Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Естествознание arrow Общая физика
Посмотреть оригинал

Динамика

Первый закон Ныбтона. Инерциальные системы отсчета

Динамика занимается изучением движения материальных тел, обладающих массой, под действием приложенных к ним сил (случаи, когда равнодействующая всех сил равна нулю, рассматривает статика).

До сих пор молчаливо предполагалось, что все величины кинематические рассматриваются в неподвижной относительно также неподвижного пространства системе координат, которая, выбирается произвольно. Однако от этого выбора зависят величина и ориентация радиус-вектора рассматриваемой точки или тела. Кроме того, если одна из систем отсчета движется относительно другой, то возникают дополнительные эффекты, связанные с этим движением. Эти вопросы являются предметом теории относительности, рассматривающей связь между физическими законами в системах отсчета, движущихся друг относительно друга.

Классическая теория относительности основана на постулатах Г. Галилея и И. Ньютона[1]. Отличительной ее чертой является разделение понятий пространства и времени и векторное сложение скоростей. Законы классической теории относительности отвечают повседневным представлениям об изотропном и однородном пространстве (все направления эквивалентны и метрика всюду постоянна — метр везде метр) и независимости интервалов времени от системы отсчета (один час в Москве по продолжительности равен одному часу в Нью- Йорке и т.п.). Оказалось, что эта теория и законы из нее следующие, прекрасно оправдываются при анализе движений материальных тел со скоростями и, не сопоставимыми со скоростью с света в вакууме (о << с) в любой выбранной системе отсчета.

Вообще же говоря, одно и то же физическое явление в различных системах отсчета описывается по-разному. Возникает желание отыскать одну систему отсчета, в которой законы того или иного явления природы выглядели бы наиболее просто. Более того, интересно было бы найти в окружающем нас мире такую систему отсчета или точку в пространстве, которая покоилась бы, и по отношению к которой можно было бы рассматривать всякое движение. Можно ли это сделать? Для ответа на этот вопрос проанализируем простейший вид движения — свободное движение тела постоянной массы. Свободным телом называется тело, настолько удаленное от всех остальных тел, что их силовое воздействие на данное тело пренебрежимо мало. Такое тело (или состояние тела) и такое движение является, конечно, физической абстракцией, ибо его невозможно реализовать в полной мере. Однако эта модель в развитии физики — от Аристотеля[2] до Галилея и Ньютона — сыграла очень важную роль.

Не испытывая никаких внешних воздействий, свободное тело должно двигаться прямолинейно и равномерно. Это реализуется, однако, не во всех системах отсчета, а только в тех, которые относятся к числу инерциальных систем. Инерциальной называется такая система отсчета, в которой свободное движение тела с постоянной массой происходит с неизменной по величине и направлению скоростью, либо в этой системе данное тело покоится[3].

Само существование инерциальных систем отсчета есть следствие определенных свойств пространства и времени, а именно однородности и изотропности пространства и однородности времени. Однородность пространства и времени означает эквивалентность всех положений свободного тела в пространстве во все моменты времени, а изотропность — эквивалентность различных направлений в нем. Поэтому можно дать иное определение инерциальной системы отсчета: система отсчета, по отношению к которой пространство однородно и изотропно, а время однородно, называется инерциальной.

Утверждение о существовании инерциальных систем отсчета как систем, в которых свободное движение тела описывается прямолинейным и равномерным движением, составляет содержание закона инерции, свободное тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока другое тело не выведет его из этого состояния. Закон инерции был введен Ньютоном в систему основных законов динамики и получил название первого закона динамики, или первого закона Ньютона.

Может показаться, что, отыскав инерциальную систему отсчета, можно найти ту единственную и «на самом деле» неподвижную систему отсчета, относительно которой и происходит «в действительности» всякое движение тел во Вселенной. Но это не так, ибо инерциальных систем отсчета существует бесчисленное множество. Убедимся в этом путем простого рассуждения. Пусть две системы отсчета движутся друг относительно друга равномерно и прямолинейно, причем известно, что одна из них является инерциальной. Утверждаем, что и другая система также будет инерциальной. Действительно, тело, находящееся в состоянии движения с постоянной скоростью в первой системе отсчета (о которой мы знаем, что она инерциальная), будет двигаться равномерно и прямолинейно и во второй системе отсчета (правда, с другой скоростью), но тогда и вторая система отсчета также будет инерциальной. Таким образом, всякая система отсчета, движущаяся прямолинейно и равномерно относительно некоторой инерциальной системы, также является инерциальной.

  • [1] Галилео Галилей (1564—1642) — итальянский ученый, основатель экспериментальнойфизики. Исаак Ньютон (1643—1727) английский физик и математик, основоположникклассической (ньютоновской) механики.
  • [2] Аристотель (384—322 в. до н. э.) — древнегреческий философ, заложивший основынаучного естествознания.
  • [3] Очевидно, что основанное на представлении об идеальном свободном теле понятиеинерциальной системы также является физической идеализацией. То есть системы отсчета, в которой тело, обладающее массой, движется с заданной постоянной скоростьюили покоится, строго говоря, в природе не существует.
 
Посмотреть оригинал
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы