitsky i drugi; ur. G.Ya. Myakisheva. – M.: Bustard, 2002. – 496 str.
Tečaj opće fizike
Uvod.
Fizika (grč. od physis - priroda), znanost o prirodi, koja proučava najjednostavnije, a ujedno i naj opća svojstva materijalni svijet (obrasci prirodnih pojava, svojstva i građa materije i zakonitosti njezina gibanja). Koncepti fizike i njezini zakoni temelj su svih prirodnih znanosti. Fizika spada u egzaktne znanosti i proučava kvantitativne zakonitosti pojava. Stoga je, prirodno, jezik fizike matematika.
Materija može postojati u dva glavna oblika: supstancija i polje. One su međusobno povezane.
Primjeri: B više – čvrste tvari, tekućine, plazma, molekule, atomi, elementarne čestice itd.
Polje– elektromagnetsko polje (kvanti (dijelovi) polja – fotoni);
gravitacijsko polje (kvanti polja – gravitoni).
Odnos materije i polja– anihilacija para elektron-pozitron.
Fizika je svakako svjetonazorska znanost, a poznavanje njezinih temelja neophodan je element svakog obrazovanja i kulture suvremenog čovjeka.
Istovremeno, fizika ima ogroman primijenjeni značaj. Njoj duguje apsolutnu većinu tehničkih, informacijskih i komunikacijskih dostignuća čovječanstva.
Štoviše, posljednjih desetljeća fizikalne metode istraživanje se sve više koristi u znanostima koje se čine daleko od fizike, poput sociologije i ekonomije.
Klasična mehanika.
Mehanika je grana fizike koja proučava najjednostavniji oblik gibanja materije – kretanje tijela u prostoru i vremenu.
U početku je osnovne principe (zakone) mehanike kao znanosti formulirao I. Newton u obliku triju zakona, koji su dobili njegovo ime.
Koristeći vektorsku metodu opisa, brzina se može definirati kao derivacija radijus vektora točke ili tijela 
, a masa ovdje djeluje kao koeficijent proporcionalnosti.
- Kada dva tijela međusobno djeluju, svako od njih djeluje na drugo tijelo silom jednake vrijednosti, ali suprotnog smjera.
Ovi zakoni dolaze iz iskustva. Na njima je izgrađena sva klasična mehanika. Dugo se vremena vjerovalo da se sve vidljive pojave mogu opisati ovim zakonima. Međutim, s vremenom su se granice ljudskih mogućnosti proširile, a iskustvo je pokazalo da Newtonovi zakoni nisu uvijek valjani, pa klasična mehanika, posljedično, ima određene granice primjenjivosti.
Osim toga, malo kasnije ćemo se okrenuti klasičnoj mehanici iz nešto drugačijeg kuta - temeljenog na zakonima očuvanja, koji su u određenom smislu više opći zakoni fizike od Newtonovih zakona.
1.2. Granice primjenjivosti klasične mehanike.
Prvo ograničenje odnosi se na brzine dotičnih objekata. Iskustvo je pokazalo da Newtonovi zakoni ostaju valjani samo ako 
, gdje je brzina svjetlosti u vakuumu ( 
). Pri tim brzinama, linearna mjerila i vremenski intervali ne mijenjaju se pri prelasku iz jednog referentnog sustava u drugi. Zato prostor i vrijeme su apsolutni u klasičnoj mehanici.
Dakle, klasična mehanika opisuje gibanje malim relativnim brzinama, tj. Ovo je nerelativistička fizika. Ograničenje velikih brzina je prvo ograničenje primjene klasične Newtonove mehanike.
Osim toga, iskustvo pokazuje da je primjena zakona Newtonove mehanike neprikladna za opis mikroobjekata: molekula, atoma, jezgri, elementarne čestice itd. Počevši od veličina
(
), adekvatan opis promatranih pojava daju drugi
  |
zakoni - kvantni. One su te koje treba koristiti kada se karakteristična veličina koja opisuje sustav i ima dimenziju 
, usporediv je s Planckovom konstantom. Recimo, za elektron koji se nalazi u atomu imamo . Tada je veličina koja ima dimenziju kutne količine gibanja jednaka: .
Bilo koje fizički fenomen- Ovo slijed događaja. Događaj naziva se ono što se događa u određenoj točki prostora u određenom trenutku vremena.
Za opis događaja, unesite prostor i vrijeme– kategorije koje označavaju glavne oblike postojanja materije. Prostor izražava red postojanja pojedinih predmeta, a vrijeme red promjene pojava. Prostor i vrijeme moraju biti označeni. Označavanje se provodi uvođenjem referentnih tijela i referentnih (mjernih) tijela.
Referentni okviri. Inercijalni referentni sustavi.
Za opisivanje kretanja tijela ili modela koji se koristi - materijalna točka može se primijeniti vektorska metoda opisi kada se položaj objekta koji nas zanima zadaje pomoću radijus vektora 
segment usmjeren od referentnog tijela do točke koja nas zanima, čiji se položaj u prostoru može mijenjati tijekom vremena. Geometrijsko mjesto krajeva radijus vektora naziva se putanja pokretna točka.
2.1. Koordinatni sustavi.
Drugi način da se opiše kretanje tijela je Koordinirati, u kojem je određeni koordinatni sustav kruto povezan s referentnim tijelom.
U mehanici, i općenito u fizici, zgodno je koristiti različite koordinatne sustave za različite probleme. Najčešće se koriste tzv Kartezijanski, cilindrični i sferni koordinatni sustavi.
| |
1) Kartezijev koordinatni sustav: upisuju se tri međusobno okomite osi s navedenim mjerilima duž sve tri osi (ravnala). Referentna točka za sve osi uzima se iz referentnog tijela. Granice promjene za svaku od koordinata od do .
Radijus vektor koji definira položaj točke određen je preko njenih koordinata kao
. (2.1)
Mali volumen u kartezijanskom sustavu:
,
ili u infinitezimalnim koracima:
(2.2)
2) Cilindrični koordinatni sustav: odabrane varijable su udaljenost od osi, kut rotacije od x-osi i visina duž osi od referentnog tijela.
| |
3) Sferni koordinatni sustav: unesite udaljenost od referentnog tijela do točke interesa i kutove
rotacija i , mjereno od osi i , respektivno.
Radijus vektor – funkcija varijabli 
,
granice promjena koordinata:
Kartezijeve koordinate odnose se na sferne sljedeće relacije
(2.6)
Element volumena u sferne koordinate:
(2.7)
2.2. Referentni sustav.
Da bi se konstruirao referentni sustav, koordinatni sustav kruto povezan s referentnim tijelom mora biti dopunjen satom. Satovi se mogu nalaziti na različitim točkama u prostoru pa ih je potrebno sinkronizirati. Sinkronizacija sata se vrši pomoću signala. Neka je vrijeme propagacije signala od točke gdje se događaj dogodio do točke promatranja jednako . Tada bi naš sat trebao pokazivati vrijeme u trenutku kada se signal pojavi 
, ako sat na mjestu događaja u trenutku njegovog događanja pokazuje vrijeme. Takve satove ćemo smatrati sinkroniziranim.
Ako je udaljenost od točke u prostoru gdje se događaj dogodio do točke promatranja , a brzina prijenosa signala , tada 
. U klasičnoj mehanici prihvaćeno je da brzina širenja signala 
. Stoga je u cijelom prostoru uveden jedan sat.
Totalitet referentna tijela, koordinatni sustavi i satovi oblik Referentni okvir(TAKO).
Postoji beskonačan broj referentnih sustava. Iskustvo pokazuje da su brzine ipak male u usporedbi s brzinom svjetlosti 
, linearna mjerila i vremenski intervali se ne mijenjaju pri prelasku iz jednog referentnog sustava u drugi.
Drugim riječima, u klasičnoj mehanici prostor i vrijeme su apsolutni.
Ako 
, tada mjerila i vremenski intervali ovise o izboru referentnih podataka, tj. prostor i vrijeme postaju relativni pojmovi. Ovo je već područje relativistička mehanika.
2.3.Inercijalni referentni sustavi(ISO).
Dakle, nalazimo se pred izborom referentnog sustava u kojem bismo mogli rješavati probleme mehanike (opisati gibanje tijela i utvrditi razloge koji ga uzrokuju). Ispostavilo se da nisu svi referentni sustavi jednaki, ne samo u formalnom opisu problema, već, što je mnogo važnije, različito predstavljaju razloge koji uzrokuju promjenu stanja tijela.
Referentni okvir u kojem su zakoni mehanike formulirani najjednostavnije nam omogućuje da uspostavimo prvi Newtonov zakon, koji postulira postojanje inercijski referentni sustavi– ISO.
Prvi zakon klasične mehanike – Galileo-Newtonov zakon tromosti.
Postoji referentni sustav u kojem će se materijalna točka, ako isključimo njezino međudjelovanje sa svim ostalim tijelima, gibati po inerciji, tj. održavati stanje mirovanja ili ravnomjernog pravocrtnog gibanja.
Ovo je inercijalni referentni sustav (IRS).
U ISO je promjena gibanja materijalne točke (ubrzanje) uzrokovana samo njezinim međudjelovanjem s drugim tijelima, ali ne ovisi o svojstvima samog referentnog sustava.
