mozok.click » Podręczniki w języku polskim » Fizyka » Inercjialne układy odniesienia. Pierwsza zasada newtona
Інформація про новину
  • Переглядів: 233
  • Автор: admin
  • Дата: 29-03-2018, 03:22
29-03-2018, 03:22

Inercjialne układy odniesienia. Pierwsza zasada newtona

Категорія: Podręczniki w języku polskim » Fizyka

Już wspominaliśmy o genialnym angielskim uczonym tsaaku Newtonie (1642-1727). Dzięki swoim wynalazkom został nawet mianowany na lorda i otrzymał tytuł rycerza. „Dla niego natura była otwartą księgą, którą czytał bez wysiłku" - pisał o nim A. Einstein (1879-1955). W traktacie „Matematyczne podstawy filozofii przyrody" (1687 r.). Newton sformułował „prawa ruchu" - zwane obecnie zasadami Newtona. O pierwszej zasadzie Newtona dowiesz się w tym paragrafie.

Przypomnijmy prawo bezwładności (inercji)

Przypomnijmy z kursu fizyki 7. klasy, przy jakich warunkach ciało znajduje się w stanie spokoju lub porusza się ruchem jednostajnie prostoliniowym. Z pewnością pamiętacie prawo dynamiki, które w końcu XVI w. metodą doświadczalną odkrył włoski uczony Galileo Galilei (Galileusz) (1564-1642):

Ciało porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym lub spoczywa, jeżeli jest ono izolowane (to znaczy, że nie działają na niego inne ciała lub gdy działania innych ciał wzajemnie się równoważą (rys. 30.1, 30.2).



 

Jak uważasz, czy statek kosmiczny, znajdujący się daleko od gwiazd, po wyłączeniu silników będzie się nadal poruszał? Jeżeli będzie się poruszał, to w jaki sposób?

Poznajemy inercjalne układy odniesienia

Zjawisko zachowania prędkości ciała lub ruchu jednostajnie prostoliniowego, gdy nie działają na nie żadne inne ciała i pola lub działania innych ciał równoważą się, nazywamy bezwładnością (inercją).


 

Jednak stany ruchu i spokoju zależą od wyboru układu odniesienia (UO). Czy w każdym UO obserwujemy zjawisko bezwładności?

Wyobraź sobie, że znajdujesz się w przedziale pociągu, stojącego na peronie. W przedziale na stoliku leży piłeczka. Na tę piłeczkę działają dwa ciała: Ziemia i stolik. Działania Ziemi i stolika wzajemnie się równoważą i piłeczka znajduje się w stanie spokoju. Jednak w momencie, gdy pociąg

zaczyna poruszać się z prędkością piłeczka zaczyna toczyć się po stole w kierunku przeciwnym do ruchu pociągu. To znaczy, że pozostając nieruchomą względem peronu, względem pociągu zaczyna się ona poruszać z przyspieszeniem (rys. 30.3). więc względem UO, związanego z pociągiem, rozpoczynającym poruszanie się z prędkością, zjawisko bezwładności nie obserwuje się (działania Ziemi i stolika na piłeczkę równoważą się, ale ona nie zachowuje swojej prędkości).

Układ odniesienia, względem którego zjawiska inercji nie obserwujemy, nazywamy nieiner-cjalnym układem odniesienia.

Układ odniesienia, względem którego obserwuje się zjawisko inercji, nazywamy inercjalnym układem odniesienia.

Dalej, jeżeli nie będzie specjalnych wskazówek, będziemy stosować tylko inercjalne układy odniesienia UO.

Za inercjalny uznaje się UO, związany z punktem na powierzchni Ziemi. Lecz układ ten można uważać za inercjalny tylko pozornie, ponieważ Ziemia obraca się wokół swojej osi. Do bardziej dokładnych pomiarów należy wykorzystywać, na przykład inercjalny UO, związany ze Słońcem, — heliocentrycznym układem odniesienia (rys. 30.4).


 

Jeżeli znany jest nam chociażby jeden inercjalny UO, możemy wyznaczyć wiele innych. Ponieważ dowolny UO, poruszający się względem inercjalnego UO ruchem jednostajnie prostoliniowym, również jest inercjalny.

Na przykład, gdy ciało spoczywa lub porusza się z niezmienną prędkością względem Ziemi ruchem jednostajnie prostoliniowym, to względem pociągu, który porusza się względem Ziemi ze stałą prędkością, ciało również będzie poruszać się ruchem jednostajnie prostoliniowym (chociaż z inna prędkością).

Należy zauważyć, że w mechanice klasycznej* na skutek przejścia od jednego inercjalnego UO do drugiego prędkość ruchu, przemieszczenie oraz współrzędna ciała zmieniają się, natomiast siła, masa, przyspieszenie, czas ruchu oraz odległość pomiędzy ciałami zostają niezmienne.

* Mechanika klasyczna bada ruch ciał, prędkość ruchu których jest o wiele mniejsza od prędkości rozchodzenia się światła.

Formułujemy pierwszą zasadę Newtona

Prawo bezwładności Galileusza stało się pierwszym krokiem w ustalaniu głównych praw mechaniki klasycznej. I. Newton, formułując główne zasady ruchu ciał, nazwał tę zasadę pierwszą zasadą ruchu i brzmi ona tak: Jakiekolwiek dowolnie izolowane ciało spoczywa lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym dopóki nie będzie ono zmuszone zmienić ten stan pod wpływem działających na, niego sił.

Zwróćmy uwagę na następujące informacje.

1. Od wyboru UO zależy czy będzie poruszać się ciało ruchem jednostajnym, przyspieszonym czy będzie spoczywać.

2. W inercjalnym UO ciało porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym lub spoczywa nie tylko wtedy, gdy jest ono izolowane (czyli inne ciała na niego nie działają), lecz i w przypadku, gdy siły działające na ciało, równoważą się.

Uwzględniając powyższą informację, we współczesnej fizyce pierwsza zasada Newtona formułuje się w następujący sposób:

Istnieją układy odniesienia, względem których każde ciało izolowane porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym lub spoczywa, jeżeli nie działają na nie żadne inne siły lub działania na nie tych sił wzajemnie się równoważą.

Pierwsza zasada Newtona potwierdza zatem istnienie inercjalnych układów odniesienia.

Dowiadujemy się o zasadzie względności Galileusza

Obserwując ruch ciał w różnych inercjalnych UO, Galileusz doszedł do wniosku, który otrzymał nazwę zasady względności Galileusza:

We wszystkich inercjalnych układach odniesienia mechaniczne zjawiska i procesy zachodzą jednakowo przy jednakowych początkowych warunkach.

Galileusz pisał: „Jeżeli znajdując się w kajucie żaglowca, będziemy przeprowadzać dowolne doświadczenia, wtedy ani same doświadczenia, ani ich wyniki nie będą się odróżniać od tych, które przeprowadzalibyśmy na lądzie. I tylko po przejściu na kadłub zobaczymy, że nasz statek porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym...”

Również możesz ustalić zasadę względności, jeżeli, na przykład, przeprowadzisz szereg doświadczeń w wagonie pociągu, który porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym. Zatem filiżanka stojąca na stole będzie znajdowała się w stanie spokoju, natomiast rzucona łyżeczka będzie spadała, względem wagonu, pionowo w dół (rys. 30.5).

Podsumowanie

Ciało porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym lub spoczywa wyłącznie wtedy, gdy nie działają na nie żadne inne ciała i pola lub, gdy ich działania wzajemnie się równoważą, - jest to współczesna definicja prawa bezwładności, doświadczalnie ustalona przez Galileusza. We współczesnej fizyce zasada ta nazywana jest pierwszą zasadą Newtona i brzmi następująco: istnieją takie UO, względem których ciało spoczywa lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym, jeżeli nie działają na nie inne siły lub działania tych sił wzajemnie równoważą się. Takie układy odniesienia nazywamy inercjalnymi.

Zwykle wykorzystywane są inercjalne UO, związane z Ziemią. Dowolny UO, poruszający się względem inercjalnego UO ruchem jednostajnym prostoliniowym, też jest inercjalny.

Pytania kontrolne

1. W jakich warunkach ciało zachowuje prędkość ruchu? Podaj przykłady. 2. Sformułuj prawo bezwładności. 3. Jakie UO nazywamy inercjalnymi? nieinercjalnymi? Podaj przykłady takich układów. 4. Sformułuj pierwszą zasadę Newtona. Co ona postuluje? *5. Sformułuj zasadę względności Galileusza.

Ćwiczenie nr 30

1. Siedzisz w krześle - zarówno ty, jak i krzesło znajdujecie się w stanie spoczynku względem Ziemi. Jakie ciała działają na krzesło? na ciebie? Co możesz powiedzieć o tych działaniach?

2. Wioślarze, siedzący w łodzi próbują zmusić łódź poruszać się pod prąd, lecz łódź znajduje się w stanie spoczynku względem brzegu. Działania jakich sił równoważą się w tym przypadku?

Kot leży na stole (patrz rys. 30.1). Czy będzie związany z nim UO inercjalny? Czy będzie inercjalnym UO związany z pajączkiem, który równomiernie opuszcza się z sufitu na pajęczynie? Czy będzie inercjalnym UO związany z myszą, która zauważyła kota i hamuje swój ruch? Wytłumacz swoje odpowiedzi.

4. Na rys. 1 przedstawiono kilka ciał. 1) Z jakim ciałem powiążesz UO, aby był on inercjalny? nieinercjalny? Uzasadnij odpowiedź. 2) Jaka będzie w tym momencie prędkość ruchu psa w UO związanym z pieszym; w UO związanym z ciężarówką? 3) Jakie będzie przyspieszenie ruchu samochodu w UO związanym z drzewem; w UO związanym z pieszym?

5. Za pomocą dodatkowych źródeł informacji dowiedz się, dlaczego Galileusz uważany jest za założyciela eksperymentalno-matematycznej metody.

6. Na rys. 2 przedstawiono dwa ciała i siły, działające na nie (1 kratka - 1 N). Wyznacz kierunek i wartość bezwzględną wypadkowej sił, działających na każde ciało.

 

 

Źródło: Fizyka podręcznik dla klasy 9 Barjachtar

 






^