فیلسوفان باستان سعی می کردند جوهر حرکت را درک کنند تا تأثیر ستارگان و خورشید را بر شخص آشکار کنند. علاوه بر این، مردم همیشه سعی کرده اند نیروهایی را که بر روی یک نقطه مادی در فرآیند حرکت آن و همچنین در لحظه استراحت اثر می کنند، شناسایی کنند.
ارسطو معتقد بود که در غیاب حرکت، بدن تحت تأثیر هیچ نیرویی قرار نمی گیرد. بیایید سعی کنیم دریابیم که کدام چارچوب های مرجع اینرسی نامیده می شوند، نمونه هایی از آنها را بیان می کنیم.
حالت استراحت
در زندگی روزمره تشخیص چنین شرایطی دشوار است. تقریباً در تمام انواع حرکت های مکانیکی، وجود نیروهای خارجی فرض می شود. دلیل آن نیروی اصطکاک است که به بسیاری از اجسام اجازه نمی دهد از موقعیت اصلی خود خارج شوند و از حالت سکون خارج شوند.
با در نظر گرفتن نمونه هایی از سیستم های مرجع اینرسی، توجه می کنیم که همه آنها با قانون 1 نیوتن مطابقت دارند. تنها پس از کشف آن می‌توان وضعیت استراحت را توضیح داد و نیروهایی را که در این حالت بر بدن وارد می‌کنند، نشان داد.
فرمول قانون اول نیوتن
در تفسیر مدرن، او وجود سیستم های مختصاتی را توضیح می دهد که نسبت به آنها می توان عدم وجود نیروهای خارجی را که بر روی یک نقطه مادی اثر می کنند در نظر گرفت. از دیدگاه نیوتن، سیستم های مرجع اینرسی نامیده می شوند، که به ما اجازه می دهد بقای سرعت بدن را در مدت طولانی در نظر بگیریم.
تعریف
کدام چارچوب های مرجع اینرسی هستند؟ نمونه هایی از آنها در دوره فیزیک مدرسه مطالعه می شود. سیستم های مرجع اینرسی آنهایی در نظر گرفته می شوند که نقطه مادی با توجه به آنها با سرعت ثابت حرکت می کند. نیوتن تصریح کرد که هر جسمی می تواند در وضعیت مشابهی قرار داشته باشد تا زمانی که نیازی به اعمال نیروهایی به آن نباشد که بتواند چنین حالتی را تغییر دهد.
در واقعیت، قانون اینرسی در همه موارد برآورده نمی شود. با تجزیه و تحلیل نمونه هایی از چارچوب های مرجع اینرسی و غیر اینرسی، فردی را در نظر بگیرید که در یک وسیله نقلیه در حال حرکت روی نرده ها نگه داشته شده است. هنگامی که یک خودرو به شدت ترمز می کند، شخص به طور خودکار نسبت به وسیله نقلیه، علیرغم عدم وجود نیروی خارجی، حرکت می کند.
معلوم می شود که همه نمونه های چارچوب مرجع اینرسی با فرمول بندی قانون 1 نیوتن مطابقت ندارند. برای روشن شدن قانون اینرسی، یک تعریف دقیق از سیستم های مرجع ارائه شد که در آن به طور بی عیب و نقص برآورده شده است.
انواع سیستم های مرجع
چه سیستم های مرجع اینرسی نامیده می شوند؟ به زودی مشخص خواهد شد. «نمونه‌هایی از سیستم‌های مرجع اینرسی ارائه کنید که در آنها قانون نیوتن 1 برآورده شده است» -کار مشابهی برای دانش آموزانی که فیزیک را به عنوان امتحان در کلاس نهم انتخاب کرده اند ارائه می شود. به منظور کنار آمدن با کار، لازم است در مورد چارچوب های مرجع اینرسی و غیر اینرسی ایده ای داشته باشید.
اینرسی شامل حفظ استراحت یا حرکت مستقیم یکنواخت بدن تا زمانی است که بدن در انزوا است. اجسام "منزوی" آنهایی هستند که به هم متصل نیستند، برهم کنش ندارند، از یکدیگر جدا شده اند.
بیایید چند نمونه از چارچوب مرجع اینرسی را در نظر بگیریم. با فرض اینکه یک ستاره در کهکشان به عنوان یک چارچوب مرجع، به جای یک اتوبوس در حال حرکت باشد، اجرای قانون اینرسی برای مسافرانی که به ریل چسبیده اند بی عیب خواهد بود.
در طول ترمزگیری، این وسیله نقلیه به حرکت یکنواخت در یک خط مستقیم ادامه می دهد تا زمانی که توسط بدنه های دیگر تحت تأثیر قرار گیرد.
چه نمونه هایی از چارچوب مرجع اینرسی می توانید بیاورید؟ آنها نباید با بدن آنالیز شده ارتباط داشته باشند، بر اینرسی آن تأثیر بگذارند.
برای چنین سیستم هایی است که قانون اول نیوتن برآورده می شود. در زندگی واقعی، در نظر گرفتن حرکت بدن نسبت به چارچوب های مرجع اینرسی دشوار است. رسیدن به ستاره‌ای دور برای انجام آزمایش‌های زمینی از آن غیرممکن است.
زمین به عنوان سیستم های مرجع مشروط پذیرفته می شود، علیرغم این واقعیت که با اجسامی که روی آن قرار گرفته اند مرتبط است.
اگر سطح زمین را به عنوان قاب مرجع در نظر بگیریم، می توان شتاب را در قاب مرجع اینرسی محاسبه کرد. در فیزیک، هیچ رکورد ریاضی از قانون 1 نیوتن وجود ندارد، اما این او است که اساساشتقاق بسیاری از تعاریف و اصطلاحات فیزیکی.
نمونه‌هایی از فریم‌های مرجع اینرسی
دانش آموزان مدرسه گاهی اوقات درک پدیده های فیزیکی را دشوار می دانند. به دانش‌آموزان کلاس نهم محتوای زیر پیشنهاد می‌شود: «چه چارچوب‌های مرجع اینرسی نامیده می‌شوند؟ نمونه هایی از این گونه سیستم ها را ذکر کنید. فرض کنید گاری با توپ در ابتدا روی یک سطح صاف با سرعت ثابت حرکت می کند. سپس در امتداد شن حرکت می کند، در نتیجه، با وجود اینکه هیچ نیروی دیگری روی آن وارد نمی شود، توپ در حرکت شتابان قرار می گیرد (تأثیر کل آنها صفر است).
ماهیت آنچه اتفاق می افتد را می توان با این واقعیت توضیح داد که در حالی که در یک سطح شنی حرکت می کند، سیستم از اینرسی خارج می شود، سرعت ثابتی دارد. نمونه‌هایی از چارچوب‌های مرجع اینرسی و غیر اینرسی نشان می‌دهند که انتقال آنها در یک بازه زمانی مشخص رخ می‌دهد.
هنگامی که بدن شتاب می گیرد، شتاب آن مثبت است و هنگام ترمزگیری این رقم منفی می شود.
حرکت منحنی
نسبت به ستارگان و خورشید، حرکت زمین در امتداد یک خط سیر منحنی که شکل بیضی دارد انجام می شود. آن چارچوب مرجع، که در آن مرکز با خورشید هم تراز است و محورها به سمت ستارگان خاصی هدایت می شوند، اینرسی در نظر گرفته می شود.
توجه داشته باشید که هر چهارچوب مرجعی که در یک خط مستقیم و یکنواخت نسبت به هیلوسنتریک حرکت کند.سیستم اینرسی است حرکت منحنی با مقداری شتاب انجام می شود.
با توجه به این واقعیت که زمین حول محور خود حرکت می کند، چارچوب مرجع که با سطح آن در ارتباط است، نسبت به خورشید مرکزی با مقداری شتاب حرکت می کند. در چنین شرایطی می توان نتیجه گرفت که چارچوب مرجع که با سطح زمین در ارتباط است با شتابی نسبت به خورشید مرکزی حرکت می کند، بنابراین نمی توان آن را اینرسی در نظر گرفت. اما ارزش شتاب چنین سیستمی آنقدر ناچیز است که در بسیاری از موارد به طور قابل توجهی بر ویژگی های پدیده های مکانیکی در نظر گرفته شده نسبت به آن تأثیر می گذارد.
برای حل مسائل عملی با ماهیت فنی، مرسوم است که چارچوب مرجع را که به طور صلب با سطح زمین متصل است، اینرسی در نظر بگیرید.
نسبیت گالیله
همه چارچوب های مرجع اینرسی دارای ویژگی مهمی هستند که با اصل نسبیت توصیف می شود. ماهیت آن در این واقعیت نهفته است که هر پدیده مکانیکی تحت شرایط اولیه یکسان، بدون توجه به چارچوب مرجع انتخاب شده، به همان روش انجام می شود.
برابری ISO طبق اصل نسبیت در مفاد زیر بیان می شود:
- در چنین سیستم هایی، قوانین مکانیک یکسان است، بنابراین هر معادله ای که توسط آنها توصیف شود، بر حسب مختصات و زمان بیان شود، بدون تغییر می ماند.
- نتایج آزمایش‌های مکانیکی در حال انجام این امکان را فراهم می‌کند که مشخص شود آیا چارچوب مرجع در حالت سکون است یا اینکهحرکت یکنواخت مستقیم هر سیستمی را می‌توان به‌صورت مشروط به‌عنوان ثابت تشخیص داد، اگر سیستم دیگر در همان زمان نسبت به آن با سرعت معینی حرکت کند.
- معادلات مکانیک با توجه به تبدیل مختصات در مورد انتقال از یک سیستم به سیستم دیگر بدون تغییر باقی می مانند. شما می توانید یک پدیده را در سیستم های مختلف توصیف کنید، اما ماهیت فیزیکی آنها تغییر نخواهد کرد.
حل مشکل
نمونه اول.
تعیین کنید که آیا چارچوب اینرسی مرجع: الف) یک ماهواره مصنوعی زمین است. ب) جذابیت کودکان.
پاسخ. در مورد اول، بحث سیستم مرجع اینرسی مطرح نیست، زیرا ماهواره تحت تأثیر نیروی گرانش در مدار حرکت می کند، بنابراین حرکت با مقداری شتاب رخ می دهد.
جاذبه را نیز نمی توان یک سیستم اینرسی در نظر گرفت، زیرا حرکت چرخشی آن با مقداری شتاب رخ می دهد.
مثال دوم.
سیستم گزارش دهی به طور محکم با آسانسور متصل است. در چه شرایطی می توان آن را اینرسی نامید؟ اگر آسانسور: الف) سقوط کند. ب) به طور مساوی به سمت بالا حرکت می کند. ج) به سرعت بالا می رود د) به طور مساوی به سمت پایین هدایت می شود.
پاسخ. الف) در سقوط آزاد، شتاب ظاهر می شود، بنابراین چارچوب مرجع مرتبط با آسانسور اینرسی نخواهد بود.
b) با حرکت یکنواخت آسانسور، سیستم اینرسی است.
c) هنگام حرکت با مقداری شتاب، چارچوب مرجع اینرسی در نظر گرفته می شود.
د) آسانسور به آرامی حرکت می کند، شتاب منفی دارد، بنابراین نمی توانیدچارچوب مرجع را اینرسی صدا کنید.
نتیجه گیری
بشر در تمام دوران وجود خود در تلاش برای درک پدیده های رخ داده در طبیعت بوده است. تلاش هایی برای توضیح نسبیت حرکت توسط گالیله گالیله انجام شد. اسحاق نیوتن موفق به استخراج قانون اینرسی شد که به عنوان اصل اصلی در محاسبات در مکانیک مورد استفاده قرار گرفت.
در حال حاضر سیستم تشخیص موقعیت بدن شامل بدن، دستگاه تعیین زمان و همچنین سیستم مختصات می شود. بسته به حرکت یا ساکن بودن بدن، می توان موقعیت یک جسم خاص را در بازه زمانی مورد نظر مشخص کرد.
