Ejemplos de inercia y sistemas de referencia inerciales. ¿Qué marcos de referencia se denominan inerciales? Ejemplos de sistemas de referencia inerciales. Cual es el estado de reposo

Los filósofos antiguos intentaron comprender la esencia del movimiento, revelar el efecto de las estrellas y el Sol en una persona. Además, las personas siempre han intentado identificar las fuerzas que actúan sobre un punto material en el proceso de su movimiento, así como en el momento de reposo.

Aristóteles creía que en ausencia de movimiento, ninguna fuerza ejercía un efecto sobre el cuerpo. Intentemos averiguar qué marcos de referencia se denominan inerciales, daremos ejemplos de ellos.

Estado de reposo

En la vida cotidiana, es difícil identificar tal condición. En casi todos los tipos de movimiento mecánico, se supone la presencia de fuerzas extrañas. El motivo es la fuerza de fricción, que impide que muchos objetos abandonen su posición original, dejando el estado de reposo.

Considerando ejemplos de sistemas de referencia inerciales, observamos que todos corresponden a la ley de Newton. Solo después de su descubrimiento fue posible explicar el estado de reposo, indicar las fuerzas que actúan en este estado sobre el cuerpo.

Formulación 1 de la ley de Newton

En una interpretación moderna, explica la existencia de sistemas de coordenadas, en relación con los cuales se puede considerar la ausencia de fuerzas externas que actúan sobre un punto material. Desde el punto de vista de Newton, los marcos de referencia inerciales son aquellos que nos permiten considerar la conservación de la velocidad de un cuerpo durante mucho tiempo.

Definiciones

¿Qué marcos de referencia son inerciales? Ejemplos de ellos se estudian en el curso de física de la escuela. Tales marcos de referencia se consideran inerciales, en relación con los cuales un punto material se mueve a una velocidad constante. Newton aclaró que cualquier cuerpo puede estar en un estado similar siempre que no haya necesidad de aplicarle fuerzas que puedan cambiar ese estado.

En realidad, la ley de la inercia no se cumple en todos los casos. Al analizar ejemplos de sistemas de referencia inerciales y no inerciales, considere a una persona que se sujeta a los pasamanos de un vehículo en movimiento. Con un frenado brusco del automóvil, una persona se mueve automáticamente en relación con el vehículo, a pesar de la ausencia de una fuerza externa.

Resulta que no todos los ejemplos del sistema de referencia inercial corresponden a la formulación 1 de la ley de Newton. Para aclarar la ley de la inercia, se introdujo una lectura refinada, en la que se realiza sin problemas.

Tipos de sistemas de referencia

¿Qué marcos de referencia se denominan inerciales? Pronto se aclarará. "Dar ejemplos de sistemas de referencia inerciales en los que se cumple la ley de Newton". Se ofrece una tarea similar a los escolares que eligen física como examen en noveno grado. Para hacer frente a la tarea en cuestión, es necesario tener una idea de los marcos de referencia inerciales y no inerciales.

La inercia implica mantener el reposo o el movimiento rectilíneo uniforme del cuerpo mientras el cuerpo esté aislado. Los cuerpos que no están conectados, no interactúan y se separan entre sí se consideran "aislados".

Consideremos algunos ejemplos de un sistema de referencia inercial. Si consideramos una estrella en la galaxia como sistema de referencia, y no un autobús en movimiento, el cumplimiento de la ley de inercia para los pasajeros que se agarren a los pasamanos será impecable.

Durante el frenado, este vehículo continuará moviéndose en línea recta hasta que otros cuerpos actúen sobre él.

¿Qué ejemplos de marco de referencia inercial se pueden dar? No deben tener ninguna conexión con el cuerpo analizado, afectar su inercia.

Es para tales sistemas que se cumple la ley de Newton. En la vida real, es difícil considerar el movimiento de un cuerpo en relación con los marcos de referencia inerciales. Es imposible llegar a una estrella distante para realizar experimentos terrestres a partir de ella.

La Tierra se acepta como sistemas de referencia condicionales, a pesar de que está asociada a objetos colocados en ella.

Es posible calcular la aceleración en el marco de referencia inercial si se considera la superficie de la Tierra como marco de referencia. En física, no existe un registro matemático 1 de la ley de Newton, pero es él quien es la base para derivar muchas definiciones y términos físicos.

Ejemplos de sistemas de referencia inerciales

A veces, los escolares tienen dificultades para comprender los fenómenos físicos. A los estudiantes de noveno grado se les ofrece una tarea con el siguiente contenido: “¿Qué marcos de referencia se llaman inerciales? Dé ejemplos de tales sistemas ". Supongamos que el carro con la pelota se mueve inicialmente sobre una superficie plana con rapidez constante. Además, se mueve a lo largo de la arena, como resultado, la bola se pone en movimiento acelerado, a pesar de que otras fuerzas no actúan sobre ella (su efecto total es cero).

La esencia de lo que está sucediendo se puede explicar por el hecho de que mientras se mueve por una superficie arenosa, el sistema deja de ser inercial, tiene una velocidad constante. Los ejemplos de marcos de referencia inerciales y no inerciales indican que en un cierto período de tiempo se produce su transición.

Cuando la carrocería acelera, su aceleración tiene un valor positivo, y al frenar, este indicador se vuelve negativo.

Movimiento curvilíneo

En relación con las estrellas y el Sol, la Tierra se mueve a lo largo de una trayectoria curva que tiene la forma de una elipse. El marco de referencia en el que el centro está alineado con el Sol y los ejes están dirigidos a determinadas estrellas, se considerará inercial.

Tenga en cuenta que cualquier marco de referencia que se mueva rectilínea y uniformemente en relación con el marco heliocéntrico es inercial. El movimiento curvilíneo se realiza con cierta aceleración.

Teniendo en cuenta el hecho de que la Tierra se mueve alrededor de su eje, el marco de referencia, que está asociado con su superficie, se mueve con cierta aceleración en relación con el heliocéntrico. En tal situación, podemos concluir que el marco de referencia, que está asociado con la superficie de la Tierra, se mueve con aceleración en relación con el heliocéntrico, por lo que no puede considerarse inercial. Pero el valor de la aceleración de tal sistema es tan pequeño que en muchos casos afecta significativamente las características específicas de los fenómenos mecánicos considerados en relación con él.

Para resolver problemas prácticos de carácter técnico, se acostumbra considerar el marco de referencia inercial, que está rígidamente conectado con la superficie de la Tierra.

La relatividad de Galileo

Todos los sistemas de referencia inerciales tienen una propiedad importante, que se describe mediante el principio de relatividad. Su esencia radica en el hecho de que cualquier fenómeno mecánico en las mismas condiciones iniciales se lleva a cabo de la misma manera, independientemente del marco de referencia seleccionado.

La igualdad de ISO según el principio de relatividad se expresa en las siguientes disposiciones:

• En tales sistemas, son iguales, por lo tanto, cualquier ecuación descrita por ellos se expresa en términos de coordenadas y tiempo, permanece sin cambios.
• Los resultados de los experimentos mecánicos realizados permiten establecer si el marco de referencia estará en reposo o si realiza un movimiento uniforme rectilíneo. Cualquier sistema puede reconocerse condicionalmente como inmóvil si el otro se mueve con relación a él a una cierta velocidad.
• Las ecuaciones de la mecánica permanecen sin cambios con respecto a las transformaciones de coordenadas en el caso de una transición de un sistema al segundo. Es posible describir el mismo fenómeno en diferentes sistemas, pero su naturaleza física no cambiará en este caso.

Resolviendo problemas

Primer ejemplo.

Determine si el sistema de referencia inercial es: a) un satélite artificial de la Tierra; b) atracción infantil.

Respuesta. En el primer caso, no se trata de un marco de referencia inercial, ya que el satélite se mueve en órbita bajo la influencia de la gravedad, por tanto, el movimiento se produce con cierta aceleración.

Segundo ejemplo.

El sistema de informes está firmemente vinculado al ascensor. ¿En qué situaciones se le puede llamar inercial? Si el ascensor: a) se cae; b) se mueve uniformemente hacia arriba; c) aumenta rápidamente; d) dirigido uniformemente hacia abajo.

Respuesta. a) Durante la caída libre, aparece la aceleración, por lo que el marco de referencia que está asociado con el ascensor no será inercial.

b) Con movimiento uniforme del ascensor, el sistema es inercial.

c) Cuando se mueve con cierta aceleración, el marco de referencia se considera inercial.

d) El ascensor se mueve lentamente, tiene una aceleración negativa, por lo que el marco de referencia no puede llamarse inercial.

Conclusión

A lo largo de toda su existencia, la humanidad ha intentado comprender los fenómenos que ocurren en la naturaleza. Galileo Galilei intentó explicar la relatividad del movimiento. Isaac Newton logró derivar la ley de la inercia, que comenzó a utilizarse como postulado principal a la hora de realizar cálculos en mecánica.

En la actualidad, el sistema para determinar la posición del cuerpo incluye el cuerpo, el dispositivo para determinar el tiempo y también el sistema de coordenadas. Dependiendo de si el cuerpo es móvil o inamovible, es posible caracterizar la posición de un determinado objeto en el período de tiempo requerido.

La primera ley de Newton se formula de la siguiente manera: el cuerpo, no afectado por influencias externas, está en reposo o se mueve en línea recta y uniformemente... Tal cuerpo se llama gratis, y su movimiento es movimiento libre o movimiento por inercia. La propiedad de un cuerpo de mantener un estado de reposo o movimiento rectilíneo uniforme en ausencia del impacto de otros cuerpos sobre él se denomina inercia... Por lo tanto, la primera ley de Newton se llama ley de inercia. Estrictamente hablando, los cuerpos libres no existen. Sin embargo, es natural suponer que cuanto más lejos está una partícula de otros objetos materiales, menos impacto tienen sobre ella. Imaginando que estas influencias van disminuyendo, llegamos al límite de la idea de un cuerpo libre y de movimientos libres.

Es imposible verificar experimentalmente el supuesto sobre la naturaleza del movimiento de una partícula libre, ya que es imposible establecer con absoluta certeza el hecho de que no hay interacción. Solo es posible simular esta situación con cierto grado de precisión, utilizando el hecho experimental de una disminución en la interacción entre cuerpos distantes. La generalización de una serie de hechos experimentales, así como la coincidencia de las consecuencias derivadas de la ley con los datos experimentales, prueban su validez. Al moverse, el cuerpo retiene su velocidad cuanto más tiempo, más débiles otros cuerpos actúan sobre él; por ejemplo, una piedra que se desliza sobre una superficie se mueve más tiempo, cuanto más lisa es esta superficie, es decir, menor es el efecto de esta superficie sobre ella.

El movimiento mecánico es relativo y su naturaleza depende del marco de referencia. En cinemática, la elección del marco de referencia no fue fundamental. Este no es el caso de la dinámica. Si en cualquier marco de referencia el cuerpo se mueve rectilínea y uniformemente, entonces en el marco de referencia que se mueve con respecto al primero a una velocidad acelerada, este ya no será el caso. De ahí se sigue que la ley de la inercia no puede ser válida en todos los marcos de referencia. La mecánica clásica postula que existe un marco de referencia en el que todos los cuerpos libres se mueven en línea recta y uniforme. Dicho marco de referencia se denomina marco de referencia inercial (IFR). El contenido de la ley de la inercia, en esencia, se reduce a la afirmación de que existen tales marcos de referencia en los que un cuerpo, no sujeto a influencias externas, se mueve uniforme y rectilíneamente o está en reposo.

Es posible establecer qué marcos de referencia son inerciales y cuáles no inerciales, solo es posible empíricamente. Supongamos, por ejemplo, que estamos hablando del movimiento de estrellas y otros objetos astronómicos en la parte del Universo accesible a nuestra observación. Elijamos un marco de referencia en el que la Tierra se considere estacionaria (a ese marco lo llamaremos terrestre). ¿Será inercial?

Puedes elegir una estrella como cuerpo libre. De hecho, cada estrella, debido a su enorme distancia de otros cuerpos celestes, es prácticamente un cuerpo libre. Sin embargo, en el marco de referencia de la Tierra, las estrellas realizan rotaciones diarias en el firmamento y, por lo tanto, se mueven con una aceleración dirigida hacia el centro de la Tierra. Por lo tanto, el movimiento de un cuerpo libre (estrella) en el marco de referencia de la Tierra ocurre en un círculo y no en una línea recta. No obedece a la ley de la inercia, por lo que el marco de referencia de la tierra no será inercial.

Por lo tanto, para resolver el problema, es necesario verificar la inercia de otros marcos de referencia. Elijamos el Sol como cuerpo de referencia. Este marco de referencia se denomina marco de referencia heliocéntrico o sistema copernicano. Los ejes de coordenadas del sistema de coordenadas asociado son líneas rectas dirigidas a tres estrellas distantes que no se encuentran en el mismo plano (Fig. 2.1).

Así, en el estudio de los movimientos que ocurren en la escala de nuestro sistema planetario, así como en cualquier otro sistema, cuyas dimensiones son pequeñas en comparación con la distancia a esas tres estrellas que se eligen como estrellas de referencia en el sistema copernicano, la copernicana El sistema es prácticamente un marco de referencia inercial.

Ejemplo

La naturaleza no inercial del sistema de referencia terrestre se explica por el hecho de que la Tierra gira alrededor de su propio eje y alrededor del Sol, es decir, se mueve con aceleración en relación con el sistema copernicano. Dado que ambas rotaciones ocurren lentamente, en relación con una amplia gama de fenómenos, el sistema terrestre se comporta prácticamente como un sistema inercial. Es por ello que el establecimiento de las leyes básicas de la dinámica puede comenzar con el estudio del movimiento de los cuerpos con respecto a la Tierra, distrayendo de su rotación, es decir, tomar la Tierra por aproximadamente IFR.

FUERZA. MASA CORPORAL

La experiencia muestra que cualquier cambio en la velocidad de un cuerpo ocurre bajo la influencia de otros cuerpos. En mecánica, el proceso de cambiar la naturaleza del movimiento bajo la influencia de otros cuerpos se denomina interacción de cuerpos. Para caracterizar cuantitativamente la intensidad de esta interacción, Newton introdujo el concepto de fuerza. Las fuerzas pueden provocar no solo un cambio en la velocidad de los cuerpos materiales, sino también su deformación. Por tanto, el concepto de fuerza se puede definir de la siguiente manera: la fuerza es una medida cuantitativa de la interacción de al menos dos cuerpos, provocando la aceleración de un cuerpo o un cambio en su forma, o ambos juntos.

Un ejemplo de deformación de un cuerpo bajo la acción de una fuerza es un resorte comprimido o estirado. Es fácil de usar como patrón de fuerza: la unidad de fuerza se toma como una fuerza elástica que actúa en un resorte, estirado o comprimido hasta cierto punto. Usando tal estándar, uno puede comparar fuerzas y estudiar sus propiedades. Las fuerzas tienen las siguientes propiedades.

ü La fuerza es una cantidad vectorial y se caracteriza por la dirección, el módulo (valor numérico) y el punto de aplicación. Las fuerzas aplicadas a un cuerpo se suman de acuerdo con la regla del paralelogramo.

ü La fuerza es la causa de la aceleración. La dirección del vector de aceleración es paralela al vector de fuerza.

ü La fuerza tiene un origen material. No hay cuerpos materiales, no hay fuerza.

ü La acción de la fuerza no depende de si el cuerpo está en reposo o en movimiento.

ü Con la acción simultánea de varias fuerzas, el cuerpo recibe la aceleración que recibiría bajo la acción de la fuerza resultante.

La última afirmación es el contenido del principio de superposición de fuerzas. El principio de superposición se basa en la idea de la independencia de la acción de las fuerzas: cada fuerza imparte la misma aceleración al cuerpo en cuestión, independientemente de si solo I-ésima fuente de fuerzas o todas las fuentes al mismo tiempo. Puede formularse de otra manera. La fuerza con la que una partícula actúa sobre otra depende únicamente de los vectores de radio y de las velocidades de estas dos partículas. La presencia de otras partículas no afecta esta fuerza. Esta propiedad se llama ley de independencia acción de fuerzas o ley de interacción de pares. El alcance de esta ley cubre toda la mecánica clásica.

Por otro lado, para resolver muchos problemas, a veces es necesario encontrar varias fuerzas que, por su acción conjunta, podrían reemplazar una fuerza dada. Esta operación se llama descomposición de la fuerza dada en componentes.

Se sabe por experiencia que con las mismas interacciones, diferentes cuerpos cambian su velocidad de movimiento de manera desigual. La naturaleza del cambio en la velocidad del movimiento depende no solo de la magnitud de la fuerza y ​​el tiempo de su acción, sino también de las propiedades del propio cuerpo. La experiencia muestra que para un cuerpo dado, la relación entre cada fuerza que actúa sobre él y la aceleración impartida por esta fuerza es un valor constante. ... Esta relación depende de las propiedades del cuerpo acelerado y se llama masa inerte cuerpo. Por tanto, la masa de un cuerpo se define como la relación entre la fuerza que actúa sobre el cuerpo y la aceleración impartida por esta fuerza. Cuanto mayor es la masa, mayor es la fuerza necesaria para impartir cierta aceleración al cuerpo. El cuerpo parece resistirse a intentar cambiar su velocidad.

La propiedad de los cuerpos, que se expresa en la capacidad de mantener su estado a lo largo del tiempo (velocidad de movimiento, dirección del movimiento o estado de reposo), se denomina inercia. Una medida de la inercia de un cuerpo es su masa inerte. Bajo la misma acción de los cuerpos circundantes, un cuerpo puede cambiar rápidamente su velocidad y otro en las mismas condiciones, mucho más lentamente (Fig. 2.2). Se suele decir que el segundo de estos dos cuerpos es más inerte, es decir, el segundo cuerpo tiene mayor masa. En el Sistema Internacional de Unidades (SI), el peso corporal se mide en kilogramos (kg). El concepto de masa no se puede reducir a conceptos más simples. Cuanto mayor sea la masa corporal, menor aceleración adquirirá bajo la acción de la misma fuerza. Cuanto mayor sea la fuerza, mayor será la aceleración y, por tanto, cuanto mayor sea la velocidad final, el cuerpo se moverá.

La unidad SI de fuerza es N (Newton). Un N (newton) es numéricamente igual a la fuerza que imparte masa a un cuerpo metro = 1 kg aceleración.

Comentario.

La relación es válida solo a velocidades suficientemente bajas. Al aumentar la velocidad, esta relación cambia, aumentando con la velocidad.

LA SEGUNDA LEY DE NEWTON

De la experiencia se deduce que en los sistemas de referencia inerciales la aceleración de un cuerpo es proporcional a la suma vectorial de todas las fuerzas que actúan sobre él y es inversamente proporcional a la masa del cuerpo:

La segunda ley de Newton expresa la relación entre la resultante de todas las fuerzas y la aceleración causada por ella:

Aquí está el cambio en el impulso de un punto material a lo largo del tiempo. Establezcamos el intervalo de tiempo en cero:

entonces tenemos

	Entre los tipos extremos de entretenimiento, el puenting ocupa un lugar especial. En la ciudad de Jeffrey Bay se encuentra el más grande de los "bungee" registrados - 221 m. Incluso está incluido en el Libro Guinness de los Récords. La longitud de la cuerda se calcula para que una persona que salte, se detenga en el borde mismo del agua o simplemente la toque. La persona que salta es sujeta por la fuerza elástica de la cuerda deformada. Normalmente, una pluralidad de hebras de caucho tejidas juntas sirven como cable. Entonces, al caer, el cable salta, evitando que las piernas del saltador se desprendan y agregando sensaciones adicionales al salto. De acuerdo con la segunda ley de Newton, un aumento en el tiempo de interacción de un saltador con una cuerda conduce a un debilitamiento de la fuerza que actúa sobre la persona desde la cuerda.
	Para recibir una pelota volando a alta velocidad cuando juegas voleibol, debes mover tus manos en la dirección del movimiento de la pelota. En este caso, el tiempo de interacción con la pelota aumenta y, por lo tanto, de acuerdo con la segunda ley de Newton, el valor de la fuerza que actúa sobre las manos disminuye.

Presentada de esta forma, la segunda ley de Newton contiene una nueva cantidad física: el momento. A velocidades cercanas a la velocidad de la luz en el vacío, el impulso se convierte en la principal cantidad medida en los experimentos. Por tanto, la ecuación (2.2) es una generalización de la ecuación de movimiento a velocidades relativistas.

Como puede verse en la ecuación (2.2), si, entonces, un valor constante, se sigue que es constante, es decir, un impulso, y con él la velocidad de un punto material en movimiento libre es constante. Por tanto, formalmente, la primera ley de Newton es una consecuencia de la segunda ley. ¿Por qué, entonces, se destaca como una ley independiente? El caso es que la ecuación que expresa la segunda ley de Newton solo tiene sentido cuando se indica el marco de referencia en el que es válida. Seleccionar tal marco de referencia permite la primera ley de Newton. Afirma que hay un marco de referencia en el que un punto material libre se mueve sin aceleración. En tal marco de referencia, el movimiento de cualquier punto material obedece a la ecuación de movimiento de Newton. Por tanto, en esencia, la primera ley no puede considerarse como una simple consecuencia lógica de la segunda. La conexión entre estas leyes es más profunda.

De la ecuación (2.2) se deduce que, es decir, un cambio infinitamente pequeño en la cantidad de movimiento durante un período de tiempo infinitamente pequeño es igual al producto, llamado impulso de poder. Cuanto mayor es el impulso de fuerza, mayor es el cambio de impulso.

TIPOS DE FUERZAS

Toda la variedad de interacciones existentes en la naturaleza se reduce a cuatro tipos: gravitacionales, electromagnéticas, fuertes y débiles. Las interacciones fuertes y débiles son esenciales a distancias tan pequeñas cuando las leyes de la mecánica de Newton ya no son aplicables. Todos los fenómenos macroscópicos del mundo que nos rodea están determinados por interacciones gravitacionales y electromagnéticas. Sólo para este tipo de interacciones se puede utilizar el concepto de fuerza en el sentido de la mecánica newtoniana. Las fuerzas gravitacionales son más significativas en la interacción de grandes masas. Las manifestaciones de las fuerzas electromagnéticas son extremadamente diversas. Fuerzas de fricción conocidas, las fuerzas elásticas son de naturaleza electromagnética. Dado que la segunda ley de Newton determina la aceleración de un cuerpo independientemente de la naturaleza de las fuerzas que imparten la aceleración, en lo que sigue usaremos el llamado enfoque fenomenológico: basándonos en la experiencia, estableceremos leyes cuantitativas para estas fuerzas.

Fuerzas elásticas. Las fuerzas elásticas surgen en un cuerpo que experimenta el impacto de otros cuerpos o campos y están asociadas con la deformación del cuerpo. Las deformaciones son un tipo especial de movimiento, es decir, el movimiento de partes del cuerpo entre sí bajo la acción de una fuerza externa. Cuando el cuerpo se deforma, su forma y volumen cambian. Para los sólidos, se distinguen dos casos límite de deformación: elástico y plástico. La deformación se llama elástica si desaparece por completo después del cese de las fuerzas deformantes. En caso de deformaciones plásticas (inelásticas), los cuerpos conservan parcialmente su forma modificada después de que se retira la carga.

Las deformaciones elásticas de los cuerpos son variadas. Bajo la acción de una fuerza externa, los cuerpos pueden estirarse y contraerse, doblarse, torcerse, etc. Este desplazamiento es contrarrestado por las fuerzas de interacción entre las partículas del sólido, que mantienen a estas partículas a cierta distancia entre sí. Por tanto, ante cualquier tipo de deformación elástica, surgen fuerzas internas en el cuerpo que impiden su deformación. Las fuerzas que surgen en el cuerpo durante su deformación elástica y que se dirigen contra la dirección de desplazamiento de las partículas del cuerpo causadas por la deformación se denominan fuerzas elásticas. Las fuerzas elásticas actúan en cualquier sección del cuerpo deformado, así como en el lugar de su contacto con el cuerpo, provocando deformaciones.

La experiencia muestra que en pequeñas deformaciones elásticas, la cantidad de deformación es proporcional a la fuerza que la causa (figura 2.3). Esta declaración se llama ley Hooke.

Robert Hooke, 1635-1702

Físico inglés. Nacido en Freshwater en la Isla de Wight en la familia de un sacerdote, se graduó de la Universidad de Oxford. Mientras aún estaba en la universidad, trabajó como asistente en el laboratorio de Robert Boyle, ayudando a este último a construir una bomba de vacío para la instalación en la que se descubrió la ley de Boyle-Mariotte. Siendo contemporáneo de Isaac Newton, junto con él participó activamente en los trabajos de la Royal Society, y en 1677 asumió el cargo de secretario científico allí. Como muchos otros científicos de esa época, Robert Hooke estaba interesado en una amplia variedad de áreas de las ciencias naturales y contribuyó al desarrollo de muchas de ellas. En su monografía "Micrograph", publicó muchos bocetos de la estructura microscópica de tejidos vivos y otras muestras biológicas y fue el primero en introducir el concepto moderno de "célula viva". En geología, fue el primero en darse cuenta de la importancia de los estratos geológicos y fue el primero en la historia en participar en el estudio científico de los desastres naturales. Fue uno de los primeros en plantear la hipótesis de que la fuerza de atracción gravitacional entre los cuerpos disminuye en proporción al cuadrado de la distancia entre ellos, y dos compatriotas y contemporáneos, Hooke y Newton, por lo que hasta el final de sus vidas, se desafiaron mutuamente por el derecho a ser llamado el descubridor de la ley de la gravitación universal. Hooke diseñó y construyó con sus propias manos una serie de importantes instrumentos científicos de medición. En particular, fue el primero en proponer colocar una cruz de dos hilos delgados en el ocular de un microscopio, el primero en sugerir tomar el punto de congelación del agua como el cero de la escala de temperatura, y también inventó una junta universal (junta cardánica ).

La expresión matemática de la ley de Hooke para la deformación de la tensión unilateral (compresión) es:

donde esta la fuerza elástica; - cambio en la longitud (deformación) del cuerpo; - coeficiente de proporcionalidad, en función del tamaño y material del cuerpo, llamado rigidez. La unidad SI de rigidez es newton por metro (N / m). En el caso de tensión o compresión unilateral, la fuerza elástica se dirige a lo largo de una línea recta sobre la que actúa una fuerza externa, provocando la deformación del cuerpo, opuesta a la dirección de esta fuerza y ​​perpendicular a la superficie del cuerpo. La fuerza elástica siempre se dirige hacia la posición de equilibrio. La fuerza elástica que actúa sobre el cuerpo desde el lado del soporte o suspensión se denomina fuerza de reacción del soporte o fuerza de tensión de la suspensión.

A . En este caso . En consecuencia, el módulo de Young es numéricamente igual al esfuerzo normal que debería haber surgido en el cuerpo cuando su longitud se duplicó (si se cumpliera la ley de Hooke para una deformación tan grande). También se ve en (2.3) que en el sistema SI de unidades, el módulo de Young se mide en pascales (). El módulo de Young varía ampliamente para diferentes materiales. Para el acero, por ejemplo, y para el caucho aproximadamente, es decir, cinco órdenes de magnitud menos.

Por supuesto, la ley de Hooke, incluso en la forma mejorada por Jung, no describe todo lo que le sucede a una sustancia sólida bajo la influencia de fuerzas externas. Imagina una goma elástica. Si no la estira demasiado, surgirá una tensión elástica restauradora del costado de la banda elástica, y tan pronto como la suelte, inmediatamente se juntará y volverá a su forma anterior. Si estira más la banda de goma, tarde o temprano perderá su elasticidad y sentirá que la fuerza de resistencia al estiramiento ha disminuido. Esto significa que ha cruzado el llamado límite elástico del material. Si tira más de la goma, después de un tiempo se rasgará por completo y la resistencia desaparecerá por completo. Esto significa que se ha superado el llamado punto de ruptura. En otras palabras, la ley de Hooke solo es válida para compresiones o extensiones relativamente pequeñas.

Todos los marcos de referencia se dividen en inerciales y no inerciales. El marco de referencia inercial está en el corazón de la mecánica newtoniana. Caracteriza un movimiento rectilíneo uniforme y un estado de reposo. Un marco de referencia no inercial está asociado con un movimiento acelerado a lo largo de una trayectoria diferente. Este movimiento se define en relación con los marcos de referencia inerciales. Un marco de referencia no inercial se asocia con efectos como fuerzas inerciales, centrífugas y de Coriolis.

Todos estos procesos surgen como resultado del movimiento, no de la interacción entre los cuerpos. Las leyes de Newton a menudo no funcionan en marcos no inerciales. En tales casos, se agregan enmiendas a las leyes clásicas de la mecánica. Las fuerzas debidas al movimiento no inercial se tienen en cuenta en el desarrollo de productos y mecanismos técnicos, incluidos los que tienen rotación. En la vida, los encontramos, moviéndonos en un ascensor, montando un carrusel, observando el clima y el flujo de los ríos. También se tienen en cuenta al calcular el movimiento de las naves espaciales.

Marcos de referencia inerciales y no inerciales

Los marcos de referencia inerciales no siempre son adecuados para describir el movimiento de los cuerpos. En física, se distinguen 2 tipos de sistemas de referencia: sistemas de referencia inerciales y no inerciales. Según la mecánica newtoniana, cualquier cuerpo puede estar en estado de reposo o movimiento uniforme y rectilíneo, excepto en los casos en que se ejerce una influencia externa sobre el cuerpo. Este movimiento uniforme se llama movimiento inercial.

El movimiento inercial (marcos de referencia inerciales) forma la base de la mecánica newtoniana y las obras de Galileo. Si consideramos que las estrellas son objetos estacionarios (lo que de hecho no es del todo cierto), entonces cualquier objeto que se mueva de manera uniforme y rectilínea con respecto a ellos formará marcos de referencia inerciales.

A diferencia de los marcos de referencia inerciales, un marco no inercial se mueve con respecto al especificado con una cierta aceleración. En este caso, el uso de las leyes de Newton requiere variables adicionales, de lo contrario, describirán inadecuadamente el sistema. Para responder a la pregunta de qué marcos de referencia se denominan no inerciales, vale la pena considerar un ejemplo de movimiento no inercial. Este movimiento es la rotación de nuestro y otros planetas.

Movimiento en marcos de referencia no inerciales

Copérnico fue el primero en mostrar lo complejo que puede ser un movimiento si intervienen varias fuerzas. Antes que él, se creía que la Tierra se mueve por sí misma, de acuerdo con las leyes de Newton, y por lo tanto su movimiento es inercial. Sin embargo, Copérnico demostró que la Tierra gira alrededor del Sol, es decir, realiza un movimiento acelerado en relación con un objeto convencionalmente estacionario, que puede ser una estrella.

Entonces, hay diferentes marcos de referencia. Solo aquellos en los que hay un movimiento acelerado, que se determina en relación con el sistema inercial, se denominan no inerciales.

La Tierra como marco de referencia

Un marco de referencia no inercial, cuyos ejemplos se pueden encontrar en casi todas partes, es típico de los cuerpos con una trayectoria de movimiento compleja. La Tierra gira alrededor del Sol, lo que crea un movimiento acelerado característico de los marcos de referencia no inerciales. Sin embargo, en la práctica diaria, todo lo que encontramos en la Tierra es bastante consistente con los postulados de Newton. El punto es que las correcciones para el movimiento no inercial para los marcos de referencia relacionados con la Tierra son muy insignificantes y no juegan un papel importante para nosotros. Y las ecuaciones de Newton por la misma razón resultan ser válidas en general.

Péndulo de Foucault

Sin embargo, en algunos casos, las enmiendas son indispensables. Por ejemplo, el péndulo de Foucault de fama mundial en la catedral de San Petersburgo realiza no solo oscilaciones lineales, sino también giros lentos. Este giro se debe al movimiento no inercial de la Tierra en el espacio exterior.

Por primera vez esto se conoció en 1851 después de los experimentos del científico francés L. Foucault. El experimento en sí no se llevó a cabo en San Petersburgo, sino en París, en una gran sala. El peso de la bola del péndulo era de unos 30 kg y la longitud del hilo de conexión era de hasta 67 metros.

En aquellos casos en los que solo las fórmulas de Newton para el marco de referencia inercial no son suficientes para describir el movimiento, se les agregan las llamadas fuerzas inerciales.

Propiedades de un marco de referencia no inercial

El marco de referencia no inercial realiza varios movimientos en relación con el inercial. Puede ser movimiento de traslación, rotación, movimientos combinados complejos. En la literatura, también hay un ejemplo tan simple de un marco de referencia no inercial como un ascensor en movimiento acelerado. Es por su movimiento acelerado que sentimos cómo nos aprietan contra el suelo o, por el contrario, surge una sensación cercana a la ingravidez. Las leyes de la mecánica de Newton no pueden explicar tal fenómeno. Si sigues la famosa física, entonces en cualquier momento la misma gravedad actuará sobre una persona en un ascensor, lo que significa que las sensaciones deberían ser las mismas, sin embargo, en realidad todo es diferente. Por lo tanto, es necesario agregar una fuerza adicional a las leyes de Newton, que se llama fuerza de inercia.

Fuerza de inercia

La fuerza de inercia es una fuerza de acción real, aunque difiere en naturaleza de las fuerzas asociadas con la interacción entre cuerpos en el espacio. Se tiene en cuenta en el desarrollo de estructuras y dispositivos técnicos y juega un papel importante en su trabajo. Las fuerzas de inercia se miden de varias formas, como con un dinamómetro de resorte. Los marcos de referencia no inerciales no son cerrados, ya que las fuerzas inerciales se consideran externas. Las fuerzas de inercia son factores físicos objetivos y no dependen de la voluntad y opinión del observador.

Los sistemas de referencia inerciales y no inerciales, ejemplos de los cuales se pueden encontrar en los libros de texto de física, son la acción de la fuerza inercial, la fuerza centrífuga, la fuerza de Coriolis, la transferencia de momento de un cuerpo a otro y otros.

Movimiento en el ascensor

En los marcos de referencia no inerciales, las fuerzas inerciales se manifiestan bien durante el ascenso o descenso acelerado. Si el elevador se mueve hacia arriba con aceleración, entonces la fuerza de inercia resultante tiende a presionar a la persona contra el piso y, al frenar, el cuerpo, por el contrario, comienza a parecer más liviano. En términos de manifestaciones, la fuerza de inercia en este caso es similar a la fuerza de gravedad, pero tiene una naturaleza completamente diferente. La gravedad es la gravedad, que está asociada con las interacciones entre los cuerpos.

Fuerzas centrífugas

Las fuerzas en marcos de referencia no inerciales también pueden ser centrífugas. Es necesario introducir tal fuerza por la misma razón que la fuerza de inercia. Un ejemplo sorprendente de la acción de las fuerzas centrífugas es la rotación en un carrusel. Mientras que la silla tiende a mantener a la persona en su "órbita", la fuerza de inercia hace que el cuerpo se presione contra el respaldo exterior de la silla. Esta confrontación se expresa en la aparición de un fenómeno como la fuerza centrífuga.

fuerza Coriolis

La acción de esta fuerza es bien conocida por el ejemplo de la rotación de la Tierra. Es posible llamarlo fuerza solo condicionalmente, ya que no es tal. La esencia de su acción es que al girar (por ejemplo, la Tierra), cada punto de un cuerpo esférico se mueve en un círculo, mientras que los objetos arrancados de la Tierra, idealmente, se mueven de forma rectilínea (como, por ejemplo, un cuerpo que vuela libremente en espacio). Dado que la línea de latitud es la trayectoria de rotación de puntos en la superficie de la tierra y tiene la forma de un anillo, entonces cualquier cuerpo que se desprenda de ella e inicialmente se mueva a lo largo de esta línea, moviéndose linealmente, comienza a desviarse cada vez más. desde allí en dirección a latitudes más bajas.

Otra opción es cuando el cuerpo se lanza en dirección meridional, pero debido a la rotación de la Tierra, desde el punto de vista del observador terrestre, el movimiento del cuerpo ya no será estrictamente meridional.

La fuerza de Coriolis tiene una gran influencia en el desarrollo de los procesos atmosféricos. Bajo su influencia, el agua golpea con más fuerza la orilla oriental de los ríos que fluyen en dirección meridional, erosionándola gradualmente, lo que da lugar a la aparición de acantilados. En el lado occidental, por otro lado, se depositan precipitaciones, por lo que son más suaves y a menudo se inundan de agua durante las inundaciones. Es cierto que esta no es la única razón que lleva al hecho de que un lado del río sea más alto que el otro, pero en muchos casos es dominante.

La fuerza de Coriolis también tiene confirmación experimental. Fue obtenido por el físico alemán F. Reich. En el experimento, los cuerpos cayeron desde una altura de 158 m. Se llevaron a cabo un total de 106 experimentos de este tipo. Al caer, los cuerpos se desviaron de la trayectoria rectilínea (desde el punto de vista de un observador terrestre) en aproximadamente 30 mm.

Marcos de referencia inerciales y teoría de la relatividad

La teoría especial de la relatividad de Einstein se creó en relación con los marcos de referencia inerciales. Los llamados efectos relativistas, según esta teoría, deberían surgir en el caso de velocidades de movimiento muy altas del cuerpo en relación con el observador "estacionario". Todas las fórmulas de la teoría especial de la relatividad también están escritas para el movimiento uniforme inherente al marco de referencia inercial. El primer postulado de esta teoría afirma la equivalencia de cualquier sistema de referencia inercial, es decir, se postula la ausencia de sistemas especiales y distinguidos.

Sin embargo, esto arroja dudas sobre la posibilidad de probar los efectos relativistas (así como el hecho mismo de su presencia), lo que llevó a la aparición de fenómenos como la paradoja de los gemelos. Dado que los sistemas de referencia asociados con el cohete y la Tierra son fundamentalmente iguales, los efectos de la dilatación del tiempo en el par "Tierra-cohete" dependerán únicamente de dónde se encuentre el observador. Entonces, para un observador en un cohete, el tiempo en la Tierra debería ir más lento, y para una persona en nuestro planeta, por el contrario, debería ir más lento en un cohete. Como resultado, el gemelo que se quedó en la Tierra verá a su hermano llegar más joven, y el que estaba en el cohete, habiendo llegado, debe ver más joven que el que se quedó en la Tierra. Está claro que esto es físicamente imposible.

Esto significa que para observar los efectos relativistas, necesita algún tipo de marco de referencia especial y dedicado. Por ejemplo, se supone que observamos un aumento relativista en la vida útil de los muones si se mueven a una velocidad cercana a la de la luz en relación con la Tierra. Esto significa que la Tierra debería (sin alternativa) poseer las propiedades de un marco de referencia básico prioritario, que contradice el primer postulado de la SRT. La prioridad es posible solo si la Tierra es el centro del universo, lo cual es consistente solo con la imagen primitiva del mundo y contradice la física.

Marcos de referencia no inerciales como una forma desafortunada de explicar la paradoja de los gemelos

Los intentos de explicar la prioridad del sistema de referencia "terrestre" no resisten las críticas. Algunos científicos asocian esta prioridad precisamente con el factor de inercia de uno y no inercia de otro marco de referencia. En este caso, el marco de referencia asociado a un observador en la Tierra se considera inercial, a pesar de que en la ciencia física se reconoce oficialmente como no inercial (Detlaf, Yavorsky, curso de física, 2000). Esto es lo primero. El segundo es el mismo principio de igualdad de cualquier marco de referencia. Entonces, si una nave espacial sale de la Tierra con aceleración, entonces, desde el punto de vista de un observador en la nave misma, es estática y la Tierra, por el contrario, se aleja de ella con una velocidad creciente.

Resulta que la Tierra misma es un marco de referencia especial, o los efectos observados tienen una explicación diferente (no relativista). Quizás los procesos estén asociados con las particularidades de preparar o interpretar experimentos, o con otros mecanismos físicos de los fenómenos observados.

Conclusión

Así, los marcos de referencia no inerciales conducen a la aparición de fuerzas que no encontraron su lugar en las leyes de la mecánica newtoniana. Al calcular para sistemas no inerciales, es obligatorio tener en cuenta estas fuerzas, incluso al desarrollar productos técnicos.

Marco de referencia inercial

Marco de referencia inercial(IFR) es un marco de referencia en el que la primera ley de Newton (ley de inercia) es verdadera: todos los cuerpos libres (es decir, aquellos sobre los que no actúan fuerzas externas o la acción de estas fuerzas es compensada) se mueven rectilíneamente y uniformemente o en reposo. El equivalente es la siguiente formulación, conveniente para su uso en mecánica teórica:

Propiedades de los sistemas de referencia inerciales

Cualquier marco de referencia que se mueva de manera uniforme y rectilínea en relación con el IFR también es el IFR. De acuerdo con el principio de relatividad, todas las IFR son iguales y todas las leyes de la física son invariantes con respecto a la transición de una IFR a otra. Esto significa que las manifestaciones de las leyes de la física en ellos tienen el mismo aspecto, y los registros de estas leyes tienen la misma forma en diferentes IFR.

La suposición de la existencia de al menos un IRF en un espacio isotrópico lleva a la conclusión sobre la existencia de un conjunto infinito de tales sistemas que se mueven entre sí con todo tipo de velocidades constantes. Si existe IFR, entonces el espacio será homogéneo e isotrópico, y el tiempo será homogéneo; Según el teorema de Noether, la homogeneidad del espacio con respecto a las cizallas dará la ley de conservación del momento, la isotropía conducirá a la conservación del momento angular y la uniformidad del tiempo dará como resultado la conservación de la energía de un cuerpo en movimiento.

Si las velocidades del movimiento relativo del IFR, realizado por cuerpos reales, pueden tomar cualquier valor, la conexión entre las coordenadas y los tiempos de cualquier "evento" en diferentes IFR se lleva a cabo mediante transformaciones de Galileo.

Comunicación con marcos de referencia reales

Los sistemas absolutamente inerciales son una abstracción matemática que, naturalmente, no existe en la naturaleza. Sin embargo, existen sistemas de referencia en los que la aceleración relativa de cuerpos suficientemente distantes entre sí (medida por el efecto Doppler) no supera los 10-10 m / s², por ejemplo, el Sistema Internacional de Coordenadas Celestes en combinación con el tiempo dinámico baricéntrico da un sistema en el que las aceleraciones relativas no superen 1,5 · 10 −10 m / s² (en el nivel 1σ). La precisión de los experimentos sobre el análisis del tiempo de llegada de los pulsos de los púlsares, y pronto, y las mediciones astrométricas, es tal que en un futuro cercano la aceleración del sistema solar debería medirse a medida que se mueve en el campo gravitacional de la Galaxia. , que se estima en m / s².

Con diversos grados de precisión y dependiendo del área de uso, los sistemas inerciales pueden considerarse sistemas de referencia asociados a: la Tierra, el Sol, inmóviles en relación con las estrellas.

Sistema de coordenadas inercial geocéntrico

El uso de la Tierra como ISO, a pesar de su naturaleza aproximada, está muy extendido en la navegación. El sistema de coordenadas inerciales, como parte del IFR, se construye de acuerdo con el siguiente algoritmo. El centro de la tierra se selecciona como el punto O-origen de las coordenadas de acuerdo con su modelo aceptado. Eje Z: coincide con el eje de rotación de la tierra. Los ejes xey están en el plano ecuatorial. Cabe señalar que dicho sistema no participa en la rotación de la Tierra.

Notas (editar)

ver también

Fundación Wikimedia. 2010.

Vea qué es "Marco de referencia inercial" en otros diccionarios:

Sistema de referencia, en el que es válida la ley de la inercia: mater. el punto, cuando ninguna fuerza actúa sobre él (o las fuerzas están mutuamente equilibradas), se encuentra en un estado de reposo o movimiento rectilíneo uniforme. Cualquier marco de referencia, ... ... Enciclopedia física

SISTEMA DE REFERENCIA INERCIAL, ver SISTEMA DE REFERENCIA ... Enciclopedia moderna

Marco de referencia inercial- SISTEMA DE REFERENCIA INERCIAL, ver Sistema de Referencia. ... Diccionario enciclopédico ilustrado

marco de referencia inercial- inercinė atskaitos sistema statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. Marco de referencia galileo; sistema de referencia inercial vok. inertiales Bezugssystem, n; Sistema inercial, n; Trägheitssystem, n rus. sistema de referencia inercial, f pranc. …… Fizikos terminų žodynas

Un marco de referencia en el que la ley de la inercia es válida: un punto material, cuando no actúan fuerzas sobre él (o actúan fuerzas mutuamente equilibradas), se encuentra en estado de reposo o movimiento rectilíneo uniforme. Alguna ... ... Gran enciclopedia soviética

Un marco de referencia en el que es válida la ley de la inercia, es decir, un cuerpo, libre de influencias de otros cuerpos, conserva su velocidad (en valor absoluto y en dirección) inalterada. Es. O. es tal (y solo tal) marco de referencia, al paraíso ... ... Gran Diccionario Politécnico Enciclopédico

Un marco de referencia en el que la ley de la inercia es válida: un punto material, sobre él no actúan fuerzas, está en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme. O. progresivamente ... Ciencias Naturales. diccionario enciclopédico

marco de referencia inercial- Un marco de referencia en relación con el cual un punto material aislado está en reposo o se mueve rectilínea y uniformemente ... Diccionario explicativo terminológico politécnico

Un marco de referencia en el que la ley de la inercia es válida: un punto material, sobre el que no actúan fuerzas, está en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme. Cualquier marco de referencia que se mueva relativamente inercial ... ... diccionario enciclopédico

Sistema de referencia inercial- un marco de referencia en el que la ley de la inercia es válida: un punto material, cuando no actúan fuerzas sobre él (o actúan fuerzas mutuamente equilibradas), se encuentra en estado de reposo o movimiento rectilíneo uniforme. Cualquier sistema ... ... Conceptos de las ciencias naturales modernas. Glosario de términos básicos

Primera ley de Newton (ley de inercia)

Hay marcos de referencia llamados inercial(en adelante $ - $ IFR), en el que cualquier cuerpo está en reposo o se mueve de manera uniforme y rectilínea, si otros cuerpos no actúan sobre él o se compensa la acción de estos cuerpos. En tales sistemas, el cuerpo mantendrá su estado inicial de reposo o movimiento rectilíneo uniforme hasta que la acción de otros cuerpos lo obligue a cambiar este estado.

IFR $ - $ es una clase especial de marcos de referencia, en los que las aceleraciones de los cuerpos son causadas solo por fuerzas reales que actúan sobre los cuerpos, y no por las propiedades de los marcos de referencia. Como consecuencia, si ninguna fuerza actúa sobre el cuerpo o su efecto se compensa $ \ vec (R _ ()) = \ vec (F_1) + \ vec (F_2) + \ vec (F_3) +… = \ vec (0_ ()) $, entonces el cuerpo no cambia su velocidad $ \ vec (V _ ()) = \ vec (const) $ y se mueve uniformemente en línea recta o está en reposo $ \ vec (V _ ()) = \ vec (0 _ ()) $.

Hay un número infinito de sistemas inerciales. El marco de referencia asociado con un tren que viaja a velocidad constante a lo largo de una sección en línea recta de la vía también es un sistema inercial (aproximadamente), como el sistema asociado con la Tierra. Todos los IFR forman una clase de sistemas que se mueven de manera uniforme y rectilínea entre sí. Las aceleraciones de cualquier cuerpo son las mismas en diferentes IFR.

¿Cómo establecer que un marco de referencia dado es inercial? Esto solo se puede hacer empíricamente. Las observaciones muestran que, con un grado muy alto de precisión, el sistema heliocéntrico puede considerarse como un marco de referencia inercial, en el que el origen de las coordenadas está asociado con el Sol y los ejes están dirigidos a determinadas estrellas "fijas". Los sistemas de referencia rígidamente conectados con la superficie de la Tierra, estrictamente hablando, no son inerciales, ya que la Tierra se mueve en una órbita alrededor del Sol y al mismo tiempo gira alrededor de su eje. Sin embargo, al describir movimientos que no tienen una escala global (es decir, universal), los marcos de referencia asociados con la Tierra pueden considerarse inerciales con suficiente precisión.

Los sistemas de referencia que se mueven de manera uniforme y rectilínea con respecto a cualquier sistema de referencia inercial también son inerciales.

Galileo estableció que ningún experimento mecánico realizado dentro de un marco de referencia inercial podría establecer si este marco está en reposo o si se mueve de manera uniforme y rectilínea. Esta declaración se llama El principio de relatividad de Galileo, o el principio mecánico de la relatividad.

Este principio fue desarrollado más tarde por A. Einstein y es uno de los postulados de la teoría especial de la relatividad. Los IFR juegan un papel extremadamente importante en la física, ya que, según el principio de relatividad de Einstein, la expresión matemática de cualquier ley de la física tiene la misma forma en cada IFR.

Marco de referencia no inercial$ - $ sistema de conteo no inercial. En estos sistemas, la propiedad descrita en la ley de inercia no funciona. De hecho, cualquier sistema de referencia que se mueva relativamente inercial con aceleración será no inercial.