"Физика (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под ред. Орлова В.А.
Инерциальная система отсчёта — это система, в которой свободное тело сохраняет покой или движется равномерно и прямолинейно. Понятие помогает правильно описывать движение и применять законы Ньютона. Системы, движущиеся с ускорением или вращающиеся, называют неинерциальными: в них тела могут менять скорость без видимой причины, поэтому приходится учитывать силы инерции. Любая система, движущаяся равномерно и прямолинейно относительно инерциальной, также является инерциальной.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Инерциальная система отсчёта — система, в которой свободное тело сохраняет покой или движется равномерно и прямолинейно. Свободное тело не испытывает нескомпенсированного действия других тел. Это определение нужно, чтобы понимать, где законы Ньютона применяются без дополнительных поправок.
Неинерциальная система отсчёта — система, движущаяся с ускорением относительно инерциальной системы. В ней свободные тела могут двигаться с ускорением, хотя видимого действия других тел нет. Такое описание показывает, что причина необычного движения связана с самой системой отсчёта.
Закон инерции утверждает, что при отсутствии действия других тел тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. Инерция — это свойство тела сопротивляться изменению скорости. Закон помогает определить, является ли выбранная система отсчёта инерциальной.
Принцип относительности Галилея означает, что механические явления протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчёта. Например, опыт с брошенным вверх мячом одинаково объясняется в покоящемся и равномерно движущемся вагоне. Поэтому выбор такой системы можно делать по удобству.
Первый закон Ньютона одновременно описывает движение тела и служит признаком системы отсчёта. Если в выбранной системе свободное тело сохраняет скорость, первый закон выполняется. Если же оно самопроизвольно ускоряется, причина может быть не в новом взаимодействии, а в том, что система движется с ускорением. Поэтому инерциальность нельзя определить только по тому, покоится ли наблюдатель.
Проверить систему можно по движению свободного тела. Если его ускорение равно нулю, то тело либо покоится, либо движется равномерно и прямолинейно, и система согласуется с законом инерции. Если скорость изменяется по модулю или направлению без действия нескомпенсированной силы, система неинерциальна. В реальном опыте полностью свободное тело найти трудно, поэтому используют тела, на которые действуют очень малые силы.
Пусть одна система отсчёта инерциальна, а другая движется относительно неё равномерно и прямолинейно. В таком случае расстояние между началами координат меняется равномерно, а сама система не получает ускорения. Скорость свободного тела в новой системе отличается на постоянную величину, поэтому остаётся постоянной. Значит, равномерно движущаяся система тоже инерциальна.
В ускоренном автобусе или лифте пассажир и другие тела сохраняют прежнюю скорость, пока реальные силы не изменят её. Пол автобуса при разгоне уходит вперёд, а пассажир по инерции отстаёт; при торможении автобус замедляется, а пассажир продолжает двигаться вперёд. Изнутри кажется, будто тело само получило ускорение. Чтобы применить законы Ньютона в такой системе, вводят силу инерции, направленную противоположно ускорению системы.
| Свойство | Инерциальная система отсчёта | Неинерциальная система отсчёта |
|---|---|---|
| Движение свободного тела | Покой или равномерное прямолинейное движение | Может происходить с ускорением |
| Движение самой системы относительно инерциальной системы | Покой или равномерное прямолинейное движение | Движение с ускорением или вращением |
| Применимость законов Ньютона в обычной форме | Применимы | Неприменимы без учёта сил инерции |
| Пример | Земная система отсчёта в большинстве школьных задач, вагон, движущийся равномерно и прямолинейно | Разгоняющийся или тормозящий автобус, вращающаяся карусель |
Сначала определите, есть ли у самой системы ускорение или вращение. Затем представьте движение свободного тела и проверьте, сохраняется ли его скорость. Если система неинерциальна, при записи уравнений нужно дополнительно учесть силы инерции.
Поезд движется по прямому горизонтальному пути равномерно и прямолинейно. Земную систему отсчёта считают инерциальной. Требуется определить, будет ли инерциальной система, связанная с поездом.
Ответ: систему отсчёта, связанную с поездом, можно считать инерциальной.
Автобус резко начинает тормозить, и пассажир наклоняется вперёд. Нужно объяснить явление и определить систему автобуса. Сопротивление движению пассажира со стороны пола и сиденья сначала мало.
Ответ: пассажира бросает вперёд из-за сохранения его скорости; система автобуса во время торможения неинерциальна.
Груз лежит на гладком столе вагона. Во время разгона вагона он смещается назад относительно вагона. Нужно описать движение груза в земной системе и в системе вагона.
Ответ: относительно Земли груз сохраняет скорость, а относительно вагона смещается назад; различие объясняется ускорением вагона.
Ошибка 1. Любую неподвижную для наблюдателя систему считают инерциальной. Наблюдатель может находиться в ускоряющемся лифте, поэтому проверяют не покой наблюдателя, а движение свободного тела.
Ошибка 2. Инерциальной считают только систему Земли. На самом деле вагон или другой объект, движущийся относительно Земли равномерно и прямолинейно, тоже может быть инерциальным. Проверьте, есть ли у системы ускорение.
Ошибка 3. Равномерное движение по окружности принимают за движение без ускорения. Скорость при этом постоянна по модулю, но меняет направление, значит, ускорение есть. Всегда проверяйте и модуль, и направление скорости.
Ошибка 4. В ускоренной системе используют обычные уравнения Ньютона без дополнительных сил. Это даёт неверное объяснение видимого движения тел. Если система разгоняется, тормозит или вращается, учитывайте силу инерции.
Для изучения темы нужны понятия системы отсчёта, траектории, скорости, ускорения и первый закон Ньютона. Инерциальность определяет, когда можно применять второй закон Ньютона в обычной форме и какую систему удобнее выбрать в задаче. Эти идеи помогают перейти к относительности движения, а затем к изучению закона всемирного тяготения, где также важно правильно описывать движение тел.
Можно ли считать Землю инерциальной системой отсчёта?
В школьных задачах Землю обычно считают инерциальной системой, потому что её движение и вращение несущественны для рассматриваемых явлений. Строго говоря, Земля не является идеально инерциальной, но такое приближение обычно достаточно точное.
Почему вагон, движущийся равномерно, может быть инерциальной системой?
Если вагон движется относительно Земли равномерно и прямолинейно, он не имеет ускорения. Поэтому свободное тело в вагоне сохраняет покой или равномерное прямолинейное движение, как и в земной системе.
Является ли лифт инерциальной системой во время равномерного движения?
Да, если лифт движется равномерно и прямолинейно, его можно считать инерциальной системой. При разгоне, торможении или изменении направления движения лифт становится неинерциальным.
Почему в тормозящем автобусе пассажиров бросает вперёд?
Тело пассажира стремится сохранить прежнюю скорость и продолжает двигаться вперёд, тогда как автобус замедляется. Относительно автобуса пассажир наклоняется вперёд, потому что система автобуса движется с ускорением.
Зачем вводят силы инерции в неинерциальных системах?
В неинерциальной системе свободные тела могут иметь ускорение, хотя реальные тела на них не действуют. Силы инерции вводят, чтобы описывать такое движение с помощью уравнений Ньютона.
2. Инерциальные системы отсчёта
