Системы отсчёта (СО), которыми пользуются в механике, разделяются на инерциальные и неинерциальные. Основу классической механики составляют инерциальные системы отсчёта в физике (ИСО), и определяются они первым законом Ньютона (законом инерции). К неинерциальным же системам (НИСО) относятся те, в которых не выполняется условие, прописанное в законе инерции.
Первый закон Ньютона
Опыт показывает, что объект в состоянии покоя остаётся нескончаемо долго, если его оставить без влияния внешних воздействий. Также на практике можно заметить, что любой объект в движении имеет тенденцию замедляться и останавливаться, если не будут предприняты некоторые усилия, чтобы удержать его в движении.
Однако первый закон механики Ньютона даёт более глубокое объяснение этому наблюдению и может формулироваться следующим образом: тело в состоянии покоя остаётся в покое, а если оно находится в движении, остаётся в движении с постоянной скоростью, когда на него не действует внешняя сила.
В этой интерпретации закона инерции стоит обратить внимание на повторное использование глагола «остаётся», как на подчёркивание того, что здесь идёт речь именно о сохранении статус-кво движения. Заслуживает особого внимания и словосочетание «постоянная скорость» — это означает, что объект поддерживает путь вдоль прямой линии, поскольку ни величина, ни направление вектора скорости не изменяются.
Первый закон классической механики можно сформулировать и так: каждое тело остаётся в своём состоянии равномерного движения по прямой линии, если оно не вынуждено изменять это состояние под воздействием сил, действующих на него. Для Ньютона «равномерное движение по прямой» означало постоянную скорость, которая включает случай нулевой скорости или состояние покоя. Следовательно, этот закон гласит, что скорость объекта остаётся постоянной, если внешняя суммарная сила, действующая на него, равна нулю.
Закон инерции обычно считается утверждением о системах отсчёта. Он предоставляет метод для идентификации специального типа — инерциальной системы отсчёта. Если скорость тела относительно данной системы постоянна, то эта система называется инерционной. Таким образом, по определению ИСО является структурой, в которой действует закон Ньютона, применяемый к объектам с постоянной скоростью.
Принцип относительности Галилея
Галилей установил, что никакими механическими опытами, поставленными внутри ИСО, невозможно установить, покоится эта система или движется равномерно и прямолинейно. Это утверждение носит название:
- принцип относительности Галилея;
- или механический принцип относительности.
Сформулировать принцип относительности Галилея можно и таким образом: система отсчёта, которая движется с постоянной скоростью относительно инерциальной системы, также является инерциальной.
Например, законы Ньютона работают в физической лаборатории. Но они также работают и относительно Земли, на которой находится эта лаборатория. (Скорость физической лаборатории относительно Земли постоянна и равна нулю).
Причина изменения скорости
Закон инерции гласит, что должна быть причина для любого изменения скорости (изменение величины или направления). Эта причина является абсолютно внешней силой. Скорость объекта, скользящего по столу или полу, замедляется из-за силы трения (внешней силы), действующей на него. Если трение исчезнет, объект сможет сохранять свою постоянную скорость движения нескончаемо долго. Идея причины и следствия имеет решающее значение для точного описания того, что происходит в различных ситуациях. Например, можно рассмотреть, что происходит с объектом, скользящим по неровной горизонтальной поверхности:
- Объект быстро останавливается.
- Если опрыскивать поверхность тальком, чтобы сделать её более гладкой, исследуемое физическое тело скользит дальше.
- Когда поверхность ещё более гладкая, например, после втирания в неё смазочного масла, то объект будет скользить ещё дальше.
Экстраполируя на поверхность без трения и игнорируя сопротивление воздуха, можно представить физическое тело, скользящее по прямой бесконечно. Таким образом, трение в этом примере является причиной замедления (в соответствии с первым законом классической механики). Объект не замедлился бы, если внешнее воздействие (трение) было бы устранено.
Первый закон Ньютона является общим и может применяться ко всему:
- к объекту, скользящему по столу;
- к спутнику на орбите;
- и даже к крови, накачиваемой сердцем.
Эксперименты подтвердили, что любое изменение скорости (модуль или направление) должно быть вызвано внешней силой.
Важна идея общеприменимых или универсальных законов — это основная черта всех законов физики. Идентификация этих правил подобна распознаванию закономерностей в природе, из которых можно обнаружить дальнейшие соответствия.
Гений Галилея, который первым разработал идею первого закона движения, и Ньютона, разъяснившего его, заключался в том, чтобы задать фундаментальный вопрос: «В чём причина?» Мышление с точки зрения причины и следствия в корне отличается от типичного древнегреческого подхода, когда на такие вопросы, как «Почему у тигра полосы?» ответили бы аристотелевским способом — «Это природа зверя».
Способность мыслить от причины к следствию — это способность устанавливать связь между наблюдаемым поведением и окружающим миром.
Масса и инерция
Независимо от масштаба объекта, будь то молекула или субатомная частица, два свойства — гравитация и инерция — остаются в силе и, следовательно, представляют интерес для физики. Оба связаны с массой. Грубо говоря, масса является мерой количества вещества в чём-то.
Масса также связана с инерцией и способностью объекта противостоять изменениям в его движении, иначе говоря, противостоять ускорению. Как известно, одни тела обладают большей инерцией, чем другие. Например, изменить движение большого валуна сложнее, нежели баскетбольного мяча, потому что валун имеет большую массу, чем баскетбольный мяч. Другими словами, инерция объекта измеряется его массой, поэтому первый закон классической механики часто называют законом инерции.
Неинерционные рамки и сила Кориолиса
В измерениях, проведённых в отношении некоторых других СО, законы Ньютона, по-видимому, нарушаются. Например, когда автобус поворачивает за угол, стоя́щий пассажир, который не держится за поручень, кажется, ускоряется в сторону. Также, если попытаться бросать и ловить мячи на карусели, то и здесь можно заметить некоторые очевидные нарушения законов механики.
Разница в характерах движений в зависимости от выбора СО, связанной с наблюдателем, хорошо иллюстрируется следующим примером. При броске мяча из центра карусели бросивший поворачивается по часовой стрелке вместе с каруселью, и ему кажется, что траектория мяча изгибается влево — он движется против часовой стрелки.
Для наблюдателя же, который не вращается (например, в вертолёте сверху), карусель поворачивается по часовой стрелке, а мяч движется в вертикальной плоскости по прямой линии. Если забыть о внешнем мире и отнести всё происходящее в рамки карусели, то нужно будет придумать другие фиктивные силы, которые заставят движущиеся объекты вращаться.
Законы Ньютона работают в системах, которые не вращаются. В СО, которым присуще вращение, должны быть задействованы «дополнительные силы» для сохранения законов механики Ньютона. Они в данном случае являются фиктивными силами и называются центробежными и силами Кориолиса.
Для шара, брошенного на поверхность Земли, СО, связанная с ней, почти не вращается во время полёта, поэтому наблюдатель не заметит силу Кориолиса. Но уже для довольно медленно качающегося маятника Фуко можно сказать, что сила Кориолиса заставляет его слегка отклоняться влево и медленно прецессировать против часовой стрелки.
В южном полушарии океанические течения и ветры также имеют тенденцию отклоняться влево: основные циркуляции, как и южнотихоокеанское течение, идут против часовой стрелки из-за сил Кориолиса.
Таким образом, можно констатировать, что центробежные силы являются примером воображаемых сил, изобретённых для объяснения движения в неинерциальной системе отсчёта.
Реальные приближения
Распространены ли инерциальные структуры в природе? Оказывается, что в пределах ошибки эксперимента СО в покое относительно наиболее удалённых и «неподвижных» звёзд является инерциальной. И все системы отсчёта, связанные с телами, движущимися равномерно относительно неподвижной звезды, также являются инерциальными.
В качестве подтверждения сказанному можно привести следующий пример: не вращающаяся СО, прикреплённая к Солнцу, для всех практических целей является инерциальной, поскольку изменение её скорости относительно неподвижных звёзд практически ничтожно мало. Земля ускоряется относительно звёзд, потому что она вращается вокруг своей оси и вращается вокруг Солнца. Следовательно, система отсчёта, связанная с её поверхностью, по факту не является инерциальной.
Однако для большинства задач такой вариант служит достаточно точным приближением к ИСО, поскольку ускорение точки на поверхности Земли относительно неподвижных звёзд довольно мало. И при решении конкретных заданий, если не указано иное, СО, закреплённые на Земле, считаются инерциальными.
Наконец, ни одна инерциальная система не является более особенной, чем любая другая. Что касается законов природы, то все ИСО эквивалентны. И при анализе проблемы отдаётся предпочтение одной системе вместо другой просто на основе удобства.
