Muinaiset filosofit yrittivät ymmärtää liikkeen olemusta, paljastaa tähtien ja auringon vaikutuksen ihmiseen. Lisäksi ihmiset ovat aina yrittäneet tunnistaa voimat, jotka vaikuttavat aineelliseen pisteeseen sen liikeprosessissa sekä lepohetkellä.
Aristoteles uskoi, että liikkeen puuttuessa kehoon eivät vaikuta voimat. Yritetään selvittää, mitä vertailukehyksiä kutsutaan inertiaaleiksi, annamme niistä esimerkkejä.
Lepotila
Arjessa tällaista tilaa on vaikea havaita. Melkein kaikissa mekaanisissa liikkeissä oletetaan ulkopuolisten voimien läsnäoloa. Syynä on kitkavoima, joka ei salli monien esineiden poistua alkuperäisestä asennostaan, poistua lepotilasta.
Ottaen huomioon esimerkkejä inertiaalisista referenssijärjestelmistä, huomaamme, että ne kaikki vastaavat Newtonin 1. lakia. Vasta sen löytämisen jälkeen oli mahdollista selittää lepotila, osoittaa tässä tilassa kehoon vaikuttavat voimat.
Newtonin 1. lain muotoilu
Nykyaikaisessa tulkinnassa hän selittää koordinaattijärjestelmien olemassaolon, joiden suhteen voidaan katsoa aineelliseen pisteeseen vaikuttavien ulkoisten voimien puuttumista. Newtonin näkökulmasta referenssijärjestelmiä kutsutaan inertiaaleiksi, joiden avulla voimme tarkastella kehon nopeuden säilymistä pitkän ajan kuluessa.
Määritelmät
Mitkä viitekehykset ovat inertiaalisia? Esimerkkejä niistä tutkitaan koulun fysiikan kurssilla. Inertiaaliset referenssijärjestelmät ovat sellaisia, joihin nähden materiaalipiste liikkuu vakionopeudella. Newton selvensi, että mikä tahansa kappale voi olla samanlaisessa tilassa niin kauan kuin siihen ei tarvitse kohdistaa voimia, jotka voivat muuttaa sellaista tilaa.
Todellisuudessa hitauslaki ei täyty kaikissa tapauksissa. Analysoitaessa esimerkkejä inertia- ja ei-inertiaalisista viitekehyksestä, harkitse henkilöä, joka pitää kiinni kaideista liikkuvassa ajoneuvossa. Kun auto jarruttaa jyrkästi, henkilö liikkuu automaattisesti suhteessa ajoneuvoon ulkoisen voiman puuttumisesta huolimatta.
On käynyt ilmi, etteivät kaikki esimerkit inertiaalisesta viitekehyksestä vastaa 1 Newtonin lain muotoilua. Hitauslain selventämiseksi otettiin käyttöön viitejärjestelmien tarkennettu määritelmä, jossa se on moitteettomasti täytetty.
Viitejärjestelmien tyypit
Mitä referenssijärjestelmiä kutsutaan inertiaaleiksi? Se selviää pian. "Anna esimerkkejä inertiavertailujärjestelmistä, joissa 1 Newtonin laki täyttyy" -samanlaista tehtävää tarjotaan koululaisille, jotka ovat valinneet fysiikan kokeeksi yhdeksännellä luokalla. Tehtävästä selviäminen edellyttää käsitystä inertiaalisista ja ei-inertiaalisista viitekehyksestä.
Inertiaan liittyy kehon levon tai tasaisen suoraviivaisen liikkeen säilyttäminen niin kauan kuin keho on eristyksissä. "Eristetyt" kappaleet ovat niitä, jotka eivät ole yhteydessä toisiinsa, eivät ole vuorovaikutuksessa, ovat irrotettuja toisistaan.
Katsotaanpa joitain esimerkkejä inertiaalisesta viitekehyksestä. Jos oletetaan galaksissa oleva tähti vertailukehyksenä liikkuvan linja-auton sijaan, hitauslain toteutuminen kiskoista kiinni pitäville matkustajille on virheetöntä.
Jarrutuksen aikana tämä ajoneuvo jatkaa tasaista suoraa kulkua, kunnes muut ruumiit vaikuttavat siihen.
Mitä esimerkkejä inertiaalisesta viitekehyksestä voit antaa? Niillä ei pitäisi olla yhteyttä analysoitavaan kehoon, vaikuttaa sen inertiaan.
Tällaisille järjestelmille Newtonin 1. laki täyttyy. Todellisessa elämässä on vaikeaa tarkastella kehon liikettä suhteessa inertiaalisiin viitekehyksiin. On mahdotonta päästä kaukaiseen tähteen suorittaakseen maanpäällisiä kokeita siitä.
Maapallo hyväksytään ehdollisiksi viitejärjestelmiksi huolimatta siitä, että se liittyy siihen asetettuihin esineisiin.
On mahdollista laskea kiihtyvyys inertiavertailukehyksessä, jos tarkastellaan Maan pintaa vertailukehyksenä. Fysiikassa ei ole matemaattista kirjaa Newtonin ensimmäisestä laista, mutta hän on perustanamonien fyysisten määritelmien ja termien johtaminen.
Esimerkkejä inertiaalisista viitekehyksestä
Oppilaiden on joskus vaikea ymmärtää fyysisiä ilmiöitä. Yhdeksäsluokkalaisille tarjotaan seuraavan sisällön tehtävä:”Mitä viitekehystä kutsutaan inertiaksi? Anna esimerkkejä tällaisista järjestelmistä. Oletetaan, että kärry, jossa on pallo, liikkuu aluksi tasaisella pinnalla tasaisella nopeudella. Sitten se liikkuu hiekkaa pitkin, minkä seurauksena pallo asettuu kiihdytettyyn liikkeeseen huolimatta siitä, että siihen ei vaikuta muita voimia (niiden kokonaisvaikutus on nolla).
Tapahtuman olemus voidaan selittää sillä, että hiekkaisella pinnalla liikkuessaan järjestelmä lakkaa olemasta inertiaa, sillä on vakionopeus. Esimerkit inertiaalisista ja ei-inertiaalisista viitekehyksestä osoittavat, että niiden siirtyminen tapahtuu tietyssä ajassa.
Kun runko kiihtyy, sen kiihtyvyydellä on positiivinen arvo, ja jarrutettaessa tämä luku muuttuu negatiiviseksi.
Kaareva liike
Suhteessa tähtiin ja aurinkoon Maan liike tapahtuu kaarevaa liikerataa pitkin, joka on ellipsin muotoinen. Sitä viitekehystä, jossa keskipiste on linjassa Auringon kanssa ja akselit on suunnattu tiettyihin tähtiin, pidetään inertiana.
Huomaa, että mikä tahansa vertailukehys, joka liikkuu suorassa linjassa ja tasaisesti suhteessa heliosentriseenjärjestelmä on inertiaalinen. Kaareva liike suoritetaan jollain kiihtyvyydellä.
Kun otetaan huomioon, että maapallo liikkuu akselinsa ympäri, sen pintaan liittyvä vertailukehys liikkuu heliosentriseen nähden jollain kiihtyvyydellä. Tällaisessa tilanteessa voidaan päätellä, että vertailukehys, joka on yhteydessä maan pintaan, liikkuu kiihtyvyydellä suhteessa heliosentriseen, joten sitä ei voida pitää inertiana. Mutta tällaisen järjestelmän kiihtyvyyden arvo on niin pieni, että monissa tapauksissa se vaikuttaa merkittävästi siihen nähden tarkasteltavien mekaanisten ilmiöiden erityispiirteisiin.
Teknisten käytännön ongelmien ratkaisemiseksi on tapana pitää maapallon pintaan jäykästi yhteydessä olevaa vertailukehystä inertiana.
Galilean suhteellisuusteoria
Kaikilla inertiaalisilla viitekehyksillä on tärkeä ominaisuus, jota kuvaa suhteellisuusperiaate. Sen olemus on siinä, että mikä tahansa mekaaninen ilmiö samoissa alkuolosuhteissa suoritetaan samalla tavalla valitusta viitekehyksestä riippumatta.
ISO:n tasa-arvo suhteellisuusperiaatteen mukaan ilmaistaan seuraavilla säännöksillä:
- Tällaisissa järjestelmissä mekaniikan lait ovat samat, joten kaikki niiden kuvaamat yhtälöt, jotka ilmaistaan koordinaatteina ja ajassa, pysyvät muuttumattomina.
- Mekaanisten kokeiden tulosten avulla on mahdollista määrittää, onko vertailukehys levossa vai tekeekö setasainen suoraviivainen liike. Mikä tahansa järjestelmä voidaan ehdollisesti tunnistaa paikallaan olevaksi, jos toinen samaan aikaan liikkuu suhteessa siihen tietyllä nopeudella.
- Mekaniikan yhtälöt pysyvät muuttumattomina koordinaattimuunnosten suhteen, kun siirrytään järjestelmästä toiseen. Voit kuvata samaa ilmiötä eri järjestelmissä, mutta niiden fyysinen luonne ei muutu.
Ongelmanratkaisu
Ensimmäinen esimerkki.
Määritä, onko inertiavertailu: a) Maan keinotekoinen satelliitti; b) lasten vetovoima.
Vastaa. Ensimmäisessä tapauksessa ei ole kyse inertiavertailujärjestelmästä, koska satelliitti liikkuu kiertoradalla painovoiman vaikutuksesta, joten liike tapahtuu jollain kiihtyvyydellä.
Voevoimaa ei myöskään voida pitää inertiajärjestelmänä, koska sen pyörimisliike tapahtuu jollain kiihtyvyydellä.
Toinen esimerkki.
Raportointijärjestelmä on tiukasti yhteydessä hissiin. Missä tilanteissa sitä voidaan kutsua inertiaksi? Jos hissi: a) putoaa; b) liikkuu tasaisesti ylöspäin; c) nousee nopeasti d) tasaisesti alaspäin.
Vastaa. a) Vapaassa pudotuksessa ilmaantuu kiihtyvyys, joten hissiin liittyvä vertailukehys ei ole inertiaalinen.
b) Kun hissi liikkuu tasaisesti, järjestelmä on inertiaalinen.
c) Kun liikutaan jollakin kiihtyvyydellä, viitekehystä pidetään inertiana.
d) Hissi liikkuu hitaasti, sillä on negatiivinen kiihtyvyys, joten et voikutsua viitekehystä inertiaksi.
Johtopäätös
Ihmiskunta on koko olemassaolonsa ajan yrittänyt ymmärtää luonnossa esiintyviä ilmiöitä. Galileo Galilei yritti selittää liikkeen suhteellisuutta. Isaac Newton onnistui johtamaan hitauslain, jota alettiin käyttää pääpostulaattina mekaniikan laskelmissa.
Tällä hetkellä kehon asennon tunnistusjärjestelmä sisältää kehon, kellonajan määrityslaitteen sekä koordinaattijärjestelmän. Riippuen siitä, onko keho liikkumassa vai paikallaan, on mahdollista karakterisoida tietyn kohteen sijainti halutulla ajanjaksolla.
