Esempi di inerzia e sistemi di riferimento inerziali. Quali sistemi di riferimento sono chiamati inerziali? Esempi di sistemi di riferimento inerziali. Qual è lo stato di riposo

I filosofi antichi hanno cercato di comprendere l'essenza del movimento, di rivelare l'effetto delle stelle e del sole su una persona. Inoltre, le persone hanno sempre cercato di identificare le forze che agiscono su un punto materiale nel processo del suo movimento, così come nel momento del riposo.

Aristotele credeva che in assenza di movimento nessuna forza esercitasse un effetto sul corpo. Proviamo a scoprire quali sistemi di riferimento sono chiamati inerziali, ne daremo esempi.

stato di riposo

Nella vita di tutti i giorni, è difficile identificare una tale condizione. In quasi tutti i tipi di movimento meccanico si presume la presenza di forze estranee. Il motivo è la forza di attrito, che impedisce a molti oggetti di lasciare la loro posizione originale, lasciando lo stato di riposo.

Considerando esempi di sistemi di riferimento inerziali, notiamo che corrispondono tutti alla legge di 1 Newton. Solo dopo la sua scoperta è stato possibile spiegare lo stato di quiete, indicare le forze che agiscono in questo stato sul corpo.

Formulazione 1 della legge di Newton

In un'interpretazione moderna, spiega l'esistenza di sistemi di coordinate, rispetto ai quali si può considerare l'assenza di forze esterne che agiscono su un punto materiale. Dal punto di vista di Newton, i sistemi di riferimento inerziali sono quelli che consentono di considerare la conservazione della velocità di un corpo per lungo tempo.

Definizioni

Quali sistemi di riferimento sono inerziali? Esempi di questi sono studiati nel corso di fisica della scuola. Tali sistemi di riferimento sono considerati inerziali, rispetto ai quali un punto materiale si muove a velocità costante. Newton ha chiarito che qualsiasi corpo può trovarsi in uno stato simile fintanto che non è necessario applicare su di esso forze che possono cambiare tale stato.

In realtà, la legge di inerzia non è soddisfatta in tutti i casi. Analizzando esempi di sistemi di riferimento inerziali e non, si consideri una persona che si tiene ai corrimano in un veicolo in movimento. Con una brusca frenata dell'auto, una persona si sposta automaticamente rispetto al veicolo, nonostante l'assenza di una forza esterna.

Risulta che non tutti gli esempi del sistema di riferimento inerziale corrispondono alla formulazione 1 della legge di Newton. Per chiarire la legge di inerzia, è stata introdotta una lettura raffinata, in cui viene eseguita in modo impeccabile.

Tipi di sistemi di riferimento

Quali sistemi di riferimento sono chiamati inerziali? Sarà chiaro presto. "Fornisci esempi di sistemi di riferimento inerziali in cui viene soddisfatta la legge di Newton 1" - un compito simile viene offerto agli scolari che hanno scelto la fisica come esame in prima media. Per far fronte al compito da svolgere, è necessario avere un'idea dei sistemi di riferimento inerziali e non.

L'inerzia comporta il mantenimento del riposo o del movimento rettilineo uniforme del corpo finché il corpo è isolato. I corpi che non sono collegati, non interagiscono e sono rimossi l'uno dall'altro sono considerati "isolati".

Consideriamo alcuni esempi di un sistema di riferimento inerziale. Se consideriamo una stella nella galassia come sistema di riferimento, e non un autobus in movimento, l'adempimento della legge di inerzia per i passeggeri che si aggrappano ai corrimano sarà impeccabile.

Durante la frenata, questo veicolo continuerà a muoversi in linea retta finché non subirà l'azione di altri corpi.

Quali esempi di sistema di riferimento inerziale si possono fornire? Non dovrebbero avere alcuna connessione con il corpo analizzato, influenzarne l'inerzia.

È per tali sistemi che la legge di Newton 1 è soddisfatta. Nella vita reale, è difficile considerare il movimento di un corpo rispetto a sistemi di riferimento inerziali. È impossibile raggiungere una stella lontana per condurre esperimenti terreni da essa.

La Terra è accettata come sistema di riferimento condizionale, nonostante sia associata a oggetti posti su di essa.

È possibile calcolare l'accelerazione nel sistema di riferimento inerziale se si considera la superficie della Terra come sistema di riferimento. In fisica, non esiste un record matematico 1 della legge di Newton, ma è lui che è la base per derivare molte definizioni e termini fisici.

Esempi di sistemi di riferimento inerziali

A volte è difficile per gli scolari comprendere i fenomeni fisici. Agli alunni di prima media viene offerto un compito con il seguente contenuto: “Quali sistemi di riferimento sono chiamati inerziali? Fornisci esempi di tali sistemi." Supponiamo che il carrello con la pallina si muova inizialmente su una superficie piana con velocità costante. Inoltre, si muove lungo la sabbia, di conseguenza, la palla viene messa in moto accelerato, nonostante il fatto che altre forze non agiscano su di essa (il loro effetto totale è zero).

L'essenza di ciò che sta accadendo può essere spiegata dal fatto che mentre si muove lungo una superficie sabbiosa, il sistema cessa di essere inerziale, ha una velocità costante. Esempi di sistemi di riferimento inerziali e non inerziali indicano che in un certo periodo di tempo avviene la loro transizione.

Quando il corpo accelera, la sua accelerazione ha un valore positivo e durante la frenata questo indicatore diventa negativo.

moto curvilineo

Rispetto alle stelle e al Sole, la Terra si muove lungo una traiettoria curva che ha la forma di un'ellisse. Il sistema di riferimento in cui il centro è allineato con il Sole e gli assi sono diretti a determinate stelle, sarà considerato inerziale.

Si noti che qualsiasi sistema di riferimento che si muoverà in modo rettilineo e uniforme rispetto al sistema eliocentrico è inerziale. Il movimento curvilineo viene eseguito con una certa accelerazione.

Considerando il fatto che la Terra si muove attorno al proprio asse, il sistema di riferimento, che è associato alla sua superficie, si muove con una certa accelerazione rispetto a quella eliocentrica. In tale situazione, possiamo concludere che il sistema di riferimento, che è associato alla superficie terrestre, si muove con accelerazione rispetto a quello eliocentrico, quindi non può essere considerato inerziale. Ma il valore dell'accelerazione di un tale sistema è così piccolo che in molti casi influisce in modo significativo sulle specificità dei fenomeni meccanici considerati in relazione ad esso.

Per risolvere problemi pratici di natura tecnica, è consuetudine considerare il sistema di riferimento inerziale, che è rigidamente connesso con la superficie terrestre.

La relatività di Galileo

Tutti i sistemi di riferimento inerziali hanno un'importante proprietà, che è descritta dal principio di relatività. La sua essenza risiede nel fatto che qualsiasi fenomeno meccanico nelle stesse condizioni iniziali viene eseguito allo stesso modo, indipendentemente dal quadro di riferimento selezionato.

L'uguaglianza dell'ISO secondo il principio di relatività è espressa nelle seguenti disposizioni:

• In tali sistemi, sono gli stessi, quindi qualsiasi equazione da essi descritta è espressa in termini di coordinate e tempo, rimane invariata.
• I risultati degli esperimenti meccanici effettuati consentono di stabilire se il sistema di riferimento sarà fermo, oppure se compirà un moto rettilineo uniforme. Qualsiasi sistema può essere riconosciuto condizionatamente come immobile se l'altro si muove rispetto ad esso a una certa velocità.
• Le equazioni della meccanica rimangono invariate rispetto alle trasformazioni di coordinate nel caso di transizione da un sistema al secondo. È possibile descrivere lo stesso fenomeno in sistemi diversi, ma la loro natura fisica non cambierà in questo caso.

Risolvere problemi

Primo esempio.

Determinare se il sistema di riferimento inerziale è: a) un satellite artificiale della Terra; b) attrazione per bambini.

Risposta. Nel primo caso, non si tratta di un sistema di riferimento inerziale, poiché il satellite si muove in orbita sotto l'influenza della gravità, quindi il movimento avviene con una certa accelerazione.

Secondo esempio.

Il sistema di segnalazione è saldamente collegato all'ascensore. In quali situazioni può essere chiamato inerziale? Se l'ascensore: a) cade; b) si alza uniformemente; c) aumenta rapidamente; d) uniformemente diretto verso il basso.

Risposta. a) Durante la caduta libera, appare l'accelerazione, quindi il sistema di riferimento associato all'ascensore non sarà inerziale.

b) Con movimento uniforme dell'ascensore, il sistema è inerziale.

c) Quando si muove con una certa accelerazione, il sistema di riferimento è considerato inerziale.

d) L'ascensore si muove lentamente, ha un'accelerazione negativa, quindi il sistema di riferimento non può essere chiamato inerziale.

Conclusione

Durante tutta la sua esistenza, l'umanità ha cercato di comprendere i fenomeni che si verificano in natura. I tentativi di spiegare la relatività del moto furono intrapresi da Galileo Galilei. Isaac Newton riuscì a derivare la legge dell'inerzia, che iniziò ad essere utilizzata come postulato principale quando si eseguono calcoli in meccanica.

Attualmente, il sistema per determinare la posizione del corpo comprende il corpo, il dispositivo per determinare l'ora e anche il sistema di coordinate. A seconda che il corpo sia mobile o immobile, è possibile caratterizzare la posizione di un determinato oggetto nel periodo di tempo richiesto.

La prima legge di Newton è formulata come segue: il corpo, non influenzato da influenze esterne, o è a riposo, o si muove in linea retta e in modo uniforme... Tale corpo è chiamato libero, e il suo moto è moto libero o moto per inerzia. La proprietà di un corpo di mantenere uno stato di quiete o moto rettilineo uniforme in assenza dell'impatto di altri corpi su di esso è chiamata inerzia... Pertanto, la prima legge di Newton è chiamata legge dell'inerzia. A rigor di termini, i corpi liberi non esistono. Tuttavia, è naturale presumere che più una particella è lontana da altri oggetti materiali, minore è l'impatto che hanno su di essa. Immaginando che queste influenze stiano diminuendo, arriviamo al limite all'idea di un corpo libero e di un movimento libero.

È impossibile verificare sperimentalmente l'ipotesi sulla natura del moto di una particella libera, poiché è impossibile stabilire con assoluta certezza il fatto che non vi sia interazione. È possibile simulare questa situazione solo con un certo grado di accuratezza, utilizzando il fatto sperimentale di una diminuzione dell'interazione tra corpi distanti. La generalizzazione di alcuni fatti sperimentali, nonché la coincidenza delle conseguenze derivanti dalla legge con i dati sperimentali, ne dimostrano la validità. Quando si muove, il corpo mantiene la sua velocità più a lungo, più gli altri corpi più deboli agiscono su di esso; ad esempio, una pietra che scorre su una superficie si muove più a lungo, più questa superficie è liscia, cioè minore è l'effetto di questa superficie su di essa.

Il movimento meccanico è relativo e la sua natura dipende dal sistema di riferimento. In cinematica, la scelta del quadro di riferimento non era essenziale. Questo non è il caso della dinamica. Se in un qualsiasi sistema di riferimento il corpo si muove in modo rettilineo e uniforme, allora nel sistema di riferimento si muove rispetto al primo a velocità accelerata, non sarà più così. Ne consegue che la legge di inerzia non può essere valida in tutti i sistemi di riferimento. La meccanica classica postula che esista un sistema di riferimento in cui tutti i corpi liberi si muovono in linea retta e uniformemente. Tale sistema di riferimento è chiamato sistema di riferimento inerziale (IFR). Il contenuto della legge d'inerzia, in sostanza, si riduce all'affermazione che esistono sistemi di riferimento in cui un corpo, non soggetto a influenze esterne, si muove in modo uniforme e rettilineo o è in quiete.

È possibile stabilire quali sistemi di riferimento sono inerziali e quali non inerziali, è possibile solo empiricamente. Supponiamo, ad esempio, di parlare del movimento di stelle e altri oggetti astronomici nella parte dell'Universo accessibile alla nostra osservazione. Scegliamo un quadro di riferimento in cui la Terra è considerata stazionaria (chiameremo tale quadro terrestre). sarà inerziale?

Puoi scegliere una stella come corpo libero. Ogni stella, infatti, a causa della sua enorme distanza dagli altri corpi celesti, è praticamente un corpo libero. Tuttavia, nel quadro di riferimento terrestre, le stelle compiono rotazioni giornaliere sul firmamento, e quindi si muovono con un'accelerazione diretta verso il centro della terra. Pertanto, il movimento di un corpo libero (stella) nel sistema di riferimento terrestre avviene in un cerchio e non in linea retta. Non obbedisce alla legge dell'inerzia, quindi il sistema di riferimento della terra non sarà inerziale.

Pertanto, per risolvere il problema, è necessario controllare altri sistemi di riferimento per l'inerzia. Scegliamo il Sole come corpo di riferimento. Tale sistema di riferimento è chiamato sistema di riferimento eliocentrico o sistema copernicano. Gli assi delle coordinate del sistema di coordinate associato sono linee rette dirette a tre stelle distanti che non giacciono sullo stesso piano (Fig. 2.1).

Così, nello studio dei moti che si verificano sulla scala del nostro sistema planetario, così come di qualsiasi altro sistema, le cui dimensioni sono piccole rispetto alla distanza da quelle tre stelle che vengono scelte come stelle di riferimento nel sistema copernicano, il copernicano sistema è praticamente un sistema di riferimento inerziale.

Esempio

La natura non inerziale del sistema di riferimento terrestre è spiegata dal fatto che la Terra ruota attorno al proprio asse e attorno al Sole, cioè si muove con accelerazione rispetto al sistema copernicano. Poiché entrambe queste rotazioni avvengono lentamente, in relazione ad una vasta gamma di fenomeni, il sistema terrestre si comporta praticamente come un sistema inerziale. Ecco perché l'istituzione delle leggi fondamentali della dinamica può iniziare con lo studio del moto dei corpi rispetto alla Terra, distraendo dalla sua rotazione, cioè prendendo la Terra per circa IFR.

POTENZA. MASSA CORPOREA

L'esperienza mostra che qualsiasi cambiamento nella velocità di un corpo avviene sotto l'influenza di altri corpi. In meccanica, il processo di modifica della natura del movimento sotto l'influenza di altri corpi è chiamato interazione dei corpi. Per caratterizzare quantitativamente l'intensità di questa interazione, Newton ha introdotto il concetto di forza. Le forze possono causare non solo un cambiamento nella velocità dei corpi materiali, ma anche la loro deformazione. Pertanto, il concetto di forza può essere definito come segue: la forza è una misura quantitativa dell'interazione di almeno due corpi, che provoca l'accelerazione di un corpo o un cambiamento nella sua forma, o entrambi insieme.

Un esempio della deformazione di un corpo sotto l'azione di una forza è una molla compressa o allungata. È facile da usare come standard di forza: l'unità di forza è presa come una forza elastica che agisce in una molla, allungata o compressa in una certa misura. Usando tale standard, si possono confrontare le forze e studiarne le proprietà. Le forze hanno le seguenti proprietà.

ü La forza è una grandezza vettoriale ed è caratterizzata da direzione, modulo (valore numerico) e punto di applicazione. Le forze applicate a un corpo si sommano secondo la regola del parallelogramma.

ü La forza è la causa dell'accelerazione. La direzione del vettore di accelerazione è parallela al vettore di forza.

ü La forza ha un'origine materiale. Non ci sono corpi materiali - nessuna forza.

ü L'azione della forza non dipende dal fatto che il corpo sia fermo o in movimento.

ü Con l'azione simultanea di più forze, il corpo riceve una tale accelerazione come riceverebbe sotto l'azione della forza risultante.

L'ultima affermazione è il contenuto del principio di sovrapposizione delle forze. Il principio di sovrapposizione si basa sull'idea dell'indipendenza dell'azione delle forze: ogni forza impartisce la stessa accelerazione al corpo in esame, indipendentemente dal fatto che solo io-esima fonte di forze o tutte le fonti contemporaneamente. Può essere formulato diversamente. La forza con cui una particella agisce su un'altra dipende solo dai vettori del raggio e dalle velocità di queste due particelle. La presenza di altre particelle non influisce su questa forza. Questa proprietà si chiama legge sull'indipendenza azione delle forze o legge dell'interazione di coppia. Il campo di applicazione di questa legge copre tutta la meccanica classica.

D'altra parte, per risolvere molti problemi, a volte è necessario trovare più forze che, con la loro azione congiunta, potrebbero sostituire una data forza. Questa operazione è chiamata scomposizione della forza data in componenti.

È noto per esperienza che con le stesse interazioni, corpi diversi cambiano la loro velocità di movimento in modo disuguale. La natura del cambiamento nella velocità del movimento dipende non solo dall'entità della forza e dal tempo della sua azione, ma anche dalle proprietà del corpo stesso. L'esperienza mostra che per un dato corpo, il rapporto tra ciascuna forza che agisce su di esso e l'accelerazione impartita da questa forza è un valore costante ... Questo rapporto dipende dalle proprietà del corpo accelerato ed è chiamato massa inerte corpo. Quindi, la massa di un corpo è definita come il rapporto tra la forza che agisce sul corpo e l'accelerazione impartita da questa forza. Maggiore è la massa, maggiore è la forza necessaria per impartire una certa accelerazione al corpo. Il corpo sembra resistere cercando di cambiare la sua velocità.

La proprietà dei corpi, che si esprime nella capacità di mantenere il proprio stato nel tempo (velocità di movimento, direzione di movimento o stato di quiete), è chiamata inerzia. Una misura dell'inerzia di un corpo è la sua massa inerte.Sotto la stessa azione dei corpi circostanti, un corpo può cambiare rapidamente la sua velocità e un altro nelle stesse condizioni - molto più lentamente (Fig. 2.2). Si usa dire che il secondo di questi due corpi è più inerte, o, in altre parole, il secondo corpo ha una massa maggiore. Nel Sistema Internazionale di Unità (SI), il peso corporeo è misurato in chilogrammi (kg). Il concetto di massa non può essere ridotto a concetti più semplici. Maggiore è la massa corporea, minore sarà l'accelerazione che acquisirà sotto l'azione della stessa forza. Maggiore è la forza, maggiore è l'accelerazione, e quindi maggiore è la velocità finale, il corpo si muoverà.

L'unità SI della forza è N (Newton). Uno N (newton) è numericamente uguale alla forza che impartisce massa a un corpo m = 1 kg accelerazione.

Commento.

Il rapporto è valido solo a velocità sufficientemente basse. Con l'aumentare della velocità, questo rapporto cambia, aumentando con la velocità.

LA SECONDA LEGGE DI NEWTON

Dall'esperienza segue che nei sistemi di riferimento inerziali l'accelerazione di un corpo è proporzionale alla somma vettoriale di tutte le forze agenti su di esso ed è inversamente proporzionale alla massa del corpo:

La seconda legge di Newton esprime la relazione tra la risultante di tutte le forze e l'accelerazione da essa provocata:

Ecco il cambiamento della quantità di moto di un punto materiale nel tempo. Impostiamo l'intervallo di tempo a zero:

allora otteniamo

	Tra i tipi estremi di intrattenimento, il bungee jumping occupa un posto speciale. Nella città di Jeffrey Bay è il più grande dei "bungee" registrati - 221 m. È persino elencato nel Guinness dei primati. La lunghezza della corda è calcolata in modo che una persona che salta giù, si fermi sul bordo dell'acqua o semplicemente la tocchi. La persona che salta è trattenuta dalla forza elastica della corda deformata. Tipicamente, una pluralità di trefoli di gomma intrecciati insieme fungono da cavo. Quindi, quando cade, il cavo scatta, impedendo alle gambe del saltatore di staccarsi e aggiungendo ulteriori sensazioni al salto. In piena conformità con la seconda legge di Newton, un aumento del tempo di interazione di un saltatore con una corda porta ad un indebolimento della forza che agisce sulla persona dalla corda.
	Per ricevere una palla che vola ad alta velocità quando giochi a pallavolo, devi muovere le mani nella direzione del movimento della palla. In questo caso, il tempo di interazione con la palla aumenta e, quindi, in pieno accordo con la seconda legge di Newton, diminuisce il valore della forza che agisce sulle mani.

Presentata in questa forma, la seconda legge di Newton contiene una nuova quantità fisica: la quantità di moto. A velocità prossime alla velocità della luce nel vuoto, la quantità di moto diventa la principale quantità misurata negli esperimenti. Pertanto, l'equazione (2.2) è una generalizzazione dell'equazione del moto alle velocità relativistiche.

Come si può vedere dall'equazione (2.2), se, quindi un valore costante, segue che è costante, cioè un impulso, e con esso la velocità di un punto materiale che si muove liberamente è costante. Quindi, formalmente, la prima legge di Newton è una conseguenza della seconda legge. Perché, allora, si distingue come legge indipendente? Il fatto è che l'equazione che esprime la seconda legge di Newton ha senso solo quando viene indicato il sistema di riferimento in cui è valida. Selezionare un tale sistema di riferimento consente la prima legge di Newton. Afferma che esiste un sistema di riferimento in cui un punto materiale libero si muove senza accelerazione. In un tale sistema di riferimento, il moto di qualsiasi punto materiale obbedisce all'equazione del moto di Newton. Quindi, in sostanza, la prima legge non può essere considerata una semplice conseguenza logica della seconda. La connessione tra queste leggi è più profonda.

Dall'equazione (2.2) segue che, cioè, una variazione infinitamente piccola della quantità di moto in un periodo di tempo infinitamente piccolo è uguale al prodotto, chiamato impulso di potere. Maggiore è l'impulso di forza, maggiore è il cambiamento di impulso.

TIPI DI FORZE

Tutta la varietà di interazioni esistenti in natura si riduce a quattro tipi: gravitazionale, elettromagnetico, forte e debole. Le interazioni forti e deboli sono essenziali a distanze così piccole quando le leggi della meccanica di Newton non sono più applicabili. Tutti i fenomeni macroscopici nel mondo che ci circonda sono determinati dalle interazioni gravitazionali ed elettromagnetiche. Solo per questi tipi di interazioni il concetto di forza può essere utilizzato nel senso della meccanica newtoniana. Le forze gravitazionali sono più significative nell'interazione di grandi masse. Le manifestazioni delle forze elettromagnetiche sono estremamente diverse. Ben note forze di attrito, le forze elastiche sono di natura elettromagnetica. Poiché la seconda legge di Newton determina l'accelerazione di un corpo indipendentemente dalla natura delle forze che impartiscono l'accelerazione, nel seguito utilizzeremo il cosiddetto approccio fenomenologico: basandoci sull'esperienza, stabiliremo leggi quantitative per queste forze.

Forze elastiche. Le forze elastiche sorgono in un corpo che subisce l'impatto di altri corpi o campi e sono associate alla deformazione del corpo. Le deformazioni sono un tipo speciale di movimento, vale a dire il movimento di parti del corpo l'una rispetto all'altra sotto l'azione di una forza esterna. Quando il corpo è deformato, la sua forma e il suo volume cambiano. Per i solidi si distinguono due casi limite di deformazione: elastica e plastica. La deformazione è chiamata elastica se scompare completamente dopo la cessazione delle forze deformanti. In caso di deformazioni plastiche (anelastiche), i corpi mantengono parzialmente la loro forma modificata dopo la rimozione del carico.

Le deformazioni elastiche dei corpi sono molteplici. Sotto l'azione di una forza esterna, i corpi possono allungarsi e contrarsi, piegarsi, torcersi, ecc. Questo spostamento è contrastato dalle forze di interazione tra le particelle del solido, che mantengono queste particelle a una certa distanza l'una dall'altra. Pertanto, per qualsiasi tipo di deformazione elastica, nel corpo sorgono forze interne che ne impediscono la deformazione. Le forze che sorgono nel corpo durante la sua deformazione elastica e dirette contro la direzione di spostamento delle particelle del corpo causate dalla deformazione sono chiamate forze elastiche. Le forze elastiche agiscono in qualsiasi sezione del corpo deformato, nonché nel punto del suo contatto con il corpo, causando deformazioni.

L'esperienza mostra che a piccole deformazioni elastiche, l'entità della deformazione è proporzionale alla forza che la causa (Fig. 2.3). Questa affermazione si chiama legge Hooke.

Robert Hooke, 1635-1702

fisico inglese. Nato a Freshwater sull'isola di Wight da una famiglia di sacerdoti, si è laureato all'Università di Oxford. Mentre era ancora all'università, lavorò come assistente nel laboratorio di Robert Boyle, aiutandolo a costruire una pompa a vuoto per l'impianto su cui fu scoperta la legge Boyle-Mariotte. Essendo un contemporaneo di Isaac Newton, insieme a lui partecipò attivamente ai lavori della Royal Society, e nel 1677 vi assunse l'incarico di segretario scientifico. Come molti altri scienziati di quel tempo, Robert Hooke era interessato a un'ampia varietà di aree delle scienze naturali e ha contribuito allo sviluppo di molte di esse. Nella sua monografia "Micrograph", ha pubblicato molti schizzi della struttura microscopica dei tessuti viventi e di altri campioni biologici ed è stato il primo ad introdurre il concetto moderno di "cellula vivente". In geologia, fu il primo a rendersi conto dell'importanza degli strati geologici e fu il primo nella storia a impegnarsi nello studio scientifico dei disastri naturali. Fu uno dei primi ad ipotizzare che la forza di attrazione gravitazionale tra i corpi decrescesse in proporzione al quadrato della distanza tra loro, e due connazionali e coetanei, Hooke e Newton, così fino alla fine della loro vita, si sfidarono per il diritto di essere chiamato lo scopritore della legge di gravitazione universale. Hooke ha progettato e costruito con le proprie mani una serie di importanti strumenti di misura scientifici. In particolare, fu il primo a proporre di posizionare un reticolo di due fili sottili nell'oculare di un microscopio, il primo a suggerire di assumere il punto di congelamento dell'acqua come zero della scala della temperatura, e inventò anche un giunto cardanico (giunto cardanico ).

L'espressione matematica per la legge di Hooke per la deformazione della tensione unilaterale (compressione) è:

dov'è la forza elastica; - variazione della lunghezza (deformazione) del corpo; - coefficiente di proporzionalità, dipendente dalle dimensioni e dal materiale del corpo, detto rigidità. L'unità SI della rigidità è newton per metro (N/m). Nel caso di tensione o compressione unilaterale, la forza elastica è diretta lungo una retta lungo la quale agisce una forza esterna, provocando la deformazione del corpo, opposta alla direzione di questa forza e perpendicolare alla superficie del corpo. La forza elastica è sempre diretta verso la posizione di equilibrio. La forza elastica che agisce sul corpo dal lato del supporto o sospensione è chiamata forza di reazione del supporto o forza di tensione della sospensione.

A . In questo caso . Di conseguenza, il modulo di Young è numericamente uguale alla sollecitazione normale che dovrebbe sorgere nel corpo quando la sua lunghezza è raddoppiata (se la legge di Hooke fosse soddisfatta per una deformazione così grande). Si vede anche dalla (2.3) che nel sistema di unità SI il modulo di Young è misurato in pascal (). Il modulo di Young varia ampiamente a seconda dei materiali. Per l'acciaio, ad esempio, e per la gomma circa, cioè cinque ordini di grandezza in meno.

Naturalmente, la legge di Hooke, anche nella forma migliorata da Jung, non descrive tutto ciò che accade a una sostanza solida sotto l'influenza di forze esterne. Immagina un elastico. Se non lo allunghi troppo, dal lato dell'elastico scaturirà una tensione elastica di ripristino, e non appena lo rilascerai, si raccoglierà immediatamente e tornerà alla sua forma precedente. Se allunghi ulteriormente l'elastico, prima o poi perderà la sua elasticità e sentirai che la forza di resistenza allo stretching è diminuita. Ciò significa che hai superato il cosiddetto limite elastico del materiale. Se tiri ulteriormente la gomma, dopo un po' si strapperà del tutto e la resistenza scomparirà completamente. Ciò significa che il cosiddetto punto di rottura è stato superato. In altre parole, la legge di Hooke è valida solo per compressioni o estensioni relativamente piccole.

Tutti i sistemi di riferimento sono divisi in inerziali e non inerziali. Il sistema di riferimento inerziale è al centro della meccanica newtoniana. Caratterizza il movimento rettilineo uniforme e uno stato di quiete. Un sistema di riferimento non inerziale è associato a un movimento accelerato lungo una traiettoria diversa. Questo movimento è definito in relazione ai sistemi di riferimento inerziali. Un sistema di riferimento non inerziale è associato a effetti come le forze inerziali, centrifughe e di Coriolis.

Tutti questi processi sorgono come risultato del movimento, non dell'interazione tra i corpi. Le leggi di Newton spesso non funzionano nei frame non inerziali. In tali casi, vengono aggiunte modifiche alle leggi classiche della meccanica. Le forze dovute al movimento non inerziale sono prese in considerazione nello sviluppo di prodotti e meccanismi tecnici, compresi quelli con rotazione. Nella vita li incontriamo, muovendosi in ascensore, su una giostra, osservando il tempo e il flusso dei fiumi. Sono anche presi in considerazione quando si calcola il movimento del veicolo spaziale.

Sistemi di riferimento inerziali e non inerziali

I sistemi di riferimento inerziali non sono sempre adatti a descrivere il moto dei corpi. In fisica si distinguono 2 tipi di sistemi di riferimento: sistemi di riferimento inerziali e non inerziali. Secondo la meccanica newtoniana, qualsiasi corpo può trovarsi in uno stato di quiete o di moto uniforme e rettilineo, eccetto i casi in cui sul corpo viene esercitata un'influenza esterna. Questo moto uniforme è chiamato moto inerziale.

Il moto inerziale (sistemi di riferimento inerziali) costituisce la base della meccanica newtoniana e delle opere di Galileo. Se consideriamo le stelle come oggetti stazionari (il che in realtà non è del tutto vero), allora qualsiasi oggetto che si muova in modo uniforme e rettilineo rispetto ad esse formerà sistemi di riferimento inerziali.

A differenza dei sistemi di riferimento inerziali, un sistema di riferimento non inerziale si sposta rispetto a quello specificato con una certa accelerazione. In questo caso, l'uso delle leggi di Newton richiede variabili aggiuntive, altrimenti descriveranno in modo inadeguato il sistema. Per rispondere alla domanda su quali sistemi di riferimento siano detti non inerziali, vale la pena considerare un esempio di moto non inerziale. Questo movimento è la rotazione del nostro e di altri pianeti.

Movimento in sistemi di riferimento non inerziali

Copernico fu il primo a mostrare quanto possa essere complesso un movimento se sono coinvolte più forze. Prima di lui si credeva che la Terra si muovesse da sola, secondo le leggi di Newton, e quindi il suo moto fosse inerziale. Tuttavia, Copernico dimostrò che la Terra ruota attorno al Sole, cioè compie un movimento accelerato rispetto a un oggetto convenzionalmente stazionario, che potrebbe essere una stella.

Quindi, ci sono diversi quadri di riferimento. Sono detti non inerziali solo quelli dove c'è moto accelerato, che è determinato in relazione al sistema inerziale.

La Terra come sistema di riferimento

Un sistema di riferimento non inerziale, esempi della cui esistenza si possono trovare un po' ovunque, è tipico dei corpi con una traiettoria di movimento complessa. La Terra ruota intorno al Sole, che crea un movimento accelerato caratteristico dei sistemi di riferimento non inerziali. Tuttavia, nella pratica quotidiana, tutto ciò che incontriamo sulla Terra è abbastanza coerente con i postulati di Newton. Il punto è che le correzioni per il moto non inerziale per i sistemi di riferimento relativi alla Terra sono molto insignificanti e non giocano un ruolo importante per noi. E le equazioni di Newton per lo stesso motivo risultano essere generalmente valide.

Il pendolo di Foucault

Tuttavia, in alcuni casi, le modifiche sono indispensabili. Ad esempio, il famoso pendolo di Foucault nella cattedrale di San Pietroburgo esegue non solo oscillazioni lineari, ma anche gira lentamente. Questa svolta è dovuta al moto non inerziale della Terra nello spazio.

Per la prima volta questo divenne noto nel 1851 dopo gli esperimenti dello scienziato francese L. Foucault. L'esperimento stesso non è stato condotto a San Pietroburgo, ma a Parigi, in un'enorme sala. Il peso della sfera del pendolo era di circa 30 kg e la lunghezza del filo di collegamento era di 67 metri.

Nei casi in cui solo le formule di Newton per il sistema di riferimento inerziale non sono sufficienti per descrivere il moto, si aggiungono le cosiddette forze inerziali.

Proprietà di un sistema di riferimento non inerziale

Il sistema di riferimento non inerziale compie vari movimenti rispetto a quello inerziale. Può essere movimento traslatorio, rotazione, movimenti combinati complessi. In letteratura, c'è anche un esempio così semplice di un sistema di riferimento non inerziale come un ascensore in movimento accelerato. È a causa del suo movimento accelerato che sentiamo come siamo premuti sul pavimento o, al contrario, sorge una sensazione che è vicina all'assenza di peso. Le leggi della meccanica di Newton non possono spiegare un tale fenomeno. Se segui la famosa fisica, in qualsiasi momento la stessa gravità agirà su una persona in un ascensore, il che significa che le sensazioni dovrebbero essere le stesse, tuttavia, in realtà tutto è diverso. Pertanto, è necessario aggiungere un'ulteriore forza alle leggi di Newton, che è chiamata forza d'inerzia.

Forza d'inerzia

La forza d'inerzia è una vera forza agente, sebbene differisca in natura dalle forze associate all'interazione tra i corpi nello spazio. È preso in considerazione nello sviluppo di strutture e dispositivi tecnici e svolge un ruolo importante nel loro lavoro. Le forze di inerzia vengono misurate in vari modi, ad esempio con un dinamometro a molla. I sistemi di riferimento non inerziali non sono chiusi, poiché le forze inerziali sono considerate esterne. Le forze d'inerzia sono fattori fisici oggettivi e non dipendono dalla volontà e dall'opinione dell'osservatore.

I sistemi di riferimento inerziali e non inerziali, esempi dei quali si possono trovare nei libri di testo di fisica, sono l'azione della forza inerziale, della forza centrifuga, della forza di Coriolis, del trasferimento di quantità di moto da un corpo all'altro e altri.

Movimento in ascensore

Sistemi di riferimento non inerziali, le forze inerziali si manifestano bene durante la salita o la discesa accelerata. Se l'ascensore si sposta verso l'alto con l'accelerazione, la forza d'inerzia risultante tende a premere la persona sul pavimento e, durante la frenata, il corpo, al contrario, inizia a sembrare più leggero. In termini di manifestazioni, la forza d'inerzia in questo caso è simile alla forza di gravità, ma ha una natura completamente diversa. La gravità è gravità, che è associata alle interazioni tra i corpi.

Forze centrifughe

Le forze nei sistemi di riferimento non inerziali possono anche essere centrifughe. È necessario introdurre tale forza per lo stesso motivo della forza d'inerzia. Un esempio lampante dell'azione delle forze centrifughe è la rotazione su una giostra. Mentre la sedia tende a mantenere la persona nella sua "orbita", la forza d'inerzia fa sì che il corpo venga premuto contro lo schienale esterno della sedia. Questo confronto si esprime nella comparsa di un fenomeno come la forza centrifuga.

forza di Coriolis

L'azione di questa forza è ben nota per l'esempio della rotazione della Terra. È possibile chiamarla forza solo condizionatamente, poiché non è tale. L'essenza della sua azione è che durante la rotazione (ad esempio la Terra), ogni punto di un corpo sferico si muove in un cerchio, mentre gli oggetti strappati dalla Terra, idealmente, si muovono in modo rettilineo (come, ad esempio, un corpo che vola liberamente in spazio). Poiché la linea di latitudine è la traiettoria di rotazione dei punti sulla superficie terrestre e ha la forma di un anello, allora tutti i corpi che vengono strappati da esso e inizialmente si muovono lungo questa linea, muovendosi linearmente, iniziano a deviare sempre di più da esso in direzione delle latitudini inferiori.

Un'altra opzione è quando il corpo viene lanciato in direzione meridionale, ma a causa della rotazione della Terra, dal punto di vista dell'osservatore terrestre, il movimento del corpo non sarà più strettamente meridionale.

La forza di Coriolis ha una grande influenza sullo sviluppo dei processi atmosferici. Sotto la sua influenza, l'acqua colpisce più fortemente la sponda orientale dei fiumi che scorrono in direzione meridionale, erodendola gradualmente, il che porta alla comparsa di scogliere. Sul versante occidentale, invece, si depositano le precipitazioni, quindi più dolci e spesso inondate d'acqua durante le piene. È vero, questa non è l'unica ragione che porta al fatto che un lato del fiume è più alto dell'altro, ma in molti casi è dominante.

Anche la forza di Coriolis ha conferme sperimentali. È stato ottenuto dal fisico tedesco F. Reich. Nell'esperimento, i corpi sono caduti da un'altezza di 158 M. Sono stati effettuati un totale di 106 di questi esperimenti. Durante la caduta, i corpi hanno deviato dalla traiettoria rettilinea (dal punto di vista di un osservatore terrestre) di circa 30 mm.

Sistemi di riferimento inerziali e teoria della relatività

La teoria della relatività speciale di Einstein è stata creata in relazione ai sistemi di riferimento inerziali. I cosiddetti effetti relativistici, secondo questa teoria, dovrebbero manifestarsi nel caso di velocità di moto del corpo molto elevate rispetto all'osservatore "fermo". Tutte le formule della teoria della relatività ristretta sono scritte anche per il moto uniforme inerente al sistema di riferimento inerziale. Il primo postulato di questa teoria afferma l'equivalenza di qualsiasi sistema di riferimento inerziale, cioè si postula l'assenza di sistemi speciali e distinti.

Tuttavia, ciò mette in dubbio la possibilità di testare effetti relativistici (così come il fatto stesso della loro presenza), che ha portato alla comparsa di fenomeni come il paradosso del gemello. Poiché i sistemi di riferimento associati al razzo e alla Terra sono fondamentalmente uguali, gli effetti della dilatazione del tempo nella coppia "Terra-razzo" dipenderanno solo da dove si trova l'osservatore. Quindi, per un osservatore su un razzo, il tempo sulla Terra dovrebbe andare più lento, e per una persona sul nostro pianeta, al contrario, dovrebbe andare più lento su un razzo. Di conseguenza, il gemello rimasto sulla Terra vedrà suo fratello in arrivo più giovane, e quello che era nel razzo, essendo arrivato, dovrà vedere più giovane di quello che è rimasto sulla Terra. È chiaro che questo è fisicamente impossibile.

Ciò significa che per osservare gli effetti relativistici, è necessario un qualche tipo di quadro di riferimento speciale e dedicato. Ad esempio, si presume di osservare un aumento relativistico della vita media dei muoni se si muovono a una velocità vicina alla luce rispetto alla Terra. Ciò significa che la Terra dovrebbe (senza alternative) possedere le proprietà di un sistema di riferimento prioritario, di base, che contraddice il primo postulato della SRT. La priorità è possibile solo se la Terra è il centro dell'universo, che è coerente solo con l'immagine primitiva del mondo e contraddice la fisica.

Sistemi di riferimento non inerziali come un modo sfortunato per spiegare il paradosso dei gemelli

I tentativi di spiegare la priorità del sistema di riferimento "terrestre" non resistono alle critiche. Alcuni scienziati associano questa priorità proprio al fattore di inerzia di uno e non di inerzia di un altro sistema di riferimento. In questo caso, il quadro di riferimento associato a un osservatore sulla Terra è considerato inerziale, nonostante nelle scienze fisiche sia ufficialmente riconosciuto come non inerziale (Detlaf, Yavorsky, corso di fisica, 2000). Questa è la prima cosa. Il secondo è lo stesso principio di uguaglianza di qualsiasi sistema di riferimento. Quindi, se un'astronave lascia la Terra con accelerazione, dal punto di vista di un osservatore sulla nave stessa, è statica e la Terra, al contrario, vola via da essa con una velocità crescente.

Si scopre che la Terra stessa è un sistema di riferimento speciale, o gli effetti osservati hanno una spiegazione diversa (non relativistica). Forse i processi sono associati alle specificità dell'impostazione o dell'interpretazione degli esperimenti o ad altri meccanismi fisici dei fenomeni osservati.

Conclusione

Pertanto, i sistemi di riferimento non inerziali portano alla comparsa di forze che non hanno trovato il loro posto nelle leggi della meccanica newtoniana. Quando si calcola per i sistemi non inerziali, è obbligatorio tenere conto di queste forze, anche durante lo sviluppo di prodotti tecnici.

Sistema di riferimento inerziale

Sistema di riferimento inerziale(IFR) è un sistema di riferimento in cui vale la prima legge di Newton (legge di inerzia): tutti i corpi liberi (cioè quelli che non subiscono l'azione di forze esterne o l'azione di queste forze è compensata) si muovono in modo rettilineo e uniformemente o sono a riposo. L'equivalente è la seguente formulazione, conveniente per l'uso in meccanica teorica:

Proprietà dei sistemi di riferimento inerziali

Qualsiasi sistema di riferimento che si muova in modo uniforme e rettilineo rispetto all'IFR è anche l'IFR. Secondo il principio di relatività, tutti gli IFR sono uguali e tutte le leggi della fisica sono invarianti rispetto al passaggio da un IFR all'altro. Ciò significa che le manifestazioni delle leggi della fisica in esse sembrano le stesse e le registrazioni di queste leggi hanno la stessa forma in diversi IFR.

L'assunzione dell'esistenza di almeno un IRF in uno spazio isotropo porta alla conclusione sull'esistenza di un insieme infinito di tali sistemi che si muovono l'uno rispetto all'altro con tutti i tipi di velocità costanti. Se esiste IFR, allora lo spazio sarà omogeneo e isotropo, e il tempo sarà omogeneo; Secondo il teorema di Noether, l'omogeneità dello spazio rispetto al taglio darà la legge di conservazione della quantità di moto, l'isotropia porterà alla conservazione del momento angolare e l'uniformità del tempo risulterà nella conservazione dell'energia di un corpo in movimento.

Se le velocità del moto relativo dell'IFR, realizzato da corpi reali, possono assumere qualsiasi valore, il collegamento tra le coordinate ei tempi di un qualsiasi "evento" in diversi IFR viene effettuato dalle trasformazioni di Galileo.

Comunicazione con quadri di riferimento reali

I sistemi assolutamente inerziali sono un'astrazione matematica che naturalmente non esiste in natura. Tuttavia, esistono sistemi di riferimento in cui l'accelerazione relativa di corpi sufficientemente distanti tra loro (misurata dall'effetto Doppler) non supera i 10 −10 m/s², ad esempio il Sistema di coordinate celesti internazionali in combinazione con il tempo dinamico baricentrico dà un sistema in cui le accelerazioni relative non sono superiori a 1,5 · 10 −10 m / s² (a livello 1σ). L'accuratezza degli esperimenti sull'analisi del tempo di arrivo degli impulsi dalle pulsar, e presto - e misurazioni astrometriche, è tale che nel prossimo futuro dovrebbe essere misurata l'accelerazione del sistema solare mentre si muove nel campo gravitazionale della Galassia , che è stimato in m/s².

Con vari gradi di precisione e a seconda dell'area di utilizzo, i sistemi inerziali possono essere considerati sistemi di riferimento associati a: la Terra, il Sole, immobili rispetto alle stelle.

Sistema di coordinate inerziali geocentriche

L'uso della Terra come ISO, nonostante la sua natura approssimativa, è molto diffuso nella navigazione. Il sistema di coordinate inerziali, come parte dell'IFR, è costruito secondo il seguente algoritmo. Il centro della terra è selezionato come punto O-origine delle coordinate secondo il suo modello accettato. Asse Z: coincide con l'asse di rotazione della terra. Gli assi xey sono nel piano equatoriale. Va notato che un tale sistema non partecipa alla rotazione della Terra.

Note (modifica)

Guarda anche

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Sistema di riferimento, in cui vale la legge d'inerzia: mater. il punto, quando nessuna forza agisce su di esso (o le forze sono reciprocamente bilanciate), è in uno stato di quiete o moto rettilineo uniforme. Qualsiasi quadro di riferimento, ... ... Enciclopedia fisica

SISTEMA DI RIFERIMENTO INERZIALE, vedi SISTEMA DI RIFERIMENTO... Enciclopedia moderna

Sistema di riferimento inerziale- SISTEMA DI RIFERIMENTO INERZIALE, vedi Sistema di riferimento. ... Dizionario enciclopedico illustrato

sistema di riferimento inerziale- inercinė atskaitos sistema statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. quadro di riferimento galileiano; sistema di riferimento inerziale vok. sistema inerziale Bezugssystem, n; Sistema inerziale, n; Tragheitssystem, n rus. sistema di riferimento inerziale, f pranc.…… Fizikos terminų žodynas

Un sistema di riferimento in cui vale la legge di inerzia: un punto materiale, quando su di esso non agiscono forze (o agiscono forze mutuamente equilibrate), è in uno stato di quiete o moto rettilineo uniforme. Qualsiasi ... ... Grande Enciclopedia Sovietica

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Un sistema di riferimento in cui vale la legge di inerzia: un punto materiale, sul quale non agiscono forze, è fermo o in moto rettilineo uniforme. Qualsiasi sistema di riferimento in movimento relativamente inerziale ... ... dizionario enciclopedico

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Prima legge di Newton (legge di inerzia)

Ci sono quadri di riferimento chiamati inerziale(di seguito $ - $ IFR), in cui un corpo è fermo o si muove in modo uniforme e rettilineo, se altri corpi non agiscono su di esso o l'azione di questi corpi è compensata. In tali sistemi, il corpo manterrà il suo stato iniziale di quiete o moto rettilineo uniforme finché l'azione di altri corpi non lo costringerà a cambiare questo stato.

IFR $ - $ è una classe speciale di sistemi di riferimento, in cui le accelerazioni dei corpi sono causate solo da forze reali che agiscono sui corpi e non dalle proprietà dei sistemi di riferimento. Di conseguenza, se nessuna forza agisce sul corpo o il loro effetto è compensato $ \ vec (R _ ()) = \ vec (F_1) + \ vec (F_2) + \ vec (F_3) +… = \ vec (0_ ()) $, allora il corpo non cambia la sua velocità $ \ vec (V _ ()) = \ vec (const) $ e si muove uniformemente in linea retta o è a riposo $ \ vec (V _ ()) = \ vec (0 _ ()) $.

Esistono un numero infinito di sistemi inerziali. Anche il sistema di riferimento associato a un treno che viaggia a velocità costante lungo un tratto rettilineo del binario è un sistema inerziale (approssimativamente), come il sistema associato alla Terra. Tutti gli IFR formano una classe di sistemi che si muovono in modo uniforme e rettilineo l'uno rispetto all'altro. Le accelerazioni di qualsiasi corpo sono le stesse in diversi IFR.

Come stabilire che un dato sistema di riferimento è inerziale? Questo può essere fatto solo empiricamente. Le osservazioni mostrano che, con un grado di accuratezza molto elevato, il sistema eliocentrico può essere considerato come un sistema di riferimento inerziale, in cui l'origine delle coordinate è associata al Sole e gli assi sono diretti a determinate stelle "fisse". I sistemi di riferimento rigidamente connessi con la superficie terrestre, in senso stretto, non sono inerziali, poiché la Terra si muove in un'orbita attorno al Sole e allo stesso tempo ruota attorno al suo asse. Tuttavia, quando si descrivono movimenti che non hanno una scala globale (cioè universale), i sistemi di riferimento associati alla Terra possono essere considerati inerziali con sufficiente precisione.

Sono inerziali anche i sistemi di riferimento che si muovono in modo uniforme e rettilineo rispetto a qualsiasi sistema di riferimento inerziale.

Galileo stabilì che nessun esperimento meccanico eseguito all'interno di un sistema di riferimento inerziale poteva stabilire se questo sistema fosse fermo o se si muovesse in modo uniforme e rettilineo. Questa affermazione si chiama Il principio di relatività di Galileo, o principio meccanico di relatività.

Questo principio è stato successivamente sviluppato da A. Einstein ed è uno dei postulati della teoria della relatività ristretta. Gli IFR giocano un ruolo estremamente importante in fisica, poiché, secondo il principio di relatività di Einstein, l'espressione matematica di qualsiasi legge della fisica ha la stessa forma in ogni IFR.

Sistema di riferimento non inerziale$ - $ sistema di conteggio non inerziale. In questi sistemi, la proprietà descritta nella legge di inerzia non funziona. In effetti, qualsiasi sistema di riferimento che si muova relativamente inerziale con l'accelerazione sarà non inerziale.