Древні філософи намагалися зрозуміти суть руху, виявити вплив зірок і Сонця на людину. Крім того, люди завжди намагалися виявити ті сили, які діють на матеріальну точку в процесі її руху, а також у момент спокою. Аристотель вважав, що за відсутності руху на тіло не надають дії які-небудь сили. Спробуємо з'ясувати, які системи відліку називаються інерціальними, наведемо їх приклади.

Стан спокою

У повсякденному житті важко виявити подібний стан. Практично у всіх видах механічного руху передбачається присутність сторонніх сил. Причиною є сила тертя, не дає багатьом предметам залишати своє початкове положення, виходити із стану спокою.


Розглядаючи приклади інерціальної системи відліку, зазначимо, що всі вони відповідають 1 закону Ньютона. Тільки після його відкриття вдалося пояснити стан спокою, вказувати сили, що діють у цьому стані на тіло.

Формулювання 1 закону Ньютона

У сучасній інтерпретації він пояснює існування систем координат, відносно яких можна розглядати відсутність впливу на матеріальну точку зовнішніх сил. З погляду Ньютона, інерціальними називаються системи відліку, які дозволяють розглядати збереження швидкості тіла протягом тривалого часу.

Визначення

Які системи відліку є інерціальними? Приклади їх вивчаються в шкільному курсі фізики. Інерціальними вважають такі системи відліку, щодо яких матеріальна точка рухається з постійною швидкістю. Ньютон уточнював, що будь-яке тіло може перебувати в такому стані до тих пір, поки немає необхідності прикладати до нього сили, здатні змінювати подібний стан.


В реальності закон інерції виконується не в усіх випадках. Аналізуючи приклади інерційних і неинерциальних систем відліку, розглянемо людини, що тримається за поручні в пересувається транспорті. При різкому гальмуванні машини людина автоматично пересувається щодо транспорту, незважаючи на відсутність зовнішньої сили. Виходить, що не всі приклади інерціальної системи відліку відповідають формулюванні 1 закону Ньютона. Для уточнення закону інерції було введено уточнене визначення систем відліку, в яких він виконується бездоганно.

Види систем відліку

Які системи відліку називаються інерціальними? Скоро це стане зрозуміло. «Наведіть приклади інерціальних систем відліку, в яких виконується 1 закон Ньютона» - подібне завдання пропонують школярам, що обрав фізику в якості іспиту в дев'ятому класі. Для того щоб впоратися з поставленим завданням, необхідно мати уявлення про інерційних і неинерциальних системах відліку. Інерція передбачає збереження спокою або рівномірного прямолінійного руху тіла до тих пір, поки тіло знаходиться в ізоляції. «Ізольованими» вважають тіла, які не пов'язані, не взаємодіють, видалені один від одного. Розглянемо деякі приклади інерціальної системи відліку. Якщо вважати системою відліку зірку в Галактиці, а не рухомий автобус, виконання закону інерції для пасажирів, які тримаються за поручні, буде бездоганним.
Під час гальмування даний транспортний засіб буде продовжувати рівномірний прямолінійний рух до тих пір, поки на нього не будуть впливати інші тіла. Які приклади інерціальної системи відліку можна навести? Вони не повинні мати зв'язку з аналізованим тілом, впливати на його інертність. Саме для таких систем виконується 1 закон Ньютона. У реальному житті важко розглядати пересування тіла відносно інерційних систем відліку. Неможливо потрапити на далеку зірку, щоб з неї проводити земні експерименти. В якості умовних систем відліку беруть Землю, незважаючи на те що вона пов'язана з предметами, розміщеними на ній. Розрахувати прискорення в інерціальній системі відліку можна, якщо вважати в якості системи відліку поверхню Землі. У фізиці немає математичної записи 1 закону Ньютона, але саме він є основою для виведення багатьох фізичних визначень і термінів.

Приклади інерціальних систем відліку

Школярам іноді складно зрозуміти фізичні явища. Дев'ятикласникам пропонується завдання наступного змісту: «Які системи відліку називаються інерціальними? Наведіть приклади подібних систем». Припустимо, що візок з кулею спочатку рухається по рівній поверхні, маючи постійну швидкість. Далі вона пересувається по піску, в результаті куля приводиться в прискорений рух, незважаючи на те що на нього не діють інші сили (їх сумарний вплив одно нулю). Суть можна пояснити тим, що під час руху по піщаній поврехності система перестає бути інерціальної, вона володіє постійною швидкістю. Приклади інерційних і неинерциальних систем відліку свідчать про те, що в певний проміжок часу відбувається їх перехід. При розгоні тіла його прискорення має позитивну величину, а при гальмуванні цей показник стає негативним.

Криволінійний рух

Щодо зірок і Сонця рух Землі здійснюється за криволінійної траєкторії, що має форму еліпса. Та система відліку, в якій центр поєднується з Сонцем, а осі направлені на певні зірки, буде вважатися інерціальною.
Зазначимо, що будь-яка система відліку, яка буде прямолінійно і рівномірно пересуватися відносно геліоцентричної системи, є інерціальною. Криволінійний рух здійснюється з деяким прискоренням. Враховуючи той факт, що Земля здійснює рух навколо своєї осі, система відліку, яка пов'язана з її поверхнею, відносно геліоцентричної рухається з деяким прискоренням. У подібній ситуації можна зробити висновок, що система відліку, яка пов'язана з поверхнею Землі, рухається з прискоренням відносно геліоцентричної, тому її не можна вважати інерціальною. Але значення прискорення подібної системи настільки мало, що в багатьох випадках суттєво впливає на специфіку механічних явищ, що розглядаються щодо неї. Щоб вирішувати практичні завдання технічного характеру, прийнято вважати інерціальною ту систему відліку, яка жорстко зв'язана з поверхнею Землі.

Відносність Галілея

Всі інерціальні системи відліку мають важливе властивість, яка описується принципом відносності. Суть його полягає в тому, що будь-яке механічне явище при однакових початкових умовах здійснюється однаково, незалежно від обраної системи відліку. Рівноправність ІСО за принципом відносності виражається в наступних положеннях:

У таких системах закони механіки однакові, тому будь-яке рівняння, яке описує ними, що виражається через координати і час, залишається незмінним.

Результати проведених механічних дослідів дозволяють встановлювати, чи буде система відліку спочивати, або вона здійснює прямолінійний рівномірний рух. Будь-яка система умовно може бути визнана нерухомою, якщо інша при цьому здійснює щодо неї рух з деякою швидкістю.

Рівняння механіки залишаються незмінними по відношенню до перетворень координат в разі переходу від однієї системи до другої. Можна описати одне і те ж явище в різних системах, але їх фізична природа при цьому не змінюватиметься.

Рішення завдань

Перший приклад. Визначте, чи є інерціальною системою відліку: а) штучний супутник Землі; б) дитячий атракціон. Відповідь. У першому випадку не йдеться про інерціальній системі відліку, оскільки супутник рухається по орбіті під впливом сили земного тяжіння, отже, рух відбувається з деяким прискоренням. Атракціон також не можна вважати інерціальною системою, оскільки його обертальний рух відбувається з деяким прискоренням. Другий приклад. Система звіту міцно пов'язана з ліфтом. В яких ситуаціях її можна називати інерціальної? Якщо ліфт: а) падає вниз; б) пересувається рівномірно вгору; в) прискорено піднімається; г) рівномірно направляється вниз. Відповідь. а) При вільному падінні з'являється прискорення, тому система відліку, що пов'язана з ліфтом, не буде інерціальною. б) При рівномірному пересуванні ліфта система є інерціальною. в) При русі з деяким прискоренням систему відліку вважають інерціальною. г) Ліфт рухається уповільнено, має негативне прискорення, тому не можна назвати систему відліку інерціальною.

Висновок

Протягом усього часу свого існування людство намагається зрозуміти явища, що відбуваються в природі. Спроби пояснити відносність руху були зроблені ще Галілео Галілеєм. Ісааку Ньютону вдалося вивести закон інерції, який стали використовувати в якості основного постулату при проведенні обчислень в механіці. В даний час в систему визначення положення тіла включають тіло, прилад для визначення часу, а також систему координат. В залежності від того, рухомим або нерухомим є тіло, можна дати характеристику стану певного об'єкта в потрібний проміжок часу.