Neinertni referenčni okvir: definicija, primeri

Vsi referenčni sistemi so razdeljeni na inercialne in neinertične. Inertni referenčni okvir je osnova Newtonove mehanike. Značilno je za enotno pravocrtno gibanje in stanje mirovanja. Ne-inercialni referenčni okvir je povezan s pospešenim gibanjem po drugi poti. To gibanje je opredeljeno glede na inercialne referenčne sisteme. Neinertni referenčni okvir je povezan z učinki, kot so inercijska sila, centrifugalna sila in Coriolisova sila.

Vsi ti procesi nastanejo kot posledica gibanja in ne interakcije med telesi. Newtonovi zakoni v ne-inercialnih referenčnih sistemih pogosto ne delujejo. V takih primerih se klasični zakoni mehanike dodajo spremembe. Pri razvoju tehničnih proizvodov in mehanizmov, vključno s tistimi, kjer je rotacija prisotna, se upoštevajo sile zaradi neinertnega gibanja. V življenju se srečamo z njimi, se premikamo v dvigalu, se vozimo na vrtiljaku, opazujemo vreme in tok rek. Upoštevani so pri izračunu gibanja vesoljskega plovila.

Inercialni in ne-inercialni referenčni sistemi

Inercialni referenčni sistemi niso vedno primerni za opis gibanja teles. V fiziki obstajajo dve vrsti referenčnih sistemov: inercialni in ne-inercialni referenčni sistemi. V skladu z mehaniko Newtona je lahko vsako telo v stanju počitka ali enakomernega in pravokotnega gibanja, razen v primerih, ko na telo deluje zunanji vpliv. Takšno enakomerno gibanje se imenuje inercialno gibanje.

Inercialno gibanje (inercialni referenčni sistemi) je osnova Newtonove mehanike in Galilejevega dela. Če se zvezde štejejo za fiksne objekte (kar pravzaprav ni ravno tako), bodo vsi predmeti, ki se gibljejo glede na njih enakomerno in neposredno, oblikovali inercialne referenčne sisteme.

Za razliko od inercialnih referenčnih sistemov se ne-inercialni sistem premika glede na določeno z določenim pospeškom. V tem primeru uporaba Newtonovih zakonov zahteva dodatne spremenljivke, sicer bo sistem neustrezno opisal. Da bi odgovorili na vprašanje, kateri referenčni sistemi se imenujejo ne-inercialni, je vredno razmisliti o primeru neinertnega gibanja. To gibanje je rotacija naših in drugih planetov.

Gibanje v ne-inercialnih referenčnih sistemih

Kopernik je bil prvi, ki je pokazal, kako težko je gibanje, če v njem sodeluje več sil. Pred njim je verovalo, da se Zemlja premika sama po sebi, v skladu z Newtonovimi zakoni, zato je njeno gibanje inercialno. Vendar pa je Kopernik dokazal, da se Zemlja vrti okoli Sonca, kar pomeni, da pospeši gibanje glede na pogojno mirujoč objekt, ki je lahko zvezda.

Torej obstajajo različni referenčni sistemi. Neinertni klic le tisti, kjer je pospešeno gibanje, ki je definirano glede na inercialni sistem.

Zemlja kot referenčni sistem

Ne-inercialni referenčni okvir, primere katerega obstoj najdemo skoraj povsod, je značilen za telesa s kompleksno potjo gibanja. Zemlja se vrti okoli sonca, kar ustvarja karakteristiko pospešenega gibanja ne-inercialnih referenčnih sistemov. Vendar pa je v vsakdanji praksi vse, kar se srečujemo na Zemlji, povsem skladno z Newtonovimi postulati. Dejstvo je, da so popravki za neinertične gibe za referenčne sisteme, povezane z Zemljo, zelo majhni in za nas ne igrajo velike vloge. In Newtonove enačbe iz istega razloga se izkažejo za splošno poštene.

Foucaultovo nihalo

Vendar v nekaterih primerih ni potrebna nobena sprememba. Na primer, svetovno nihalo Foucault v katedrali Sankt Peterburga ne opravlja le linearnih nihanj, temveč tudi počasi obrne. Ta rotacija je posledica neinertnega gibanja Zemlje v vesolju.

Prvič je to postalo znano leta 1851 po poskusih francoskega znanstvenika L. Foucaulta. Sam eksperiment ni bil izveden v Petersburgu, ampak v Parizu, v veliki dvorani. Masa nihajne krogle je bila približno 30 kg, dolžina priključnega navoja pa je bila kar 67 metrov.

V tistih primerih, ko samo Newtonove formule za inercialni referenčni okvir ne zadostujejo za opis gibanja, dodajajo tako imenovane inercijske sile.

Lastnosti ne-inercialnega referenčnega sistema

Ne-inercialni referenčni sistem izvaja različne premike glede na inercial. Morda je gibanje naprej rotacija, kompleksna kombinirana gibanja. V literaturi je tudi najpreprostejši primer ne-inercialnega referenčnega sistema, kot je dvigalo s pospešenim gibanjem. Zaradi njegovega pospešenega gibanja čutimo, kako smo pritisnjeni na tla, ali, nasprotno, občutek je blizu breztežnosti. Newtonovi zakoni mehanike tega pojava ne morejo razložiti. Če boste sledili slavnemu fiziku, bo v vsakem trenutku enaka sila teže delovala na osebo v dvigalu, kar pomeni, da morajo biti občutki enaki, v resnici pa je vse drugače. Zato je treba po zakonih Newtona dodati dodatno silo, ki se imenuje sila vztrajnosti.

Inercijska sila

Sila vztrajnosti je dejanska sila, ki pa se po naravi razlikuje od sil, povezanih z interakcijo med telesi v prostoru. Upošteva se pri razvoju tehničnih struktur in aparatov ter igra pomembno vlogo pri njihovem delu. Inercijske sile se merijo na različne načine, na primer z dinamometrom. Neinertni referenčni sistemi niso zaprti, saj se vztrajnostne sile štejejo za zunanje. Sile inercije so objektivni fizični dejavniki in niso odvisne od volje in mnenja opazovalca.

Inercialni in ne-inercialni referenčni sistemi, ki jih lahko najdemo v učbenikih fizike, so delovanje inercijske sile, centrifugalne sile, Coriolisove sile, prenos gibalne količine iz enega telesa v drugo in druge.

Gibanje v dvigalu

Ne-inercialni referenčni sistemi, inercialne sile se dobro manifestirajo med pospešenim vzponom ali spuščanjem. Če se dvigalo premika navzgor s pospeškom, potem nastajajoča inertna sila nagne osebo na tla, pri zaviranju pa se telo, nasprotno, zdi lažje. V smislu manifestacij je sila vztrajnosti v tem primeru podobna težnost vendar ima zelo drugačno naravo. Gravitacija je gravitacija, ki je povezana z interakcijo med telesi.

Centrifugalna sila

Sile v ne-inercialnih referenčnih sistemih so lahko centrifugalne. Takšno silo je treba uvesti iz istega razloga kot vztrajnostna sila. Živopisan primer delovanja centrifugalnih sil - vrtenje na vrtiljaku. Medtem ko stojnica stremi k temu, da osebo zadrži v svoji "orbiti", sila vztrajnosti povzroči, da telo pritisne na zunanji del stola. Ta konfrontacija se izraža v pojavu takšnega pojava, kot je centrifugalna sila.

Coriolisova sila

Učinek te sile je dobro znan iz primera rotacije Zemlje. Lahko jo imenujete sila le pogojno, ker ni. Bistvo njenega delovanja je, da se med rotacijo (npr. Zemlje) vsaka točka sferičnega telesa premika v krogu, medtem ko se predmeti, ki so odtrgani od Zemlje, idealno premikajo naravnost (kot telo, ki prosto pluje v prostoru). Ker je črta zemljepisne širine trajektorija vrtenja točk na zemeljski površini in ima obliko obroča, začnejo vsa telesa, ki so ločena od nje in se najprej gibljejo vzdolž te črte, gibljejo linearno, vse bolj in bolj oddaljena od nje v smeri nižjih zemljepisnih širin.

Druga možnost je, ko se telo sproži v smeri meridianov, toda zaradi rotacije Zemlje, z vidika zemeljskega opazovalca, gibanje telesa ne bo več strogo meridiansko.

Coriolisova sila ima velik vpliv na razvoj atmosferskih procesov. Pod njenim vplivom voda udari po vzhodnem bregu rek, ki teče po meridianski smeri in jo postopoma erodira, kar vodi do videza klifov. Nasprotno, na zahodu so padavine deponirane, zato je med poplavami bolj nežna in pogosto poplavljena z vodo. Res je, da to ni edini razlog, da je ena stran reke višja od druge, vendar je v mnogih primerih prevladujoča.

Coriolisova sila ima tudi eksperimentalne dokaze. Dobila ga je nemški fizik F. Reich. V poskusu so telesa padla z višine 158 m. Izvedenih je bilo 106 takih poskusov. Ko je telo padlo, so odstopale od ravne (z vidika zemlje opazovalca) krivulje za približno 30 mm.

Inercialni referenčni sistemi in teorija relativnosti

Posebna teorija relativnosti Einstein je nastal v povezavi z inercialnimi referenčnimi sistemi. Tako imenovani relativistični učinki bi se morali po tej teoriji pojaviti v primeru zelo velikih hitrosti telesa glede na "stacionarnega" opazovalca. Vse formule posebne teorije relativnosti so tudi naslikane za enakomerno gibanje, značilno za inercialni referenčni sistem. Prvi postulat te teorije potrjuje enakovrednost vseh inercialnih referenčnih sistemov, to pomeni, da se predpostavlja odsotnost posebnih namenskih sistemov.

To pa vzbuja dvom o možnosti preverjanja relativističnih učinkov (kot tudi samega dejstva njihovega obstoja), kar je pripeljalo do pojava takšnega pojava kot dvojni paradoks. Ker so referenčni sistemi, povezani z raketo in Zemljo, v bistvu enaki v pravicah, bodo učinki časovne dilatacije v paru Zemlja-Raketa odvisni le od tega, kje je opazovalec. Torej, za opazovalca na raketi, bi moral čas na Zemlji počasnejši in za osebo na našem planetu, nasprotno, na raketo bi morala iti počasneje. Posledica tega je, da bo dvojnik, ki bo ostal na Zemlji, videti mlajšega brata, in tisti, ki je bil v raketi, ko je letel, naj bi videl mlajšega od tistega, ki je ostal na Zemlji. Jasno je, da je to fizično nemogoče.

Da bi lahko opazovali relativistične učinke, potrebujemo nekakšen poseben, namenski referenčni okvir. Na primer, predpostavlja se, da opazimo relativistično povečanje življenjske dobe mionov, če se gibljejo pri skoraj svetlobni hitrosti glede na Zemljo. To pomeni, da mora Zemlja (razen tega brez alternative) imeti lastnosti prednostnega, osnovnega referenčnega sistema, kar je v nasprotju s prvim postulatom SRT. Prednost je mogoča le, če je Zemlja središče vesolja, ki je skladno le s primitivno sliko sveta in v nasprotju s fiziko.

Ne-inercialni referenčni sistemi kot neuspešen način za razlago dvojnega paradoksa

Poskusi, da bi razložili prednost "zemeljskega" referenčnega okvira, nimajo vode. Nekateri znanstveniki to prednost pripisujejo faktorju vztrajnosti ene in neinertičnosti drugega referenčnega okvira. V tem primeru se referenčni sistem, povezan z opazovalcem na Zemlji, šteje za inercialen, kljub dejstvu, da je v fizikalni znanosti uradno priznan kot ne-inercialen (Detlaf, Yavorsky, tečaj fizike, 2000). To je prvi. Drugi je isto načelo enakosti vseh referenčnih sistemov. Torej, če vesoljsko plovilo zapusti Zemljo s pospeškom, potem z vidika opazovalca na sami ladji je statično, in Zemlja, nasprotno, odleti z naraščajočo hitrostjo.

Izkazalo se je, da je Zemlja sama poseben referenčni sistem, ali pa opazovani učinki imajo drugačno (ne-relativistično) razlago. Morda so procesi povezani s posebnostmi formuliranja ali interpretacije poskusov ali z drugimi fizičnimi mehanizmi opazovanih pojavov.

Zaključek

Tako ne-inercialni referenčni sistemi vodijo v pojav sil, ki niso našli svojega mesta v zakonih newtonske mehanike. Pri izračunu za ne-inercialne sisteme je obračunavanje teh sil obvezno, tudi pri razvoju tehničnih izdelkov.