Οι αρχαίοι φιλόσοφοι προσπάθησαν να κατανοήσουν την ουσία της κίνησης, να αποκαλύψουν την επίδραση των αστεριών και του Ήλιου σε ένα άτομο. Επιπλέον, οι άνθρωποι πάντα προσπαθούσαν να εντοπίσουν τις δυνάμεις που δρουν σε ένα υλικό σημείο στη διαδικασία της κίνησής του, καθώς και σε μια στιγμή ανάπαυσης.
Ο Αριστοτέλης πίστευε ότι ελλείψει κίνησης, το σώμα δεν επηρεάζεται από δυνάμεις. Ας προσπαθήσουμε να βρούμε ποια πλαίσια αναφοράς ονομάζονται αδρανειακά, θα δώσουμε παραδείγματα.
Κατάσταση ανάπαυσης
Στην καθημερινή ζωή είναι δύσκολο να εντοπιστεί μια τέτοια κατάσταση. Σχεδόν σε όλους τους τύπους μηχανικής κίνησης, θεωρείται η παρουσία εξωτερικών δυνάμεων. Ο λόγος είναι η δύναμη της τριβής, που δεν επιτρέπει σε πολλά αντικείμενα να φύγουν από την αρχική τους θέση, να φύγουν από την κατάσταση ηρεμίας.
Λαμβάνοντας υπόψη παραδείγματα αδρανειακών συστημάτων αναφοράς, σημειώνουμε ότι όλα αντιστοιχούν στον 1ο νόμο του Νεύτωνα. Μόνο μετά την ανακάλυψή του ήταν δυνατό να εξηγηθεί η κατάσταση ηρεμίας, να υποδειχθούν οι δυνάμεις που δρουν σε αυτή την κατάσταση στο σώμα.
Διατύπωση του 1ου νόμου του Νεύτωνα
Στη σύγχρονη ερμηνεία, εξηγεί την ύπαρξη συστημάτων συντεταγμένων, σε σχέση με τα οποία μπορεί κανείς να θεωρήσει την απουσία εξωτερικών δυνάμεων που δρουν σε ένα υλικό σημείο. Από την άποψη του Νεύτωνα, τα συστήματα αναφοράς ονομάζονται αδρανειακά, τα οποία μας επιτρέπουν να εξετάσουμε τη διατήρηση της ταχύτητας του σώματος για μεγάλο χρονικό διάστημα.
Ορισμοί
Ποια πλαίσια αναφοράς είναι αδρανειακά; Παραδείγματα αυτών μελετώνται στο μάθημα της σχολικής φυσικής. Αδρανειακά συστήματα αναφοράς θεωρούνται αυτά ως προς τα οποία το υλικό σημείο κινείται με σταθερή ταχύτητα. Ο Νεύτωνας διευκρίνισε ότι οποιοδήποτε σώμα μπορεί να βρίσκεται σε παρόμοια κατάσταση, εφόσον δεν υπάρχει ανάγκη να του ασκηθούν δυνάμεις που μπορούν να αλλάξουν μια τέτοια κατάσταση.
Στην πραγματικότητα, ο νόμος της αδράνειας δεν πληρούται σε όλες τις περιπτώσεις. Αναλύοντας παραδείγματα αδρανειακών και μη πλαισίων αναφοράς, σκεφτείτε ένα άτομο που κρατιέται από τις χειρολισθήρες σε ένα κινούμενο όχημα. Όταν ένα αυτοκίνητο φρενάρει απότομα, ένα άτομο κινείται αυτόματα σε σχέση με το όχημα, παρά την απουσία εξωτερικής δύναμης.
Αποδεικνύεται ότι δεν αντιστοιχούν όλα τα παραδείγματα ενός αδρανειακού πλαισίου αναφοράς στη διατύπωση του νόμου 1 του Νεύτωνα. Για να διευκρινιστεί ο νόμος της αδράνειας, εισήχθη ένας εκλεπτυσμένος ορισμός των συστημάτων αναφοράς στον οποίο πληρούται άψογα.
Τύποι συστημάτων αναφοράς
Ποια συστήματα αναφοράς ονομάζονται αδρανειακά; Θα ξεκαθαρίσει σύντομα. "Δώστε παραδείγματα αδρανειακών συστημάτων αναφοράς στα οποία ικανοποιείται ο νόμος του 1 Νεύτωνα" -παρόμοια εργασία προσφέρεται σε μαθητές που έχουν επιλέξει τη φυσική ως εξέταση στην ένατη τάξη. Για να ανταπεξέλθετε στην εργασία, είναι απαραίτητο να έχετε μια ιδέα για αδρανειακά και μη αδρανειακά πλαίσια αναφοράς.
Η αδράνεια περιλαμβάνει τη διατήρηση της ηρεμίας ή της ομοιόμορφης ευθύγραμμης κίνησης του σώματος όσο το σώμα βρίσκεται σε απομόνωση. «Απομονωμένα» σώματα είναι εκείνα που δεν συνδέονται, δεν αλληλεπιδρούν, απομακρύνονται το ένα από το άλλο.
Ας εξετάσουμε μερικά παραδείγματα αδρανειακού πλαισίου αναφοράς. Υποθέτοντας ένα αστέρι στον γαλαξία ως πλαίσιο αναφοράς, αντί για ένα κινούμενο λεωφορείο, η εφαρμογή του νόμου της αδράνειας για τους επιβάτες που κρατιούνται από τις ράγες θα είναι άψογη.
Κατά το φρενάρισμα, αυτό το όχημα θα συνεχίσει να κινείται ομοιόμορφα σε ευθεία γραμμή μέχρι να επηρεαστεί από άλλα αμαξώματα.
Ποια παραδείγματα αδρανειακού πλαισίου αναφοράς μπορείτε να δώσετε; Δεν πρέπει να έχουν σύνδεση με το αναλυόμενο σώμα, να επηρεάζουν την αδράνειά του.
Για τέτοια συστήματα εκπληρώνεται ο 1ος νόμος του Νεύτωνα. Στην πραγματική ζωή, είναι δύσκολο να ληφθεί υπόψη η κίνηση ενός σώματος σε σχέση με αδρανειακά συστήματα αναφοράς. Είναι αδύνατο να φτάσετε σε ένα μακρινό αστέρι για να πραγματοποιήσετε επίγεια πειράματα από αυτό.
Η Γη γίνεται αποδεκτή ως συστήματα αναφοράς υπό όρους, παρά το γεγονός ότι σχετίζεται με αντικείμενα που τοποθετούνται σε αυτήν.
Είναι δυνατός ο υπολογισμός της επιτάχυνσης στο αδρανειακό πλαίσιο αναφοράς εάν θεωρήσουμε την επιφάνεια της Γης ως πλαίσιο αναφοράς. Στη φυσική, δεν υπάρχει μαθηματική καταγραφή του 1ου νόμου του Νεύτωνα, αλλά είναι αυτός που είναι η βάση γιαπαραγωγή πολλών φυσικών ορισμών και όρων.
Παραδείγματα αδρανειακών πλαισίων αναφοράς
Οι μαθητές του σχολείου μερικές φορές δυσκολεύονται να κατανοήσουν τα φυσικά φαινόμενα. Στους μαθητές της Ένατης τάξης προσφέρεται η εργασία με το ακόλουθο περιεχόμενο: «Ποια πλαίσια αναφοράς ονομάζονται αδρανειακά; Δώστε παραδείγματα τέτοιων συστημάτων. Ας υποθέσουμε ότι το καρότσι με την μπάλα κινείται αρχικά σε μια επίπεδη επιφάνεια με σταθερή ταχύτητα. Στη συνέχεια κινείται κατά μήκος της άμμου, ως αποτέλεσμα, η μπάλα τίθεται σε επιταχυνόμενη κίνηση, παρά το γεγονός ότι δεν ασκούνται άλλες δυνάμεις πάνω της (το συνολικό τους αποτέλεσμα είναι μηδέν).
Η ουσία αυτού που συμβαίνει μπορεί να εξηγηθεί από το γεγονός ότι ενώ κινείται σε μια αμμώδη επιφάνεια, το σύστημα παύει να είναι αδρανειακό, έχει σταθερή ταχύτητα. Παραδείγματα αδρανειακών και μη αδρανειακών πλαισίων αναφοράς υποδεικνύουν ότι η μετάβασή τους λαμβάνει χώρα σε μια ορισμένη χρονική περίοδο.
Όταν το αμάξωμα επιταχύνει, η επιτάχυνσή του έχει θετική τιμή και κατά το φρενάρισμα, ο αριθμός αυτός γίνεται αρνητικός.
Καμπυλόγραμμη κίνηση
Σε σχέση με τα αστέρια και τον Ήλιο, η κίνηση της Γης πραγματοποιείται κατά μήκος μιας καμπυλόγραμμης τροχιάς, η οποία έχει σχήμα έλλειψης. Αυτό το πλαίσιο αναφοράς, στο οποίο το κέντρο είναι ευθυγραμμισμένο με τον Ήλιο και οι άξονες κατευθύνονται προς ορισμένα αστέρια, θα θεωρείται αδρανειακό.
Σημειώστε ότι οποιοδήποτε πλαίσιο αναφοράς θα κινείται σε ευθεία γραμμή και ομοιόμορφα σε σχέση με το ηλιοκεντρικότο σύστημα είναι αδρανειακό. Η καμπυλόγραμμη κίνηση εκτελείται με κάποια επιτάχυνση.
Δεδομένου του γεγονότος ότι η Γη κινείται γύρω από τον άξονά της, το πλαίσιο αναφοράς, που σχετίζεται με την επιφάνειά της, σε σχέση με το ηλιοκεντρικό κινείται με κάποια επιτάχυνση. Σε μια τέτοια κατάσταση, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι το πλαίσιο αναφοράς, που συνδέεται με την επιφάνεια της Γης, κινείται με επιτάχυνση σε σχέση με το ηλιοκεντρικό, επομένως δεν μπορεί να θεωρηθεί αδρανειακό. Όμως η αξία της επιτάχυνσης ενός τέτοιου συστήματος είναι τόσο μικρή που σε πολλές περιπτώσεις επηρεάζει σημαντικά τις ιδιαιτερότητες των μηχανικών φαινομένων που θεωρούνται σχετικά με αυτό.
Για την επίλυση πρακτικών προβλημάτων τεχνικής φύσης, συνηθίζεται να θεωρείται αδρανειακό το πλαίσιο αναφοράς που είναι άκαμπτα συνδεδεμένο με την επιφάνεια της Γης.
Γαλιλαία Σχετικότητα
Όλα τα αδρανειακά συστήματα αναφοράς έχουν μια σημαντική ιδιότητα, η οποία περιγράφεται από την αρχή της σχετικότητας. Η ουσία του έγκειται στο γεγονός ότι οποιοδήποτε μηχανικό φαινόμενο υπό τις ίδιες αρχικές συνθήκες πραγματοποιείται με τον ίδιο τρόπο, ανεξάρτητα από το επιλεγμένο πλαίσιο αναφοράς.
Η ισότητα του ISO σύμφωνα με την αρχή της σχετικότητας εκφράζεται στις ακόλουθες διατάξεις:
- Σε τέτοια συστήματα, οι νόμοι της μηχανικής είναι οι ίδιοι, επομένως οποιαδήποτε εξίσωση που περιγράφεται από αυτά, εκφρασμένη σε συντεταγμένες και χρόνο, παραμένει αμετάβλητη.
- Τα αποτελέσματα των συνεχιζόμενων μηχανικών πειραμάτων καθιστούν δυνατό να διαπιστωθεί εάν το πλαίσιο αναφοράς θα είναι σε ηρεμία ή ανευθύγραμμη ομοιόμορφη κίνηση. Οποιοδήποτε σύστημα μπορεί υπό όρους να αναγνωριστεί ως ακίνητο εάν το άλλο κινείται ταυτόχρονα σε σχέση με αυτό με μια συγκεκριμένη ταχύτητα.
- Οι εξισώσεις της μηχανικής παραμένουν αμετάβλητες ως προς τους μετασχηματισμούς συντεταγμένων στην περίπτωση μετάβασης από το ένα σύστημα στο άλλο. Μπορείτε να περιγράψετε το ίδιο φαινόμενο σε διαφορετικά συστήματα, αλλά η φυσική τους φύση δεν θα αλλάξει.
Επίλυση προβλήματος
Πρώτο παράδειγμα.
Προσδιορίστε εάν το αδρανειακό πλαίσιο αναφοράς είναι: α) ένας τεχνητός δορυφόρος της Γης. β) παιδική έλξη.
Απάντηση. Στην πρώτη περίπτωση, δεν τίθεται θέμα αδρανειακού συστήματος αναφοράς, αφού ο δορυφόρος κινείται σε τροχιά υπό την επίδραση της δύναμης της βαρύτητας, επομένως, η κίνηση γίνεται με κάποια επιτάχυνση.
Η έλξη επίσης δεν μπορεί να θεωρηθεί αδρανειακό σύστημα, καθώς η περιστροφική της κίνηση συμβαίνει με κάποια επιτάχυνση.
Δεύτερο παράδειγμα.
Το σύστημα αναφοράς είναι σταθερά συνδεδεμένο με τον ανελκυστήρα. Σε ποιες περιπτώσεις μπορεί να ονομαστεί αδρανειακό; Εάν ο ανελκυστήρας: α) πέσει κάτω. β) κινείται ομοιόμορφα προς τα πάνω. γ) ανεβαίνει γρήγορα δ) ομοιόμορφα κατευθυνόμενη προς τα κάτω.
Απάντηση. α) Στην ελεύθερη πτώση, εμφανίζεται η επιτάχυνση, επομένως το πλαίσιο αναφοράς που σχετίζεται με τον ανελκυστήρα δεν θα είναι αδρανειακό.
β) Με ομοιόμορφη κίνηση του ανελκυστήρα, το σύστημα είναι αδρανειακό.
γ) Όταν κινείστε με κάποια επιτάχυνση, το πλαίσιο αναφοράς θεωρείται αδρανειακό.
δ) Το ασανσέρ κινείται αργά, έχει αρνητική επιτάχυνση, επομένως δεν μπορείτεκαλέστε το πλαίσιο αναφοράς αδρανειακό.
Συμπέρασμα
Σε όλη τη διάρκεια της ύπαρξής της, η ανθρωπότητα προσπαθούσε να κατανοήσει τα φαινόμενα που συμβαίνουν στη φύση. Προσπάθειες να εξηγηθεί η σχετικότητα της κίνησης έγιναν από τον Galileo Galilei. Ο Ισαάκ Νεύτων πέτυχε να αντλήσει το νόμο της αδράνειας, ο οποίος άρχισε να χρησιμοποιείται ως το κύριο αξίωμα στους υπολογισμούς στη μηχανική.
Προς το παρόν, το σύστημα ανίχνευσης θέσης σώματος περιλαμβάνει το σώμα, τη συσκευή για τον προσδιορισμό του χρόνου, καθώς και το σύστημα συντεταγμένων. Ανάλογα με το αν το σώμα κινείται ή είναι ακίνητο, είναι δυνατός ο χαρακτηρισμός της θέσης ενός συγκεκριμένου αντικειμένου στην επιθυμητή χρονική περίοδο.
