Інерціальні системи відліку і принцип відносності в механіці

Закони механіки справедливі в інерційних системах відліку. Які системи відліку можна вважати інерційних?
Інерціальні і неінерційні системи відліку. Легко зрозуміти, що будь-яка система відліку, яка рухається рівномірно і прямолінійно щодо даної системи відліку, також є інерціальній. Справді, якщо тіло щодо певної системи відліку рухається з постійною швидкістю. то по відношенню до системи відліку, яка сама рухається зі швидкістю. це тіло відповідно до закону складання швидкостей буде рухатися з деякою нової, але також постійною швидкістю.
Прискорення тіла в обох системах відліку дорівнює нулю.
Навпаки, будь-яка система відліку, що рухається з прискоренням відносно інерціальної системи відліку, вже буде неінерціальної. Дійсно, якщо. а швидкість змінюється, то швидкість також буде змінюватися з плином часу:.
Отже, характер руху тіла буде змінюватися при переході від однієї системи відліку до іншої.
Так як систему відліку, пов'язану із Землею, можна наближено розглядати як інерційну, то і системи відліку, пов'язані з поїздом, що рухається з постійною швидкістю, або з кораблем, що пливе по прямій з постійною швидкістю, також будуть інерційних. Але як тільки поїзд почне збільшувати свою швидкість, пов'язана з ним система відліку перестане бути інерційної. Закон інерції і другий закон Ньютона перестануть виконуватися, якщо розглядати рух по відношенню до таких систем.
Геоцентрична система відліку інерціальна лише наближено. Насправді геоцентрична система не є строго інерційної. Найбільш близька до інерціальної система відліку, пов'язана з Сонцем і нерухомими зірками. Земля ж рухається по відношенню до цієї системи відліку з прискоренням. По-перше, вона обертається навколо своєї осі і, по-друге, рухається по замкнутій орбіті навколо Сонця.
Прискорення, обумовлене зверненням Землі навколо Сонця, дуже мало, так як великий період обертання (рік). Значно більше (приблизно в 6 разів) прискорення, що виникає через обертання Землі навколо осі з періодом Т = 24 год. Але і воно невелике. На поверхні Землі у екватора, де це прискорення найбільше, воно дорівнює:

т. е. складає всього 0,35% від прискорення вільного падіння g = 9,8 м / с 2. Саме тому систему відліку, пов'язану із Землею, можна наближено розглядати як інерційну.
Доказ обертання Землі. Однак існують явища, які не можна пояснити, якщо вважати геоцентричну систему відліку інерціальної. До них відноситься обертання відносно Землі площині коливань маятника в знаменитому досвіді Фуко, що доводить обертання Землі.
Розглянемо коливання маятника в геліоцентричної інерціальній системі відліку. Для більшої наочності та простоти будемо вважати, що досвід проводиться на полюсі.
Нехай в початковий момент маятник відхиляють від положення рівноваги. Діючі на маятник сила тяжіння до Землі і сила пружності підвісу маятника лежать в тій же вертикальній площині (рис.3.14). Згідно з другим законом Ньютона прискорення маятника збігається за напрямком з рівнодіюча силою і тому лежить в тій же вертикальній площині. А це означає, що з плином часу площину коливань маятника в інерціальній системі відліку повинна залишатися незмінною. Так і відбувається в геліоцентричну систему. Однак система відліку, пов'язана із Землею, не є інерціальній, і щодо неї площину коливань маятника повертається внаслідок обертання Землі. Щоб це виявити, необхідно підвіс зробити таким, щоб тертя в ньому було мало, а сам маятник - досить потужним. Інакше тертя в підвісі змусить площину коливань слідувати за обертанням Землі.

Зсув площині коливань маятника відносно Землі стає помітним вже через кілька хвилин. На середніх широтах коливання маятника будуть виглядати трохи складніше, але суть явища не зміниться. Вперше такий досвід був проведений Ж. Фуко в 1850 р в Парижі.
Рівномірний прямолінійний рух не впливає на механічні процеси. Галілей першим звернув увагу на те, що рівномірний прямолінійний рух по відношенню до Землі абсолютно не позначається на перебігу всіх механічних явищ.
Припустимо, ви перебуваєте в каюті корабля або в вагоні поїзда, що рухається плавно, без поштовхів. Ви можете спокійно грати в бадмінтон або пінг-понг, як і на землі. М'яч або волан буде по відношенню до стін та підлоги переміщатися точно так же, як і по відношенню до Землі при грі в звичайних умовах. Якщо не подивитися у вікно, то з упевненістю можна сказати, що ж відбувається з поїздом: рухається він чи варто.
Якщо в рухомому з постійною швидкістю вагоні вивчати падіння тіл, коливання маятника і інші явища, то результати будуть точно такими ж, як і при дослідженні цих явищ на Землі. Коли сучасний реактивний літак летить зі швидкістю близько 1000 км / год, в його салоні не відбувається нічого, що дозволяло б відчути цю величезну швидкість. Ви можете їсти, спати, грати в шахи, відчуваючи себе як вдома.
Лише при різкому гальмуванні поїзда потрібно докладати додаткових зусиль, щоб встояти на ногах. При великий бовтанки літака або хитавиці пароплава на великій хвилі про гру з м'ячем не може бути й мови. Всі предмети доводиться закріплювати, щоб вони залишалися на своїх місцях.
Принцип відносності. На підставі подібних спостережень можна сформулювати один з найбільш фундаментальних законів природи - принцип відносності:
Всі механічні процеси протікають однаково у всіх інерціальних системах відліку.
Це твердження відоме як принцип відносності в механіці. Його ще називають принципом відносності Галілея.
Не потрібно думати, що виконання принципу відносності означає повну тотожність руху одного і того ж тіла відносно різних інерціальних систем відліку. Тотожні лише закони динаміки. Закони руху тіл визначаються не тільки законами динаміки. але і початковими швидкостями і початковими координатами тел. А початкові швидкості і початкові координати даного тіла відносно різних систем відліку різні.
Так, камінь буде падати вертикально, якщо його початкова швидкість дорівнює нулю по відношенню до Землі. У рівномірно рухомому потязі камінь також буде падати прямовисно по відношенню до стін вагона, якщо початкова швидкість каменя по відношенню до поїзда дорівнює нулю. Але, з точки зору спостерігача на Землі, камінь, що падає прямовисно в поїзді, буде рухатися по параболі (рис.3.15, 3.16). Справа в тому, що початкова швидкість каменя по відношенню до системи відліку, пов'язаної з Землею, відмінна від нуля і дорівнює швидкості поїзда.

Відкриття принципу відносності - одне з найбільших досягнень людського розуму. Воно виявилося можливим лише після того, як люди зрозуміли, що ні Земля, ні Сонце не є центром Всесвіту.

Г.Я.Мякішев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотскій, Фізика 10 клас