Non-inertial referenční rámec: definice, příklady

Všechny referenční systémy jsou rozděleny na inerciální a neintermní. Inerciální referenční rámec je základem Newtonovy mechaniky. Charakterizuje rovnoměrný přímočarý pohyb a stav odpočinku. Referenční rámec, který není inerční, je spojen se zrychleným pohybem podél jiné trajektorie. Tento pohyb je definován ve vztahu k inerciálním referenčním systémům. Neinertní referenční systém je spojen s takovými účinky, jako je inerciální síla, odstředivá síla a síla Coriolis.

Všechny tyto procesy vznikají jako důsledek pohybu, nikoli interakce mezi těly. Newtonovy zákony v neinertních referenčních systémech často nefungují. V takových případech se doplňují dodatky k klasickým mechaniím. Při vyvíjení technických produktů a mechanismů, včetně těch, kde dochází k rotaci, se berou v úvahu síly způsobené neinterciálním pohybem. V životě se s nimi setkáváme, pohybujeme ve výtahu, jezdíme na kolotoči, pozorujeme počasí a tok řek. Při výpočtu pohybu kosmické lodi jsou vzaty v úvahu.

Inerční a neintermní referenční systémy

Inerciální referenční systémy nejsou vždy vhodné pro popis pohybu těles. Ve fyzice existují dva typy referenčních systémů: inerciální a neinertní referenční systémy. Podle mechaniky Newtonové může být každé tělo v klidu nebo rovnoměrném a přímočarém pohybu, s výjimkou případů, kdy na tělo působí vnější vliv. Takový jednotný pohyb se nazývá inerciální pohyb.

Inerciální pohyb (inerciální referenční systémy) je základem Newtonovy mechaniky a prací Galilea. Pokud jsou hvězdy považovány za pevné objekty (což ve skutečnosti není dost případ), pak se všechny objekty pohybující se vůči nim rovnoměrně a bezprostředně vytvoří inerciální referenční systémy.

Na rozdíl od inerciálních referenčních systémů se neinerciální systém pohybuje ve vztahu k určenému systému s určitým zrychlením. V tomto případě vyžaduje používání Newtonových zákonů další proměnné, jinak by tento systém neadekvátně popsal. Abychom odpověděli na otázku, které referenční systémy se nazývají neinertní, stojí za to zvážit příklad neinercičního pohybu. Tento pohyb je rotací naší a dalších planet.

Pohyb v neinertních referenčních systémech

Copernicus poprvé ukázal, jak těžké může být hnutí, pokud se na něm podílí několik sil. Před ním se věřilo, že Země se pohybuje sama od sebe podle Newtonových zákonů a proto je její pohyb inerciální. Koperník však dokázal, že Země se točí okolo Slunce, to znamená, že urychluje pohyb s ohledem na podmíněně stacionární objekt, který může být hvězda.

Existují tedy různé referenční systémy. Neinertní volání pouze ty, u kterých dochází k zrychlenému pohybu, který je definován ve vztahu k inerciálnímu systému.

Země jako referenční systém

Nezajímavý referenční rámec, jehož příklady lze nalézt téměř všude, je typické pro těla se složitou trajektorií pohybu. Země se točí kolem Slunce, který vytváří zrychlený pohyb charakteristický pro neinerciální referenční systémy. Nicméně, v každodenní praxi, vše, co se na Zemi setkáváme, je zcela v souladu s Newtonovými postuláty. Věc je, že opravy neintervalního pohybu pro referenční systémy související se Zemí jsou velmi malé a nehrají pro nás velkou roli. A Newtonovy rovnice z toho samého důvodu jsou obecně spravedlivé.

Foucaultovo kyvadlo

V některých případech však není nutná žádná změna. Například celosvětové kyvadlo Foucault v katedrále Petrohradu nejenže provádí lineární oscilace, ale také se pomalu otáčí. Tato rotace je způsobena neinercičním pohybem Země ve vesmíru.

Poprvé se to stalo známým v roce 1851 po pokusech francouzského vědce L. Foucaulta. Samotný experiment se uskutečnil nejen v Petrohradě, ale v Paříži v obrovské hale. Hmotnost kyvadla byla asi 30 kg a délka spojovacího závitu byla až 67 metrů.

V těch případech, kdy pouze Newtonovy vzorce pro inerciální referenční systém nestačí k popisu pohybu, přidávají tzv. Setrvačné síly.

Vlastnosti referenčního systému bez zotrvačníku

Neinertní referenční systém provádí různé pohyby vzhledem k setrvačnosti. Může to být pohyb vpřed rotace, komplexní kombinované pohyby. Literatura také poskytuje takový nejjednodušší příklad neinertního referenčního systému, jako je zrychlený pohybový výtah. Je to kvůli jeho zrychlenému pohybu, že cítíme, jak jsme zatlačeni na zem, nebo naopak, pocit je blízko k beztížnosti. Newtonovy zákony mechaniky tento fenomén nemohou vysvětlit. Pokud budete sledovat slavného fyziku, pak v každé chvíli bude stejná gravitace působit na osobu ve výtahu, což znamená, že pocity by měly být stejné, avšak ve skutečnosti je všechno jiné. Proto k zákonům Newton musíte přidat další sílu, která se nazývá síla setrvačnosti.

Síla setrvačnosti

Síla setrvačnosti je skutečná síla působící, i když se v přírodě liší od sil souvisejících s interakcí mezi těly v prostoru. Vztahuje se na vývoj technických struktur a přístrojů a hraje důležitou roli ve své práci. Síly setrvačnosti se měří různými způsoby, například pomocí pružinového dynamometru. Nezařazené referenční systémy nejsou uzavřeny, protože síly setrvačnosti jsou považovány za externí. Síly setrvačnosti jsou objektivní fyzikální faktory a nezávisí na vůli a názoru pozorovatele.

Inerciální a neintermní referenční systémy, jejichž příklady lze nalézt ve fyzikálních učebnicích, jsou působení inerciální síly, odstředivé síly, Coriolisovy síly, přenosu hybnosti z jednoho těla na jiný a další.

Pohyb ve výtahu

Neinertní referenční systémy, inerciální síly se dobře projevují během zrychleného výstupu nebo sestupu. Pokud se výtah pohybuje nahoru se zrychlením, pak výsledná inerciální síla má tendenci tlačit osobu na podlahu, a při brzdění se tělo naopak začíná zdát snadnější. Pokud jde o projevy, síla setrvačnosti je v tomto případě podobná gravitace ale má velmi odlišnou povahu. Gravitace je gravitace, která je spojena s interakcí mezi těly.

Odstředivá síla

Síly v neinertních referenčních systémech mohou být odstředivé. Tuto sílu je třeba zavádět ze stejného důvodu jako setrvačná síla. Živý příklad působení odstředivých sil - rotace na karuselu. Zatímco se židle snaží udržet člověka v "oběžné dráze", síla setrvačnosti způsobuje, že tělo tlačí proti vnější opěradlu židle. Tato konfrontace je vyjádřena v podobě takového jevu jako odstředivá síla.

Coriolisova síla

Účinek této síly je dobře znám z příkladu rotace Země. Můžete ji nazývat silou pouze podmíněně, protože to není. Podstata jeho působení spočívá v tom, že během otáčení (například Země) se každý bod sférického těla pohybuje v kruhu, zatímco objekty trhané z Země se ideálně pohybují rovně (jako tělo volně létá ve vesmíru). Vzhledem k tomu, že přímka zeměpisné šířky je trajektorií rotace bodů na povrchu Země a má tvar prstence, od ní od sebe oddělené tělo, které se původně pohybuje podél této linie, pohybující se lineárně, se od ní stále více odchylují ve směru dolních zeměpisných šířek.

Další možností je, když je tělo spuštěno ve směru poledníku, ale kvůli otáčení Země z pohledu pozemského pozorovatele nebude pohyb těla nadále přísně meridionální.

Coriolisova síla má velký vliv na vývoj atmosférických procesů. Pod jeho vlivem voda zasáhne východní břeh řek tekoucích v poledním směru tvrdší, čímž se postupně eroduje, což vede k vzhledu útesů. Na západě je naopak usazeno srážení, takže je mnohem jemnější a často zaplavované vodou během povodní. Je pravda, že to není jediný důvod, proč je jedna strana řeky vyšší než druhá, ale v mnoha případech je dominantní.

Coriolisova síla má také experimentální důkazy. Získal jej německý fyzik F. Reich. V pokusu se těla spadla z výšky 158 m. Celkem bylo provedeno 106 takových experimentů. Když padlo tělo, odchylovaly se od roviny (z pohledu pozemského pozorovatele) přibližně 30 mm.

Inerční referenční systémy a teorie relativity

Speciální teorie relativity Einstein byl vytvořen ve vztahu k inerciálním referenčním systémům. Takzvané relativistické efekty podle této teorie by se měly objevit v případě velmi vysokých rychlostí těla vůči "stacionárnímu" pozorovateli. Všechny vzorce speciální teorie relativity jsou také namalovány pro jednotný pohyb, typický pro inerciální referenční systém. První postulát této teorie potvrzuje ekvivalenci libovolných inerciálních referenčních systémů, tj. Absenci speciálních specializovaných systémů.

To však zpochybňuje možnost kontroly relativistických účinků (stejně jako sama skutečnost jejich existence), což vedlo k vzniku takových jevů, jako je paradox dvojče. Vzhledem k tomu, že referenční systémy spojené s raketou a Zemí jsou v zásadě rovnocenné v právech, pak účinky časové dilatace v páru Země-Raketa budou záviset pouze na tom, kde je pozorovatel. Takže, pro pozorovatele na raketě, čas na Zemi by měl jít pomaleji, a pro člověka na naší planetě by naopak měl na raketě zpomalit. Výsledkem je, že dvojčata, která zůstane na Zemi, uvidí, že jeho bratr přijde mladší a ten, kdo byl v raketě, když letěl dovnitř, by měl vidět mladší než ten, který zůstal na Zemi. Je zřejmé, že je to fyzicky nemožné.

Abychom mohli pozorovat relativistické efekty, potřebujeme nějaký speciální, specializovaný referenční rámec. Například se předpokládá, že pozorujeme relativistické zvýšení životnosti mionů, pokud se pohybují rychlostí blízké světle vůči Zemi. To znamená, že Země musí (kromě toho bez jakékoliv alternativy) mít vlastnosti priority, základní referenční systém, který je v rozporu s prvním postulátem SRT. Priorita je možná pouze v případě, že Země je středem vesmíru, který je konzistentní pouze s primitivním obrazem světa a je v rozporu s fyzikou.

Neinertní referenční systémy jako neúspěšný způsob, jak vysvětlit dvojitý paradox

Pokusy vysvětlit prioritu pozemského referenčního rámce neudržují vodu. Někteří vědci připisují tuto prioritu faktoru setrvačnosti jednoho a neinterceality jiného referenčního rámce. V tomto případě je referenční systém spojený s pozorovatelem na Zemi považován za inerciální, přestože ve fyzikální vědě je oficiálně uznán jako neinerciální (Detlaf, Yavorsky, Physics course, 2000). Toto je první. Druhá je stejná zásada rovnosti jakýchkoli referenčních systémů. Takže pokud kosmická loď opouští Zemi zrychlením, pak z pohledu pozorovatele na samotné lodi je to statická a Země naopak od ní odráží s rostoucí rychlostí.

Ukazuje se, že samotná Země je zvláštní referenční systém, nebo pozorované účinky mají jiné (nerelativistické) vysvětlení. Snad procesy jsou spojeny se zvláštnostmi formulace nebo interpretace experimentů nebo s jinými fyzikálními mechanismy pozorovaných jevů.

Závěr

Neinertní referenční systémy tak vedou k vzhledu sil, které se nenacházejí v zákoně newtonské mechaniky. Při výpočtu za neinerciční systémy je povinnost účtovat tyto síly, a to i při vývoji technických výrobků.