Інерційні системи відліку

Перший закон Ньютона формулюється так: тіло, несхильність зовнішніх впливів, або знаходиться в спокої, або рухається прямолінійно і рівномірно. Таке тіло називається вільним, а його рух – вільним рухом або рухом по інерції. Властивість тіла зберігати стан спокою або рівномірного прямолінійного руху при відсутності впливу на нього інших тіл називається інерцією. Тому перший закон Ньютона називають законом інерції. Вільних тіл, строго кажучи, не існує. Однак природно припустити, що чим далі частинка знаходиться від інших матеріальних об’єктів, тим менший вплив вони на неї чинять. Уявивши собі, що ці дії зменшуються, ми і приходимо в межі до поданням про вільний тілі і вільному русі.
Експериментально перевірити припущення про характер руху вільної частинки неможливо, оскільки не можна абсолютно достовірно встановити факт відсутності взаємодії. Можна лише з певним ступенем точності змоделювати цю ситуацію, використовуючи експериментальний факт зменшення взаємодії між віддаленими тілами. Узагальнення ряду експериментальних фактів, а також збіг випливають із закону наслідків з досвідченими даними доводять його справедливість. При русі тіло тим довше зберігає свою швидкість, чим слабкіше на нього діють інші тіла; наприклад, що ковзає по поверхні камінь тим довше рухається, чим рівніше ця поверхня, тобто чим менше вплив на нього цієї поверхні.
Приклад
Механічний рух відносно, і його характер залежить від системи відліку. У кінематиці вибір системи відліку ні істотним. Не так йде справа в динаміці. Якщо в будь-якій системі відліку тіло рухається прямолінійно і рівномірно, то в системі відліку, що рухається щодо першої прискорено, цього вже не буде. Звідси випливає, що закон інерції не може бути справедливим у всіх системах відліку. Класична механіка постулює, що існує система відліку, в якій всі вільні тіла рухаються прямолінійно і рівномірно. Така система відліку називається інерціальній системою відліку (ІСО). Зміст закону інерції, по суті, зводиться до твердження, що існують такі системи відліку, в яких тіло, не піддане зовнішніх впливів, рухається рівномірно і прямолінійно або покоїться.

Встановити, які системи відліку є інерційних, а які – неінерційній, можна тільки досвідченим шляхом. Припустимо, наприклад, що мова йде про рух зірок та інших астрономічних об’єктів у доступній нашому спостереженню частини Всесвіту. Виберемо систему відліку, в якій Земля вважається нерухомою (таку систему ми будемо називати земної). Чи буде вона інерціальній?

В якості вільного тіла можна вибрати зірку. Дійсно, кожна зірка, зважаючи на її величезної віддаленості від інших небесних тіл, є практично вільним тілом. Однак в земній системі відліку зірки роблять добові обертання на небосхилі, а отже, рухаються з прискоренням, спрямованим до центру Землі. Таким чином, рух вільного тіла (зірки) у земній системі відліку відбувається по колу, а не по прямій лінії. Воно не підкоряється закону інерції, тому земна система відліку НЕ БУДЕ інерціальній.
Отже, для вирішення поставленого завдання треба перевірити на інерціальній інші системи відліку. Виберемо як тіла відліку Сонце. Така система відліку називається геліоцентричної системою відліку, або системою Коперника. Координатними осями пов’язаної з нею системи координат є прямі, спрямовані на три віддалені зірки, що не лежать в одній площині (рис. 2.1).
Таким чином, при вивченні рухів, що відбуваються в масштабі нашої планетної системи, а також будь-якої іншої системи, розміри якої малі в порівнянні з відстанню до тих трьох зірок, які в системі Коперника обрані в якості опорних, система Коперника практично є інерціальній системою відліку.
Приклад
Неінерційній земної системи відліку пояснюється тим, що Земля обертається навколо власної осі і навколо Сонця, тобто рухається прискорено щодо системи Коперника. Так як обидва ці обертання відбуваються повільно, то по відношенню до величезного кола явищ земна система веде себе практично як інерціальна система. Ось чому встановлення основних законів динаміки можна почати з вивчення руху тіл відносно Землі, відволікаючись від її обертання, тобто прийняти Землю за приблизно ІСО.

Посилання на основну публікацію