Какую систему отсчета называют инерциальной кратко

Обновлено: 02.07.2024

ИНЕРЦИА́ЛЬНАЯ СИСТЕ́МА ОТСЧЁТА, система отсчёта, в которой справедлив закон инерции: материальная точка, если на неё не действуют никакие силы (или действуют взаимно уравновешенные силы), находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Всякая система отсчёта, движущаяся по отношению к И. с. о. поступательно, равномерно и прямолинейно, также является И. с. о. Теоретически может существовать любое число равноправных И. с. о., в которых законы физики одинаковы ( относительности принцип ). Система отсчёта, движущаяся с ускорением по отношению к И. с. о., неинерциальна, и закон инерции в ней не выполняется.

Все существующие системы отсчета делятся на инерциальные и на неинерциальные. Инерциальная система отсчета лежит в основе механики Ньютона. Так какие системы отсчета называют инерциальными?

Кратко об инерциальной системе отсчета

В системах отсчета, строящихся по типу инерциальности, свободные тела движутся прямолинейно и равномерно (при отсутствии внешнего воздействия), либо не движутся совсем. По отношению к этой системе отсчета пространство является однородным и изотопным.

Этот термин был введен Людвигом Ланге в 1885 году и обозначал систему координат, в которой действуют законы Ньютона.

Движение тела нужно рассматривать относительно других тел, иначе невозможно будет определить положение тела в пространстве. Значит, говоря о явлении инерции, необходимо указать, относительно чего тело покоится или движется равномерно и прямолинейно.

Поэтому первый закон Ньютона, названный законом инерции, формулируется так:

Существуют такие системы отсчета, относительно которых поступательно движущее тело сохраняет свою скорость постоянной, если действие на него других тел скомпенсировано (V=const; R=0 – под векторами).

Рис. 1. Портрет Ньютона.

Инерциальными являются те системы отсчета, относительно которых тело движется с постоянной скоростью. Таким образом, движение тел в инерциальных системах отсчета происходит с одинаковой скоростью. Именно для таких систем выполняется I закон Ньютона.

Какие же системы отсчета можно отнести к инерциальным?

те, в которых при R=0; V=const.
те, которые движутся относительно инерциальных систем отсчета равномерно и прямолинейно. Например к ИСО можно отнести далекие звезды. Вообще-то, в природе не существует ситуаций, когда бы на тело не действовали другие тела. Однако если действие одних тел скомпенсировано, а другие оказывают очень слабое действие, то принято считать, что в определенном приближении на тело никакие тела не действуют.

Солнце и Земля не являются инерциальными системами отсчета. Но эффекты, вызванные неинерциальностью относительно Земли и солнца, незначительны. В ряде случаев ими можно пренебречь, правда, далеко не всегда.

Рис. 2. Солнце и Земля.

Во всех инерциальных системах отсчета при одинаковых начальных условиях все механические явления протекают одинаково, то есть подчинены одним законам. Это утверждение называют принципом относительности Галилея.

Рис. 3. Галилей.

Неинерциальная система отсчета

К неинерциальным системам отсчета относятся те системы, которые не являются инерциальными. Если система отсчета движется с ускорением относительно инерциальной системы, то эта система является неинерциальной. В таких системах могут возникать сила инерции, центробежная сила и сила Кориолиса.

Инерция – это сила, при которой тело пытается сохранить свое первоначальное состояние.

В неинерциальных системах отсчета законы Ньютона очень часто не работают. Примером силы, обусловленным таким движением, может служить, например, перемещение в лифте, катание на карусели.

Что мы узнали?

Существует два вида систем отсчета: инерциальные и неинерциальные системы отсчета. В системах отсчета первого типа тела движутся прямолинейно и равномерно. Для этой системы действуют законы Ньютона. К системам отсчета второго типа относятся те системы, которые движутся с ускорением относительно инерциальных систем.

Проведём опыт. Подвесим над тележкой один шарик, а другой положим внутрь грузового отсека тележки. Запустим установку так, чтобы она двигалась по поверхности стола с постоянной скоростью в одном направлении (рис. $1$).

$1$. Сила тяжести первого шарика уравновешена силой натяжения троса, поэтому нет движения вертикального направления: $\vec+m_1\vec=m_1\vec$

$2$. Сила тяжести второго шарика уравновешена силой реакции опоры, поэтому нет движения вертикального направления: $\vec+m_2\vec=m_2\vec$

$2$. Сила тяжести всей системы тележки с шариками уравновешена силой реакции опоры (Земли), поэтому нет движения вертикального направления: $\vec+(m_1+m_2+m_3)\vec=(m_1+m_2+m_3)\vec$

В горизонтальном направлении нет сил, которые бы изменяли скорости движения шариков и тележки. Поэтому скорость движения всей системы и каждого элемента в горизонтальном направлении постоянна: $\upsilon=const$.

Но когда тележка попадёт на песочную насыпь (рис. $2$), то она быстро остановится, так как её скорость быстро уменьшается. При снижении скорости шарики начинают двигаться относительно тележки по инерции. В этом случае изменение скорости шариков не связано с действием на них каких-либо сил.

В системе отсчёта, связанной с тележкой, движущейся с ускорением (в данном случае с замедлением), закон инерции не выполняется.

Если тело относительно системы отсчёта имеет ускорение даже в отсутствие действия на него других тел или внешних сил, то в такой системе не выполняется закон инерции.

Первый закон Ньютона: всегда можно найти инерциальную систему отсчёта, в которой выполняется закон инерции: если на тело не действуют силы или их действие компенсировано, то тело будет находиться в состоянии покоя или двигаться прямолинейно и равномерно.

Инерциальная система отсчёта (ИСО) — система отсчёта, в которой тела либо движутся прямолинейно и равномерно, либо покоятся.

Одно и то же тело может находиться в состоянии покоя в одной системе отсчёта и двигаться с ускорением в другой системе отсчёта.

в самолёте, пикирующем вниз с ускорением свободного падения, пилот находится в состоянии покоя в системе отсчёта, связанной с самолётом. Одновременно в системе отсчёта, связанной с Землёй, этот пилот движется вместе с самолётом с ускорением свободного падения.

В большинстве вопросов о движении на поверхности Земли будем принимать Землю за систему отсчёта, потому что нарушения закона инерции для Земли как для системы отсчёта малы. Изучая движение планет будем выбирать для системы отсчёта Солнце и звёзды.

Всегда можно найти (выбрать) систему отсчёта, которая с заданной степенью точности является инерциальной.

Инерциальными системами отсчета называют такие системы, относительно которых все тела, не испытывающие действия сил, движутся равномерно и прямолинейно .

Если какая-либо система отсчета движется относительно инерциальной системы поступательно, но не прямолинейно и равномерно, а с ускорением или же вращаясь, то такая система не может быть инерциальной и закон инерции в ней не выполняется.

Во всех инерциальных системах отсчета все механические и физические процессы протекают совершенно одинаково (при одинаковых условиях).

Согласно принципу относительности, все инерциальные системы отсчета равноправны и все проявления законов физики в них выглядят одинаково, а записи этих законов в разных инерциальных системах отсчета имеют одинаковую форму.

Если в изотропном пространстве существует хотя бы одна инерциальная система отсчета, приходим к выводу, что существует бесконечное множество таких систем, движущихся друг относительно друга поступательно, равномерно и прямолинейно. Если инерциальные системы отсчета существуют, то пространство однородно и изотропно, а время – однородно.

Законы Ньютона и другие законы динамики выполняются только в инерциальных системах отсчета.

Рассмотрим пример инерциальной и неинерциальной систем. Возьмем тележку, на которой находятся два шарика. Один из них лежит на горизонтальной поверхности, а другой подвешен на нити. Сначала тележка движется относительно Земли прямолинейно и равномерно (а). Силы, действующие на каждый шарик по вертикали, уравновешены, а по горизонтали на шарики никакие силы не действуют (силу сопротивления воздуха можно проигнорировать).

При любой скорости движения тележки относительно земли (υ₁, υ₂, υ₃ и т.д.) шарики будут находиться в покое относительно тележки, главное, чтобы скорость была постоянной.

Однако, когда тележка наедет на песчаную насыпь (б), ее скорость начнет быстро уменьшаться, в результате чего тележка остановится. Во время торможения тележки оба шарика придут в движение – изменят свою скорость относительно тележки, хотя их никакие силы не толкают.

В этом примере первой (условно неподвижной) системой отсчета является Земля. Вторая система отсчета, движущаяся относительно первой – тележка. Пока тележка двигалась равномерно и прямолинейно, шарики находились в покое относительно тележки, т. е. выполнялся закон инерции. Как только тележка стала тормозить, т. е. начала двигаться с ускорением относительно инерциальной (первой) системы отсчета, закон инерции перестал выполняться.

Строго инерциальной системы отсчета нет. Реальная система отсчета всегда связывается с каким-нибудь конкретным телом, по отношению к которому изучается различных объектов. Все реальные тела движутся с каким-либо ускорением, следовательно любая реальная система отсчета может рассматриваться в качестве инерциальной лишь приближенно.

Инерциальной системой с очень высокой степенью точности считается гелиоцентрическая система, связанная с центром Солнца и координатными осями, направленными на три далекие звезды. Эту систему используют в задачах небесной механики и космонавтики. В большинстве технических задач инерциальной системой отсчета считают любую систему, жестко связанную с землей (или любым телом, которое покоится или движется прямолинейно и равномерно относительно поверхности Земли).

Инерциа́льная систе́ма отсчёта (ИСО) — система отсчёта, в которой справедлив первый закон Ньютона (закон инерции): все свободные тела (то есть такие, на которые не действуют внешние силы или действие этих сил компенсируется) движутся прямолинейно и равномерно или покоятся [1] . Эквивалентной является следующая формулировка, удобная для использования в теоретической механике [2] :

Инерциальной называется система отсчёта, по отношению к которой пространство является однородным и изотропным, а время — однородным.

Содержание

Свойства инерциальных систем отсчёта

Всякая система отсчёта, движущаяся относительно ИСО равномерно и прямолинейно, также является ИСО. Согласно принципу относительности, все ИСО равноправны, и все законы физики инвариантны относительно перехода из одной ИСО в другую. Это значит, что проявления законов физики в них выглядят одинаково, и записи этих законов имеют одинаковую форму в разных ИСО.

Предположение о существовании хотя бы одной ИСО в изотропном пространстве приводит к выводу о существовании бесконечного множества таких систем, движущихся друг относительно друга со всевозможными постоянными скоростями. Если ИСО существуют, то пространство будет однородным и изотропным, а время — однородным; согласно теореме Нётер, однородность пространства относительно сдвигов даст закон сохранения импульса, изотропность приведёт к сохранению момента импульса, а однородность времени — к сохранению энергии движущегося тела.

Связь с реальными системами отсчёта

$2\cdot10^<-10></p> <p>Абсолютно инерциальные системы представляют собой математическую абстракцию, естественно, в природе не существующую. Однако существуют системы отсчёта, в которых относительное ускорение достаточно удалённых друг от друга тел (измеренное по эффекту Доплера) не превышает 10 −10 м/с², например, Международная небесная система координат в сочетании с Барицентрическим динамическим временем дают систему, относительные ускорения в которой не превышают 1,5·10 −10 м/с² (на уровне 1σ) [3] . Точность экспериментов по анализу времени прихода импульсов от пульсаров, а вскоре — и астрометрических измерений, такова, что в ближайшее время должно быть измерено ускорение Солнечной системы при её движении в гравитационном поле Галактики, которое оценивается в$
м/с² [4] .

С разной степенью точности и в зависимости от области использования инерциальными системами можно считать системы отсчёта, связанные с: Землёй, Солнцем, неподвижные относительно звезд.

Геоцентрическая инерциальная система координат

Применение Земли в качестве ИСО, несмотря на приближённый его характер, широко распространено в навигации. Инерциальная система координат, как часть ИСО строится по следующему алгоритму. В качестве точки O- начала координат выбирается центр земли в соответствии с принятой её моделью. Ось z – совпадает с осью вращения земли. Оси x и y находятся в экваториальной плоскости. Следует заметить, что такая система не участвует во вращении Земли.

Читайте также: