Какие бывают системы отсчета. Какие бывают системы отсчета в физике и что это такое

Механическое движение – это изменение положения тела в пространстве относительно других тел.

Например, автомобиль движется по дороге. В автомобиле находятся люди. Люди движутся вместе с автомобилем по дороге. То есть люди перемещаются в пространстве относительно дороги. Но относительно самого автомобиля люди не движутся. В этом проявляется относительность механического движения.

Основные виды механического движения:

Поступательное движение – это движение тела, при котором все его точки движутся одинаково.

Например, всё тот же автомобиль совершает по дороге поступательное движение. Точнее, поступательное движение совершает только кузов автомобиля, в то время как его колёса совершают вращательное движение. Вращательное движение – это движение тела вокруг некоторой оси. При таком движении все точки тела совершают движение по окружностям, центром которых является эта ось.

Упоминавшиеся нами колёса совершают вращательное движение вокруг своих осей, и в то же время колёса совершают поступательное движение вместе с кузовом автомобиля. То есть относительно оси колесо совершает вращательное движение, а относительно дороги – поступательное.

Колебательное движение – это периодическое движение, которое совершается поочерёдно в двух противоположных направлениях.

Например, колебательное движение совершает маятник в часах. Поступательное и вращательное движения – самые простые виды механического движения.

Относительность механического движения Все тела во Вселенной движутся, поэтому не существует тел, которые находятся в абсолютном покое. По той же причине определить движется тело или нет, можно только относительно какого-либо другого тела.

Например, автомобиль движется по дороге. Дорога находится на планете Земля. Дорога неподвижна. Поэтому можно измерить скорость автомобиля относительно неподвижной дороги. Но дорога неподвижна относительно Земли. Однако сама Земля вращается вокруг Солнца. Следовательно, дорога вместе с автомобилем также вращается вокруг Солнца. Следовательно, автомобиль совершает не только поступательное движение, но и вращательное (относительно Солнца). А вот относительно Земли автомобиль совершает только поступательное движение. В этом проявляется относительность механического движения.

Относительность механического движения – это зависимость траектории движения тела, пройденного пути, перемещения и скорости от выбора системы отсчёта.

Материальная точка Во многих случаях размером тела можно пренебречь, так как размеры этого тела малы по сравнению с расстоянием, которое походит это тело, или по сравнению с расстоянием между этим телом и другими телами. Такое тело для упрощения расчетов условно можно считать материальной точкой, имеющей массу этого тела.

Материальная точка – это тело, размерами которого в данных условиях можно пренебречь.

Многократно упоминавшийся нами автомобиль можно принять за материальную точку относительно Земли. Но если человек перемещается внутри этого автомобиля, то пренебрегать размерами автомобиля уже нельзя.

Как правило, решая задачи по физике, рассматривают движение тела как движение материальной точки, и оперируют такими понятиями, как скорость материальной точки, ускорение материальной точки, импульс материальной точки, инерция материальной точки и т.п.

Система отсчёта Материальная точка движется относительно других тел. Тело, по отношению к которому рассматривается данное механическое движение, называется телом отсчёта. Тело отсчёта выбирают произвольно в зависимости от решаемых задач.

С телом отсчёта связывается система координат, которая представляет из себя точку отсчёта (начало координат). Система координат имеет 1, 2 или 3 оси в зависимости от условий движения. Положение точки на линии (1 ось), плоскости (2 оси) или в пространстве (3 оси) определяют соответственно одной, двумя или тремя координатами. Для определения положения тела в пространстве в любой момент времени также необходимо задать начало отсчёта времени.

Система отсчёта – это система координат, тело отсчета, с которым связана система координат, и прибор для измерения времени. Относительно системы отсчёта и рассматривается движение тела. У одного и того же тела относительно разных тел отсчёта в разных системах координат могут быть совершенно различные координаты.

Траектория движения также зависит от выбора системы отсчёта.

Виды систем отсчёта могут быть различными, например, неподвижная система отсчёта, подвижная система отсчёта, инерциальная система отсчёта, неинерциальная система отсчёта.

Система отсчёта — это совокупность тела отсчета, связанной с ним системы координат и системы отсчёта времени, по отношению к которым рассматривается движение (или равновесие) каких-либо материальных точек или тел[1][2].

Математически движение тела (или материальной точки) по отношению к выбранной системе отсчёта описывается уравнениями, которые устанавливают, как изменяются с течением времени t координаты, определяющие положение тела (точки) в этой системе отсчёта. Эти уравнения называются уравнениями движения. Например, в декартовых координатах х, y, z движение точки определяется уравнениями , , .

В современной физике любое движение является относительным, и движение тела следует рассматривать лишь по отношению к какому-либо другому телу (телу отсчёта) или системе тел. Нельзя указать, например, как движется Луна вообще, можно лишь определить её движение, например, по отношению к Земле, Солнцу, звёздам и т. п.

Другие определения

Иногда — особенно в механике сплошных сред и общей теории относительности — систему отсчёта связывают не с одним телом, а с континуумом реальных или воображаемых базовых тел отсчёта, которые задают также систему координат. Мировые линии тел отсчёта «заметают» пространство-время и задают в таком случае конгруэнцию, относительно которой можно рассматривать результаты измерений.

[custom_ads_shortcode1]

Относительность движения

Относительность механического движения – это зависимость траектории движения тела, пройденного пути, перемещения и скорости от выбора системы отсчёта.

Движущиеся тела изменяют своё положение относительно других тел. Положение автомобиля, мчащегося по шоссе, изменяется относительно указателей на километровых столбах, положение корабля, плывущего в море недалеко от берега, меняется относительно береговой линии, а о движении самолёта, летящего над землей, можно судить по изменению его положения относительно поверхности Земли. Механическое движение — это процесс изменения относительного положения тел в пространстве с течением времени. Можно показать, что одно и то же тело может по-разному перемещаться относительно других тел.

Таким образом говорить о том, что какое-то тело движется, можно лишь тогда, когда ясно, относительно какого другого тела — тела отсчета, изменилось его положение.

[custom_ads_shortcode2]

Абсолютная система отсчёта

Часто в физике какую-то СО считают наиболее удобной (привилегированной) в рамках решения данной задачи — это определяется простотой расчётов либо записи уравнений динамики тел и полей в ней. Обычно такая возможность связана с симметрией задачи.

С другой стороны, ранее считалось, что существует некая «фундаментальная» система отсчёта, простота записи в которой законов природы выделяет её из всех остальных систем. Например, физики XIX в. считали что, система, относительно которой покоится эфир электродинамики Максвелла, является привилегированной, и поэтому она была названа Абсолютной Системой Отсчета (АСО). В современных представлениях никакой системы отсчёта, выделенной именно таким способом, не существует, так как законы природы, выраженные в тензорной форме, имеют один и тот же вид во всех системах отсчёта — то есть во всех точках пространства и во все моменты времени. Это условие — локальная пространственно-временная инвариантность — является одним из проверяемых оснований физики.

[custom_ads_shortcode3]

См. также

[custom_ads_shortcode1]

Примечания

  1. Система отсчёта — Статья в Физической энциклопедии.
  2. Г. Я. Мякишев, Физика: Механика (10 класс)

Система отсчёта вводится для того, чтобы однозначно определить механическое движение. Механическое движение – изменение положения тела относительно других тел с течением времени.

Основные составляющие системы отсчёта:

  • Тело отсчёта – тело, условно принимаемое за неподвижное, относительно которого определяется положение других тел.

  • Система координат – система, однозначно определяющая положение любой точки в пространстве.

В случае евклидового пространства вводят декартовую систему координат.

  • Прибор для измерения времени. Геоцентрическая система отсчёта – телом отсчёта является ЗемляГелиоцентрическая система отсчёта – телом отсчёта является Солнце

[custom_ads_shortcode2]

Силы в природе

Сила – физическая величина, характеризующая действие на данное тело других тел.

4 типа взаимодействий (фундаментальные взаимодействия, силы):

  • Гравитационное – характеризует притяжение между телами, обладающими некоторой массой. Дальнодействующее взаимодействие, т.е. проявляется на любых расстояниях между телами.

  • Слабое – проявляет себя при взаимопревращениях элементарных частиц. Близкодействующее взаимодействие.

  • Электромагнитное – связано с электрически заряженными телами. Дальнодействующее взаимодействие.

  • Сильное (ядерное) – характеризует притяжение между тяжёлыми элементарными частицами, из которых состоит атомное ядро.

Взаимодействие.

Источник.

Радиус действия.

Относительная интенсивность.

Гравитационное.

Масса.

Дальнодействующее.

10

Слабое.

Все элементарные частицы.

Короткодействующее, 10м

10

Электромагнитное.

Электрические заряды.

Дальнодействующее.

10

Сильное (ядерное).

Адроны (протоны, нейтроны, мезоны).

Короткодействующее, 10м

[custom_ads_shortcode3]

Закон всемирного тяготения

None Сила гравитационного притяжения любых двух тел прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

F = G*(mm/r)Впервые значение гравитационной постоянной определил экспериментально английский физик Генри Кавендиш в 1798 г.: G=6.67*10-11*(Н*м/кг2). Это всего на 1% отличается от известного в настоящее время более точного значения.

В законе всемирного тяготения масса характеризует интенсивность гравитационных взаимодействий, а не инертные свойства тел, как во втором законе динамики. Существуют инертная масса mi и гравитационная масса mg, которые равны по величине.

Поэтому современное определение массы звучит так: Масса тела является количественной мерой его инертных и гравитационных свойств.

Сила тяжести (частное проявление закона всемирного тяготения)Сила, с которой Земля притягивает находящиеся вблизи тела, называется силой тяжести, а гравитационное поле Земли – поле тяжести.

Сила тяжести всегда направлена к центру Земли. Вес телаСила, с которой тело вследствие его притяжения Землей действует на подвес или опору, называется весом этого тела.

Если тело движется с постоянной скоростью, то его вес численно равен силе тяжести. Если тело движется с ускорением, направленным против силы тяжести, то его вес больше силы тяжести (перегрузка). Если тело движется с ускорением, направленным как сила тяжести .то его вес меньше силы тяжести.

ВведениеВ современных условиях, когда наука и техника стремительно развиваются, специальные знания быстро устаревают. Поэтому для решения принципиально новых задач специалисты должны обладать знаниями в области фундаментальных наук.

Как фундаментальная наука, теоретическая, общая, или классическая механика, была и остается одной из наук, формирующих у специалиста научное мировоззрение и углубленные знания о природе. Она служит для воспитания творческих навыков применения универсальных методов теоретической механики к построению моделей самых различных явлений в природе и технике и развитию творческого, научного мышления.

Предмет, первичные понятия теоретической механики. Все явления природы представляют собой движение, и всякое изменение материи называют движением.

Теоретическая механика является естественной наукой о наиболее общих законах механического движения. Под механическим движением подразумевают изменение положения материальных тел в пространстве относительно друг друга с течением времени. Материальным телом, или макротелом, называют тело, размеры которого можно измерить измерительными инструментами, например, обычной ученической линейкой, электронным микроскопом или радиотелескопом.

Первичными называют понятия, которые, как и аксиомы, принимают без определения. Первичными понятиями теоретической механики являются пространство и время. Пространство в теоретической механике принято трехмерным, подчиняющимся геометрии Евклида.

Время принято одинаковым во всех точках пространства, не зависящим от движения. В результате получена картина мира, которая для современного образованного человека стала обыденной.

Система отсчета.

В теоретической механике системой отсчета называют тело, относительно которого исследуется движение (тело отсчета), и связанную с ним систему координат. Часы в систему отсчета не входят, так как время во всех точках пространства одинаково и не зависит от движения (абсолютное время).

Пространство трехмерное, поэтому систему координат образуют три оси 1,2,3 со своими единичными векторами . Оси связаны с телом и пересекаются в одной точке O (рис. 1, a). Ниже будет показано, что движение системы координат полностью определяет движение тела отсчета, поэтому обычно тело отсчета на рисунках не изображают, считая, что оно находится в начале координат – точке O. В результате изображение системы отсчета совпадает с изображением системы координат (рис. 1, b). А так как часы в систему отсчета не входят, то в теоретической механике систему отсчета часто называют просто системой координат.

На рис. 1, b изображена косоугольная система координат. Она неудобна для применения на практике.

Самой удобной в этом смысле является прямоугольная или декартова система координат (рис. 2). Она широко используется в науке и технике, ее оси получили специфические названия.

Ось 1 названа осью абсцисс и обозначена X, ось 2 названа осью ординат и обозначена Y, ось 3 названа осью аппликат и обозначена Z. Единичные векторы названы ортами и обозначены как соответственно.

Различают правые и левые декартовы системы координат. В правой системе координат вращение оси X к оси Y по кратчайшему угловому расстоянию наблюдается с конца оси Z против хода часов, а в левой – по ходу часов. На рис. 2, a изображена правая система координат, а на рис. 2, b – левая.

Для механических явлений безразлично, какая система координат используется. Однако для микромира, как показано в теоретической физике, в правых системах координат картина мира описывается более правильно. Это обусловило более широкое применение правых систем координат. Поэтому при изложении материала, если не оговорено специально, будем называть системой отсчета тело отсчета и связанную с ним правую прямоугольную или декартову систему координат, а правую прямоугольную или правую декартову систему координат – просто системой координат.

Следует отметить, что механическое движение исследуется и в других системах координат – сферической, цилиндрической, полярной, которые относятся к криволинейным системам координат. Из них, например, сферическая система координат широко используется в географии, астрономии, навигации и в военном деле.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источники:

Все системы отсчёта делят на инерциальные и неинерциальные. Инерциальная система отсчёта лежит в основе механики Ньютона. Она характеризует равномерное прямолинейное движение и состояние покоя. Неинерциальная система отсчёта связана с ускоренным движением по разной траектории. Это движение определяется по отношению к инерциальным системам отсчёта. Неинерциальная система отсчёта связана с такими эффектами, как сила инерции, центробежная и сила Кориолиса.

Все эти процессы возникают в результате движения, а не взаимодействия между телами. Законы Ньютона в неинерциальных системах отсчёта зачастую не работают. В таких случаях к классическим законам механики добавляются поправки. Силы, обусловленные неинерциальным движением, учитываются при разработке технических изделий и механизмов, в том числе тех, где присутствует вращение. В жизни мы сталкиваемся с ними, перемещаясь в лифте, катаясь на карусели, наблюдая за погодой и течением рек. Их учитывают и при расчёте движения космических аппаратов.

Инерциальные и неинерциальные системы отсчёта

Для описания движения тел инерциальные системы отсчёта подходят не всегда. В физике выделяют 2 вида систем отсчёта: инерциальные и неинерциальные системы отсчёта. Согласно механике Ньютона, любое тело может быть в состоянии покоя либо равномерного и прямолинейного движения, за исключением случаев, когда на тело оказывается внешнее воздействие. Такое равномерное движение называют движением по инерции.

Инерциальное движение (инерциальные системы отсчёта) составляет основу механики Ньютона и трудов Галилея. Если считать звёзды неподвижными объектами (что на самом деле не совсем так), то любые объекты, движущиеся относительно них равномерно и прямолинейно, будут образовывать инерциальные системы отсчёта.

В отличие от инерциальных систем отсчёта, неинерциальная система перемещается по отношению к указанной с определенным ускорением. При этом использование законов Ньютона требует дополнительных переменных, в противном случае они будут неадекватно описывать систему. Что бы ответить на вопрос, какие системы отсчёта называются неинерциальными, стоит рассмотреть пример неинерциального движения. Таким движением является вращение нашей и других планет.

Движение в неинерциальных системах отсчёта

Коперник первым показал, насколько сложным может быть движение, если в нём участвует несколько сил. До него считалось, что Земля движется сама по себе, в соответствии с законами Ньютона, и потому ее движение является инерциальным. Однако Коперник доказал, что Земля обращается вокруг Солнца, то есть совершает ускоренное движение по отношению к условно неподвижному объекту, каковым может являться звезда.

Итак, есть разные системы отсчёта. Неинерциальными называют только те, где есть ускоренное движение, которое определяется по отношению к инерциальной системе.

Земля как система отсчёта

Неинерциальная система отсчёта, примеры существования которой можно встретить практически везде, типична для тел со сложной траекторией движения. Земля вращается вокруг Солнца, что создаёт ускоренное движение, характерное для неинерциальных систем отсчёта. Однако в повседневной практике всё, с чем мы сталкиваемся на Земле, вполне согласуется с постулатами Ньютона. Всё дело в том, что поправки на неинерциальное движение для связанных с Землёй систем отсчёта, очень незначительны и большой роли для нас не играют. И уравнения Ньютона по этой же причине оказываются в целом справедливы.

Маятник Фуко

Впрочем, в некоторых случаях без поправок не обойтись. Например, известный во всём мире маятник Фуко в соборе Санкт-Петербурга совершает не только линейные колебания, но ещё и медленно поворачивается. Этот поворот обусловлен неинерциальностью движения Земли в космическом пространстве.

Впервые об этом стало известно в 1851 году после опытов французского ученого Л. Фуко. Сам эксперимент проводился не в Петербурге, а в Париже, в огромном по размерам зале. Вес шара маятника был около 30 кг, а протяжённость соединительной нити – целых 67 метров.

В тех случаях, когда для описания движения недостаточно только формул Ньютона для инерциальной системы отсчёта, в них добавляют так называемые силы инерции.

Свойства неинерциальной системы отсчёта

Неинерциальная система отсчёта совершает различные движения относительно инерциальной. Это может быть поступательное движение, вращение, сложные комбинированные движения. В литературе приводится и такой простейший пример неинерциальной системы отсчёта, как ускоренно движущийся лифт. Именно из-за его ускоренного движения мы чувствуем, как нас придавливает к полу, или, наоборот, возникает ощущение, близкое к невесомости. Законы механики Ньютона такое явление объяснить не могут. Если следовать знаменитому физику, то в любой момент на человека в лифте будет действовать одна и та же сила тяжести, а значит и ощущения должны быть одинаковы, однако, в реальности всё обстоит иначе. Поэтому к законам Ньютона необходимо добавить дополнительную силу, которая и называется силой инерции.

Сила инерции

Сила инерции является реальной действующей силой, хотя и отличается по природе от сил, связанных с взаимодействием между телами в пространстве. Она учитывается при разработке технических конструкций и аппаратов, и играет важную роль в их работе. Силы инерции измеряются различными способами, например, при помощи пружинного динамометра. Неинерциальные системы отсчёта не являются замкнутыми, поскольку силы инерции считаются внешними. Силы инерции являются объективными физическими факторами и не зависят от воли и мнения наблюдателя.

Инерциальные и неинерциальные системы отсчёта, примеры проявления которых можно найти в учебниках физики – это действие силы инерции, центробежная сила, сила Кориолиса, передача импульса от одного тела к другому и другие.

Движение в лифте

Неинерциальные системы отсчёта, силы инерции хорошо проявляют себя при ускоренном подъёме или спуске. Если лифт с ускорением движется вверх, то возникающая сила инерции стремится прижать человека к полу, а при торможении тело, наоборот, начинает казаться более лёгким. По проявлениям сила инерции в данном случае похожа на силу тяжести, но она имеет совсем другую природу. Сила тяжести – это гравитация, которая связана с взаимодействием между телами.

Центробежные силы

Силы в неинерциальных системах отсчёта могут быть и центробежными. Вводить такую силу необходимо по той же причине, что и силу инерции. Яркий пример действия центробежных сил – вращение на карусели. Тогда как кресло стремится удержать человека на своей «орбите», сила инерции приводит к тому, что тело прижимается к внешней спинке кресла. Это противоборство и выражается в появлении такого явления, как центробежная сила.

Сила Кориолиса

Действие этой силы хорошо известно на примере вращения Земли. Назвать её силой можно лишь условно, поскольку таковой она не является. Суть её действия состоит в том, что при вращении (например, Земли) каждая точка сферического тела движется по окружности, тогда как объекты, оторванные от Земли, в идеале перемещаются прямолинейно (как, например, свободно летящее в космосе тело). Поскольку линия широты является траекторией вращения точек земной поверхности, и имеет вид кольца, то любые тела, оторванные от нее и первоначально движущиеся вдоль этой линии, перемещаясь линейно, начинают всё больше отклоняться от неё в направлении более низких широт.

Другой вариант – когда тело запущено в меридиональном направлении, но из-за вращения Земли, с точки зрения земного наблюдателя, движение тела уже не будет строго меридиональным.

Сила Кориолиса оказывает большое влияние на развитие атмосферных процессов. Под её же влиянием вода сильнее ударяет в восточный берег текущих в меридиональном направлении рек, постепенно размывая его, что приводит к появлению обрывов. На западном же, напротив, откладываются осадки, поэтому он более пологий и часто заливается водой при паводках. Правда, это не единственная причина, приводящая к тому, что один берег реки выше другого, но во многих случаях она является доминирующей.

Сила Кориолиса имеет и экспериментальное подтверждение. Оно было получено немецким физиком Ф. Райхом. В эксперименте тела падали с высоты 158 м. Всего было проведено 106 таких опытов. При падении тела отклонялись от прямолинейной (с точки зрения земного наблюдателя) траектории приблизительно на 30 мм.

Инерциальные системы отсчёта и теория относительности

Специальная теория относительности Эйнштейна создавалась применительно к инерциальным системам отсчёта. Так называемые релятивистские эффекты, согласно этой теории, должны возникать в случае очень больших скоростей движения тела относительно «неподвижного» наблюдателя. Все формулы специальной теории относительности также расписаны для равномерного движения, свойственного инерциальной системе отсчёта. Первый постулат этой теории утверждает равноценность любых инерциальных систем отсчёта, т. е. постулируется отсутствие особых, выделенных систем.

Однако это ставит под сомнение возможность проверки релятивистских эффектов (как и сам факт их наличия), что привело к появлению таких явлений, как парадокс близнецов. Поскольку системы отсчёта, связанные с ракетой и Землёй, принципиально равноправны, то и эффекты замедления времени в паре “Земля – ракета” будут зависеть только от того, где находится наблюдатель. Так, для наблюдателя на ракете, время на Земле должно идти медленнее, а для человека, находящегося на нашей планете, наоборот, оно должно идти медленнее на ракете. В результате близнец, оставшийся на Земле, увидит своего прибывшего брата более молодым, а тот, кто был в ракете, прилетев, должен увидеть моложе того, кто остался на Земле. Понятно, что физически такое невозможно.

Значит, чтобы наблюдать релятивистские эффекты, нужна какая-то особая, выделенная система отсчёта. Например, предполагается, что мы наблюдаем релятивистское увеличение времени жизни мюонов, если они движутся с околосветовой скоростью относительно Земли. Это значит, что Земля должна (причём, безальтернативно) обладать свойствами приоритетной, базовой системы отсчёта, что противоречит первому постулату СТО. Приоритет возможен только в случае, если Земля является центром вселенной, что согласуется только с первобытной картиной мира и противоречит физике.

Неинерциальные системы отсчёта как неудачный способ объяснения парадокса близнецов

Попытки объяснить приоритет “земной” системы отсчёта не выдерживают никакой критики. Некоторые ученые такой приоритет связывают именно с фактором инерциальности одной и неинерциальности другой системы отсчёта. При этом систему отсчёта, связанную с наблюдателем на Земле, считают инерциальной, при том, что в физической науке она официально признана неинерциальной (Детлаф, Яворский, курс физики, 2000). Это первое. Второе – это всё тот же принцип равноправия любых систем отсчёта. Так, если космический корабль уходит от Земли с ускорением, то с точки зрения наблюдателя на самом корабле, он статичен, а Земля, напротив, улетает от него с возрастающей скоростью.

Получается, что сама Земля является особой системой отсчёта либо наблюдаемые эффекты имеют иное (не релятивистское) объяснение. Может быть, процессы связаны с особенностями постановки или интерпретации экспериментов, либо с иными физическими механизмами наблюдаемых явлений.

Заключение

Таким образом, неинерциальные системы отсчёта приводят к появлению сил, которые не нашли своего места в законах механики Ньютона. При расчётах для неинерциальных систем учёт этих сил является обязательным, в том числе, при разработке технических изделий.

Похожие статьи

Существует две теории относительности Альберта Эйнштейна:

  1. Специальная теория относительности (СТО, 1905 г.): суть этой теории в том, что законы физики одинаковы для всех неускоряющихся наблюдателей и что скорость света в вакууме не зависит от движения наблюдателей (вообще никого, кто является частью действия/эксперимента).
  2. Общая теория относительности (ОТО, 1915 г.): массивные объекты вызывают искажение пространства-времени, что ощущается гравитацией; ускорение является частью этой теории, которая математически намного сложнее предыдущей.

Специальная теория относительности

СТО основана на том, что скорость света постоянна для всех. В 1905 году Эйнштейн понял это, когда провёл эксперименты и пришёл к выводу, что скорость света не меняется, когда Земля вращается вокруг Солнца.

СТО объясняет, как пространство и время связаны между собой для объектов, которые движутся с постоянной скоростью по прямой.

Особое внимание заостряется на объектах, движущихся со скоростью света. Когда объект приближается к скорости света, его масса становится бесконечной, и он не может двигаться быстрее света. Поскольку человечество всегда стремилось к путешествиям на огромные расстояния, это ограничение скорости было предметом многочисленных дискуссий и в физике, и в научной фантастике.

Своей теорией учёный представил новую основу для всей физики и предложил новые концепции пространства и времени.

Пример СТО: вы сидите в поезде (который едет со скоростью 100 км/ч) и бросаете теннисный мячик своему другу (со скоростью 10 км/час). С какой скоростью пролетел мячик?

Невозможно дать с уверенностью ответ на этот вопрос, т.к. ответ зависит от того, кто наблюдатель.

Для вас и людей внутри поезда теннисный мячик пролетел со скоростью 10 км/час, но для людей вне поезда он пролетел со скоростью 110 км/ч (100 + 10).

Формула Специальной теории относительности (E = mc²)

В СТО Эйнштейн представил самое известное уравнение из когда-либо написанных: E = mc²

Например, теоретически, исходя из этой формулы, энергия, получаемая при полном преобразовании одного килограмма массы, равна 9 x 10^16 джоулей (это 1кг × (300.000.000 м/с)²).

Эта формула устанавливает количественную эквивалентность (равноценность) превращения материи в энергию и наоборот.

В этом уравнении связываются и взаимозаменяются масса и энергия.

Относительность времени в специальной теории относительности

Интервал времени неподвижной системы (наблюдателя) всегда меньше системы, что находится в движении.

Промежуток времени между двумя событиями зависит от системы отсчёта, поэтому они (промежутки времени) могут быть разными, т. е. промежуток времени является относительным.

Представьте, что вы наблюдаете за каким-то явлением, происходящим в космосе. Если вы наблюдаете и замеряете время:

  • находясь на движущемся объекте (например, находитесь на движущемсякосмическом корабле), это будут одни данные,
  • но если вы находитесь на неподвижном объекте (например, ваш космический корабль не движется), вы увидите совершенно другие данные — время завершения этого действия будет значительно меньше.

Этот эффект также называется релятивистское замедление времени.

Общая теория относительности

После СТО Эйнштейн проработал ещё 10 лет над общей теорией, которая включает ускорение. В этой работе он определил, что массивные объекты вызывают искажение пространства-времени и оно ощущается как гравитация.

ОТО представила концепцию четырёхмерности мира (или пространственно-временной континуум): 3 пространственные измерения (длина, ширина, высота) и время. ОТО применяется ко всем системам отсчёта, в то время как СТО применялась лишь к движущимся с постоянной скоростью относительно друг друга. ОТО (общая) включает в себя СТО (специальную).

Пример ОТО: вы находитесь в падающем лифте, вы будете свободно парить в этом лифте, т.к. падаете вместе с этим лифтом (свободное падение). Другая ситуация: вы находитесь внутри ракеты и парите в невесомости вдали от источников гравитации. Если ракета начнёт движение, то вы опуститесь в сторону, противоположную движению ракеты (если она полетит наверх, то вы упадёте вниз). Существует эквивалент между ускоренным движением и гравитационным притяжением; т.е. ОТО утверждает, что ускорение очень похоже на гравитационное поле.

Чем отличается специальная теория относительности от общей теории относительности?

  1. Специальная теория относительности (СТО была создана в 1905 году): существуют одни и те же законы природы для всех систем отсчёта, которые движутся с постоянной скоростью; эта теория исследует физические процессы равномерно движущихся тел.
  2. Общая теория относительности (ОТО была создана в 1915 году): тот же принцип, что у специальной, но включая любые системы отсчёта даже те, что движутся с ускорением; эта теория исследует ускоряющиеся тела и описывает возникновение гравитации.

Система отсчёта — это совокупность тела отсчёта, системы координат и отсчёта времени (они связаны с телом, и относительно него рассматривается движение или равновесие других тел или точек).

Движение тел и материи должно находиться в пределах параметров времени и пространства.

Принцип относительности Галилея

Этот принцип гласит: во всех инерциальных системах отсчёта все механические явления протекают одинаково. Был ус­та­нов­лен великим итальянским учёным Га­ли­леем в 1636 г.

Узнайте также про Теорию струн и Фотон.

Закон инерции и инерциальные системы

Эксперименты показали, что тело получает ускорение относительно Земли, только если на него действуют другие тела. Всякий раз, когда тело получило ускорение относительно Земли можно указать другое тело, которое это ускорение вызвало. Камень, брошенный вверх, уменьшает свою скорость в результате притяжения Земли, достигнув точки максимального подъема, он падает вниз, увеличивая свою скорость, благодаря тому же притяжению.

Во всех аналогичных случаях появление ускорения является результатом действия других тел, причем действие может проявляться как при непосредственном соприкосновении, так и на расстоянии.

Опыты Галилея, изучавшего движения тел в конце XVI и начале XVII веков и доработка его выводов И. Ньютоном позволили установить следующий закон:

Если на тело не действуют другие тела или их действие взаимно компенсируется, то тело находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения.

Свойство тела сохранять свою скорость называют инерцией. Слово инерция латинского происхождения, оно обозначает бездеятельность, косность. Вследствие чего данный закон называют законом инерции.

Закон инерции стал первым законом механики. И. Ньютон включил этот закон в состав законов движения под первым номером. У этого закона есть еще одно название – первый закон Ньютона.

Если действия, которые производятся на разные части тела, отличаются, то эти части получают разные ускорения, следовательно, они получат разные скорости. При этом может измениться сам характер движения тела в целом.

Инерциальные и неинерциальное системы отсчета

Системы отсчета, для которых выполняется закон инерции, называются инерциальными.

Эксперименты Галилея показали, что система отсчета связанная с Землей может считаться инерциальной. Но Земля не единственная инерциальная система отсчёта. Инерциальных систем бесконечное множество. Любая система отсчета, перемещающаяся с постоянной скоростью (равномерно и прямолинейно) относительно другой инерциальной системы является инерциальной. В этих системах отсчета ускорения тела будут одинаковыми. Тело, на которое не действуют другие тела, в каждой инерциальной системе отсчета будет двигаться равномерно и прямолинейно относительно любой такой системы.

Если система отсчета движется относительно инерциальной системы поступательно, но с переменной скоростью или вращается, то такая система инерциальной не является. В такой системе тело может иметь ускорение, даже если другие тела на него не оказывают воздействия. В неинерциальных системах отсчета первый закон Ньютона не выполняется.

В настоящее время известно, что систему отсчета, связанную с Землей можно считать инерциальной приближенно. Тщательные исследования показали, что движения тел относительно системы отсчета, связанной с Землей имеются нарушения закона инерции. С гораздо большей точностью инерциальной системой отсчета можно считать систему отсчета связанную с Солнцем и другими звездами. Как мы знаем, Земля перемещается относительно звезд и Солнца с ускорением и осуществляет вращение около собственной оси. Но в нарушения закона инерции в системах отсчёта, связанных с Землей в учебных задачах, рассматривающих движение малы, поэтому обычно систему отсчёта, связанную с Землей считают инерциальной.

Примеры задач с решением

Пример 1

Задание. Сколько независимых законов Ньютона существует? В чем значение инерциальных систем отсчета?

Решение. Первый закон Ньютона (закон инерции) говорит о том, что в инерциальных системах отсчета тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если на него не действуют другие тела. При этом второй закон Ньютона задает ускорение тела ($overline{a}$), которое оно получает при воздействии силы ($overline{F}$):

[moverline{a}=overline{F}left(1.1right),]

где $m$ – масса тела. Из уравнения (1.1) следует, что если силы нет ($overline{F}$=0), то ускорение тела равно нулю и скорость постоянна ($overline{v}=const$), то есть если равнодействующая силы приложенная к телу равна нулю, то тело движется равномерно и прямолинейно (или покоится). Поэтому имеется точка зрения, согласно которой первый закон Ньютона не имеет самостоятельного значения. Однако это не верно.

Закон инерции задает критерий пригодности системы отсчета для рассмотрения движения. В инерциальных системах отсчета можно говорить о существовании единого времени. В неинерциальных системах отсчёта ввести единое время можно только с определенной точностью. Если нельзя синхронизировать часы и ввести в системе отсчета единое время, то законы динамики и кинематики теряют смысл и определенное содержание. Так, не возможно само понятие равномерного движения, если часы не синхронизированы. Получается, что закон инерции должен быть независимым и первым по порядку, так как только после него имеет смысл говорить о физическом смысле и содержании второго и третьего законов Ньютона.

Значение инерциальных систем отсчета в том, что в них законы физики одинаковы, в этом смысле все инерциальные системы равноправны.

Пример 2

Задание. В стоящем на рельсах вагоне поезда на гладком столе лежит шарик. Вагон начал двигаться с ускорением. Как ведет себя шарик относительно рельс, относительно стола. Трение шарика о поверхность стола не учитывать.

Решение. Пусть вагон начал движение с ускорением вправо (рис.1). Тогда относительно системы отсчета, связанной с рельсами ($X$) шарик, если сил трения нет, останется в покое (рис.1 (а)). система отсчета, связанная с рельсам является инерциальной. Так как сил, действующих на шарик нет, он остается в покое. Относительно системы отсчета, связанной со столом ($X’$) шарик будет двигаться с ускорением по величине равным ускорению вагона относительно системы отсчета связанной с рельсами, при этом ускорение шарика направлено в противоположную сторону по отношению к ускорению вагона:

[{overline{a}}_{sh}=-{overline{a}}_vleft(2.1right).]

Система отсчёта $X’$ является неинерциальной.

Читать дальше: кинематика.

–> –>

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий