Atalet Referans Sistemi (ISO)- atalet yasasının geçerli olduğu bir referans çerçevesi: hepsi özgür bedenler(yani, dış kuvvetlerin etki etmediği veya bu kuvvetlerin etkisinin telafi edildiği) içlerinde doğrusal ve düzgün hareket eder veya içlerinde durur.
Ataletsel olmayan referans çerçevesi- atalet olmayan keyfi bir referans çerçevesi. Eylemsizliğe göre ivme ile hareket eden herhangi bir referans çerçevesi eylemsizdir.
Newton'un birinci yasası - atalet referans çerçeveleri vardır, yani diğer cisimler üzerinde hareket etmiyorsa, cismin düzgün ve doğrusal olarak hareket ettiği bu tür referans çerçeveleri vardır. Bu yasanın ana rolü, bu referans çerçevelerinde cisimler tarafından elde edilen tüm ivmelerin cisimlerin etkileşimlerinin sonuçları olduğunu vurgulamaktır. Hareketin daha ayrıntılı tanımı yalnızca atalet referans çerçevelerinde yapılmalıdır.
Newton'un ikinci yasası vücut ivmesinin nedeninin, özelliği kuvvet olan cisimlerin etkileşimi olduğunu belirtir. Bu yasa, prensipte, üzerine etkiyen kuvvetler biliniyorsa, bir cismin hareket yasasını bulmayı mümkün kılan temel dinamik denklemini verir. Bu yasa şu şekilde formüle edilebilir (Şekil 100):
Bir nokta cismin (malzeme noktası) ivmesi, cisme etki eden kuvvetlerin toplamı ile doğru orantılıdır ve cismin kütlesi ile ters orantılıdır:
burada F- Ortaya çıkan kuvvet, yani cisme etki eden tüm kuvvetlerin vektörel toplamı. İlk bakışta, denklem (1), önceki bölümde verilen kuvvet tanımını yazmanın başka bir şeklidir. Ancak bu tam olarak doğru değil. İlk olarak, Newton yasası, denklemin (1) kuvvet tanımında olmayan, vücuda etki eden tüm kuvvetlerin toplamını içerdiğini belirtir. İkincisi, Newton'un ikinci yasası, kuvvetin vücudun ivmesinin nedeni olduğunu ve bunun tersinin olmadığını açık bir şekilde vurgular.
Newton'un üçüncü yasası ivmenin nedeninin, cisimlerin birbirleri üzerindeki karşılıklı hareketi olduğunu vurgular. Bu nedenle, etkileşen cisimlere etki eden kuvvetler, aynı etkileşimin özellikleridir. Bu açıdan bakıldığında, Newton'un üçüncü yasasında (Şekil 101) şaşırtıcı bir şey yoktur:
nokta cisimler (malzeme noktaları), büyüklük olarak eşit ve zıt yöndeki ve bu cisimleri birleştiren düz çizgi boyunca yönlendirilen kuvvetlerle etkileşime girer:
nerede F 12 - ikinci cisme göre birinci cisme etki eden kuvvet, a F 21 birinci cisme göre ikinci cisme etki eden kuvvettir. Açıkçası, bu kuvvetler aynı niteliktedir. Bu yasa aynı zamanda çok sayıda deneysel olgunun genelleştirilmesidir. Bir önceki bölümde verilen cisimlerin kütlesini belirlemenin esasının aslında bu yasa olduğunu belirtelim.
Eylemsiz olmayan bir referans çerçevesindeki bir malzeme noktasının hareket denklemi şu şekilde temsil edilebilir: :
nerede - ağırlık cisimler, - ataletsel olmayan bir referans çerçevesine göre cismin ivmesi ve hızı, - cisme etki eden tüm dış kuvvetlerin toplamı, - taşınabilir hızlanma bedenler - Coriolis ivmesi cisimler, - eylemsiz olmayan bir referans sisteminin orijinden geçen anlık eksen etrafındaki dönme hareketinin açısal hızı, - herhangi bir eylemsiz referans çerçevesine göre eylemsiz olmayan referans çerçevesinin orijinin hareket hızı .
Bu denklem olağan formda yazılabilir. Newton'un ikinci yasası, eğer girersen atalet kuvvetleri:
Eylemsiz olmayan referans çerçevelerinde eylemsizlik kuvvetleri ortaya çıkar. Bu kuvvetlerin görünümü eylemsiz referans sisteminin bir işaretidir.
Dikkatinize konuyla ilgili bir video eğitimi sunuyoruz " atalet sistemleri referans. 9. sınıf için okul fizik dersine dahil olan Newton'un birinci yasası. Dersin başında, öğretmen size seçilen referans çerçevesinin önemini hatırlatacaktır. Ardından seçilen referans sisteminin doğruluğu ve özellikleri hakkında konuşacak ve ayrıca "atalet" terimini açıklayacaktır.
Bir önceki derste, bir referans çerçevesi seçmenin öneminden bahsetmiştik. Yörüngenin, kat edilen mesafenin ve hızın CO'yu nasıl seçtiğimize bağlı olacağını hatırlayın. Bir referans sistemi seçimiyle ilgili bir dizi başka özellik vardır ve bunlar hakkında konuşacağız.
Pirinç. 1. Yükün düşme yörüngesinin referans sistem seçimine bağlılığı
Yedinci sınıfta "atalet" ve "atalet" kavramlarını çalıştınız.
Eylemsizlik - bu olgu vücudun orijinal durumunu koruma eğiliminde olduğu. Vücut hareket ediyorsa, bu hareketin hızını korumaya çalışmalıdır. Ve eğer dinleniyorsa, dinlenme durumunu sürdürmek için çaba gösterecektir.
eylemsizlik - bu Emlak hareket durumunu korumak için vücut. Atalet özelliği, kütle gibi bir miktar ile karakterize edilir. Ağırlık – vücut atalet ölçüsü. Vücut ne kadar ağırsa, hareket etmesi veya tersine durması o kadar zor olur.
Lütfen bu kavramların "" kavramıyla doğrudan ilişkili olduğunu unutmayın. atalet referans çerçevesi» (ISO), aşağıda tartışılacaktır.
Cisme başka cisimler etki etmiyorsa, bir cismin hareketini (veya dinlenme durumunu) düşünün. Vücudun diğer cisimlerin hareketinin yokluğunda nasıl davranacağına dair sonuç ilk olarak Rene Descartes tarafından önerildi (Şekil 2) ve Galileo'nun deneylerinde devam etti (Şekil 3).
Pirinç. 2. Rene Descartes
Pirinç. 3. Galileo Galilei
Cisim hareket ederse ve başka cisimler ona etki etmezse, hareket korunur, doğrusal ve tekdüze kalır. Diğer cisimler vücut üzerinde hareket etmiyorsa ve vücut dinleniyorsa, dinlenme durumu korunacaktır. Ancak dinlenme durumunun referans çerçevesi ile bağlantılı olduğu bilinmektedir: bir FR'de vücut dinleniyor ve diğerinde oldukça başarılı ve hızlı hareket ediyor. Deneylerin ve muhakemenin sonuçları, cismin tüm referans çerçevelerinde düz bir çizgide ve düzgün bir şekilde hareket etmeyeceği veya üzerinde hareket eden diğer cisimlerin yokluğunda hareketsiz kalmayacağı sonucuna götürür.
Sonuç olarak, mekaniğin temel problemini çözmek için, atalet yasasının yine de yerine getirildiği, vücut hareketindeki değişikliğe neden olan sebebin açık olduğu böyle bir raporlama sisteminin seçilmesi önemlidir. Diğer cisimlerin hareketinin yokluğunda cisim düz bir çizgide ve düzgün bir şekilde hareket ediyorsa, böyle bir referans çerçevesi bizim için tercih edilir ve buna denir. atalet referans çerçevesi(ISO).
Aristoteles'in hareketin nedenine bakış açısı
Eylemsiz bir referans çerçevesi, bir cismin hareketini ve bu harekete neden olan nedenleri açıklamak için uygun bir modeldir. Bu kavram ilk kez Isaac Newton sayesinde ortaya çıktı (Şekil 5).
Pirinç. 5. Isaac Newton (1643-1727)
Eski Yunanlılar hareketi tamamen farklı bir şekilde hayal ettiler. Harekete ilişkin Aristotelesçi bakış açısıyla tanışacağız (Şekil 6).
Pirinç. 6. Aristoteles
Aristoteles'e göre, yalnızca bir atalet referans çerçevesi vardır - Dünya ile ilişkili referans çerçevesi. Aristoteles'e göre diğer tüm referans sistemleri ikincildir. Buna göre, tüm hareketler iki türe ayrılabilir: 1) doğal, yani Dünya'nın bildirdiği hareketler; 2) zorla, yani geri kalan her şey.
Doğal hareketin en basit örneği, bir cismin Dünya'ya serbest düşüşüdür, çünkü bu durumda Dünya vücuda hız verir.
Zorunlu hareketin bir örneğini ele alalım. At arabayı çektiğinde durum budur. At kuvvet uyguladığı sürece araba hareket eder (Şek. 7). At durur durmaz araba da durdu. Güç yok, hız yok. Aristoteles'e göre bir cisimde hızın varlığını açıklayan kuvvettir.
Pirinç. 7. Zorla hareket
Şimdiye kadar, bazı sıradan insanlar Aristoteles'in bakış açısını adil buluyor. Örneğin, Dünya Savaşı sırasında The Adventures of the Good Soldier Schweik'ten Albay Friedrich Kraus von Zillergut, "Güç yoksa hız da yok" ilkesini açıklamaya çalıştı: "Bütün benzin bittiğinde," dedi albay, "araba durdurmak zorunda kaldı. Dün gördüğüm şey bu. Ve ondan sonra hala ataletten bahsediyorlar beyler. Gitmez, ayakta durur, bir yerden kıpırdamaz. Benzin yok! Komik değil mi?
Hayranların olduğu modern şov dünyasında olduğu gibi, her zaman eleştirmenler olacaktır. Aristoteles'in de eleştirileri vardı. Aşağıdaki deneyi yapmasını önerdiler: bedeni bırakın ve tam olarak bıraktığımız yerin altına düşecektir. Çağdaşlarının örneklerine benzer şekilde Aristoteles'in teorisinin eleştirisine bir örnek verelim. Uçan bir uçağın bomba attığını hayal edin (Şek. 8). Bomba tam olarak bıraktığımız yerin altına mı düşecek?
Pirinç. 8. Örnek resim
Tabii ki değil. Ama sonuçta bu doğal bir hareket - Dünya'nın bildirdiği bir hareket. O halde bu bombanın daha da ileriye gitmesini sağlayan nedir? Aristoteles şu şekilde cevap verdi: Gerçek şu ki, Dünya'nın bildirdiği doğal hareket düz bir düşüş. Ancak havada hareket ederken bomba türbülansları tarafından taşınır ve bu türbülanslar bombayı adeta ileri doğru iter.
Hava çıkarılırsa ve bir vakum oluşturulursa ne olur? Ne de olsa hava yoksa Aristoteles'e göre bomba kesinlikle atıldığı yerin altına düşmelidir. Aristoteles, hava yoksa böyle bir durumun mümkün olduğunu, ancak aslında doğada boşluk olmadığını, boşluk olmadığını savundu. Ve boşluk yoksa sorun da yoktur.
Ve sadece Galileo Galilei atalet ilkesini alıştığımız biçimde formüle etti. Hızdaki değişimin nedeni diğer cisimlerin vücut üzerindeki etkisidir. Diğer cisimler cisme etki etmezse veya bu hareket telafi edilirse cismin hızı değişmez.
Atalet referans çerçevesi ile ilgili olarak aşağıdaki muhakemeyi yapabiliriz. Bir arabanın hareket ettiği, ardından sürücünün motoru kapattığı ve ardından arabanın ataletle hareket ettiği bir durum hayal edin (Şekil 9). Ancak bu, zamanla arabanın sürtünme kuvvetinin bir sonucu olarak durması gibi basit bir nedenden dolayı yanlış bir ifadedir. Bu nedenle, bu durumda olmayacak düzenli hareket- koşullardan biri eksik.
Pirinç. 9. Sürtünme kuvvetinin bir sonucu olarak arabanın hızı değişir.
Başka bir durumu ele alalım: Büyük, büyük bir traktör sabit bir hızla hareket ederken, önünde büyük bir yükü kovayla çekiyor. Böyle bir hareket doğrusal ve tekdüze olarak kabul edilebilir, çünkü bu durumda vücuda etki eden tüm kuvvetler dengelenir ve birbirini dengeler (Şekil 10). Bu nedenle, bu bedenle ilişkili referans çerçevesini atalet olarak kabul edebiliriz.
Pirinç. 10. Traktör düzgün ve düz bir çizgide hareket eder. Tüm organların eylemi telafi edilir
Birçok atalet referans çerçevesi olabilir. Bununla birlikte, gerçekte, böyle bir referans çerçevesi hala idealize edilmiştir, çünkü daha yakından incelendiğinde tam anlamıyla böyle bir referans çerçevesi yoktur. ISO, gerçek fiziksel süreçleri etkili bir şekilde simüle etmenizi sağlayan bir tür idealleştirmedir.
Eylemsiz referans sistemleri için, Galileo'nun hızları toplama formülü geçerlidir. Ayrıca, daha önce bahsettiğimiz tüm referans çerçevelerinin bazı yaklaşımlarda atalet olarak kabul edilebileceğini unutmayın.
Isaac Newton, ISO'ya adanmış yasayı formüle eden ilk kişiydi. Newton'un değeri, hareket eden bir cismin hızının anında değil, zamanla bazı hareketlerin sonucu olarak değiştiğini bilimsel olarak gösteren ilk kişi olması gerçeğinde yatmaktadır. Bu gerçek, Newton'un birinci yasası dediğimiz yasanın oluşturulmasına temel oluşturdu.
Newton'un birinci yasası : cismin düz bir çizgide ve düzgün bir şekilde hareket ettiği veya bedene hiçbir kuvvet etki etmediğinde veya cisim üzerine etkiyen tüm kuvvetlerin dengelendiği durumlarda hareketsiz olduğu referans sistemleri vardır. Bu tür referans çerçevelerine atalet denir.
Başka bir deyişle, bazen şunu söylerler: Eylemsiz bir referans çerçevesi, Newton yasalarının yerine getirildiği bir çerçevedir.
Dünya neden eylemsiz bir CO'dur? Foucault sarkacı
AT çok sayıda Problemlerde, Dünya'yı ataletsel bir referans çerçevesi olarak kabul ederken, bir cismin Dünya'ya göre hareketini dikkate almak gerekir. Bu ifadenin her zaman doğru olmadığı ortaya çıktı. Dünyanın kendi eksenine veya yıldızlara göre hareketini düşünürsek, bu hareket bir miktar ivme ile gerçekleşir. Belirli bir ivme ile hareket eden SO tam anlamıyla atalet olarak kabul edilemez.
Dünya kendi ekseni etrafında dönmektedir, yani yüzeyindeki tüm noktalar sürekli olarak hızlarının yönünü değiştirmektedir. Hız bir vektör miktarıdır. Yönü değişirse, bir miktar ivme belirir. Bu nedenle, Dünya doğru bir ISO olamaz. Bu ivmeyi ekvatorda bulunan noktalar için hesaplarsak (kutuplara daha yakın noktalara göre maksimum ivmeye sahip noktalar), o zaman değeri olacaktır. İndeks, ivmenin merkezcil olduğunu gösterir. Hızlanma ile karşılaştırıldığında serbest düşüş, ivme ihmal edilebilir ve Dünya eylemsiz bir referans çerçevesi olarak kabul edilebilir.
Ancak uzun süreli gözlemler sırasında Dünya'nın dönüşünü unutmamak gerekir. Bu, Fransız bilim adamı Jean Bernard Leon Foucault tarafından ikna edici bir şekilde gösterildi (Şekil 11).
Pirinç. 11. Jean Bernard Leon Foucault (1819-1868)
Foucault sarkacı(Şek. 12) - çok uzun bir ipe asılmış devasa bir ağırlıktır.
Pirinç. 12. Foucault sarkaç modeli
Foucault sarkacı dengeden çıkarılırsa, o zaman sonraki yörünge düz bir çizgiden farklıdır (Şek. 13). Sarkacın yer değiştirmesi, Dünya'nın dönüşünden kaynaklanmaktadır.
Pirinç. 13. Foucault sarkacının salınımları. Yukarıdan bak.
Dünyanın dönüşü bir seriden kaynaklanmaktadır. ilginç gerçekler. Örneğin, kuzey yarımkürenin nehirlerinde, kural olarak, sağ kıyı daha diktir ve sol kıyı daha yumuşaktır. Güney yarımkürenin nehirlerinde - tam tersi. Bütün bunlar tam olarak Dünya'nın dönüşünden ve bunun sonucunda ortaya çıkan Coriolis kuvvetinden kaynaklanmaktadır.
Newton'un birinci yasasının formülasyonu sorunu üzerine
Newton'un birinci yasası: Eğer hiçbir cisim cisim üzerinde hareket etmiyorsa veya hareketleri karşılıklı olarak dengeleniyorsa (telafi ediliyorsa), o zaman bu beden hareketsiz olacak veya düzgün ve doğrusal olarak hareket edecektir.
Newton'un birinci yasasının böyle bir formülasyonunun düzeltilmesi gerektiğini bize gösterecek bir durumu ele alalım. Pencereleri perdeli bir tren düşünün. Böyle bir trende yolcu, trenin hareket edip etmediğini dışarıdaki cisimlerden anlayamaz. İki referans çerçevesini ele alalım: yolcu Volodya ile ilişkili FR ve Katya platformundaki gözlemci ile ilişkili FR. Tren hızlanmaya başlar, hızı artar. Masadaki elmaya ne olacak? Ters yönde yuvarlanacaktır. Katya için elmanın ataletle hareket ettiği aşikar olacak, ancak Volodya için bu anlaşılmaz olacak. Trenin hareket etmeye başladığını görmez ve birden masanın üzerinde duran bir elma onun üzerinde yuvarlanmaya başlar. Bu nasıl olabilir? Ne de olsa Newton'un birinci yasasına göre elmanın hareketsiz kalması gerekir. Bu nedenle, Newton'un birinci yasasının tanımını geliştirmek gerekir.
Pirinç. 14. Çizim örneği
Newton'un birinci yasasının doğru formülasyonu Kulağa şöyle geliyor: Vücudun düz bir çizgide ve düzgün bir şekilde hareket ettiği veya vücuda etki eden kuvvetler yoksa veya vücuda etki eden tüm kuvvetlerin dengelendiği durumlarda hareketsiz olduğu referans sistemleri vardır.
Volodya ataletsel olmayan bir referans çerçevesindedir ve Katya atalet içindedir.
Sistemlerin çoğu, gerçek referans sistemleri - ataletsiz. Basit bir örnek ele alalım: Bir trende otururken masaya bir cisim (örneğin bir elma) koyarsınız. Tren hareket etmeye başladığında çok ilginç bir resim gözlemleyeceğiz: elma hareket edecek, trenin hareketinin tersi yönde yuvarlanacak (Şek. 15). Bu durumda hangi cisimlerin hareket ettiğini, elmayı hareket ettirdiğini belirleyemeyeceğiz. Bu durumda sistemin ataletsiz olduğu söylenir. Ancak girerek durumdan çıkabilirsiniz. eylemsizlik kuvveti.
Pirinç. 15. Eylemsiz bir CO örneği
Başka bir örnek: bir cisim yolun bir dönüşü boyunca hareket ettiğinde (Şekil 16), cismin doğrusal hareket yönünden sapmasına neden olan bir kuvvet ortaya çıkar. Bu durumda ayrıca dikkate almalıyız. eylemsiz referans çerçevesi, ancak önceki durumda olduğu gibi sözde tanıtarak da durumdan çıkabiliriz. atalet kuvvetleri.
Pirinç. 16. Yuvarlak bir yol boyunca hareket ederken atalet kuvvetleri
Çözüm
Sonsuz sayıda referans sistemi vardır, ancak bunların çoğu atalet referans sistemleri olarak kabul edemeyeceğimiz sistemlerdir. Eylemsiz referans çerçevesi idealize edilmiş bir modeldir. Bu arada, böyle bir referans sistemini Dünya veya bazı uzak nesnelerle (örneğin yıldızlarla) ilişkili bir referans sistemi olarak alabiliriz.
Kaynakça
- Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizik: 9. Sınıf Ders Kitabı lise. - M.: Aydınlanma.
- Peryshkin A.V., Gutnik E.M. Fizik. 9. sınıf: genel eğitim için ders kitabı. kurumlar / A. V. Peryshkin, E. M. Gutnik. - 14. baskı, basmakalıp. - M.: Bustard, 2009. - 300.
- Sokolovich Yu.A., Bogdanova G.S. Fizik: Problem çözme örnekleri içeren el kitabı. - 2. baskı, yeniden dağıtım. - X .: Vesta: "Ranok" yayınevi, 2005. - 464 s.
- İnternet portalı "physics.ru" ()
- İnternet portalı "ens.tpu.ru" ()
- İnternet portalı "prosto-o-slognom.ru" ()
Ev ödevi
- Eylemsiz ve eylemsiz olmayan referans çerçevelerinin tanımlarını formüle edin. Bu tür sistemlere örnekler veriniz.
- Newton'un birinci yasasını ifade edin.
- ISO'da vücut dinleniyor. Bir hız ile ilk referans çerçevesine göre hareket eden IFR'deki hızının değerinin ne olduğunu belirleyin. v?
Sorular
1. Bir cisim, üzerinde başka cisimler hareket etmiyorsa nasıl hareket eder?
Vücut düzgün ve doğrusal olarak hareket eder veya durur.
2. Vücut düz bir çizgide düzgün bir şekilde hareket eder. Hızını değiştiriyor mu?
Bir vücut düzgün ve düz bir çizgide hareket ederse, hızı değişmez.
3. Daha önce cisimlerin dinlenme durumu ve hareketi ile ilgili hangi görüşler vardı? erken XVII içinde.?
17. yüzyılın başına kadar, Aristoteles'in teorisi hakim oldu, buna göre, eğer çıkmazsa dış etki, o zaman durabilir ve sabit bir hızla hareket etmesi için başka bir cismin sürekli olarak üzerinde hareket etmesi gerekir.
4. Galileo'nun cisimlerin hareketine ilişkin bakış açısı Aristoteles'in bakış açısından nasıl farklıdır?
Galileo'nun cisimlerin hareketine ilişkin bakış açısı, cisimlerin dış kuvvetlerin yokluğunda hareket edebilecekleri konusunda Aristoteles'in bakış açısından farklıdır.
5. Şekil 19'da gösterilen deney nasıl gerçekleştirildi ve bundan hangi sonuçlar çıktı?
Tecrübe kursu. Bir el arabası üzerinde yere göre düzgün ve doğrusal olarak hareket eden iki top vardır. Bir top arabanın dibinde durur ve ikincisi bir ipliğe asılır. Toplara etki eden kuvvetler dengelendiği için toplar arabaya göre hareketsizdir. Fren yaparken, her iki top da harekete geçer. Üzerlerine hiçbir kuvvet etkimese de hızlarını arabaya göre değiştirirler. Sonuç: Sonuç olarak, fren arabası ile ilgili referans çerçevesinde atalet kanunu sağlanmamaktadır.
6. Newton'un birinci yasası nasıl okunur? (modern terimlerle)?
Newton'un modern formülasyondaki ilk yasası: diğer cisimlerden (kuvvetler) etkilenmezlerse veya bu cisimlerin (kuvvetler) hareketi telafi edilirse (sıfır'a eşit), cisimlerin hızlarını değiştirmeden tuttukları referans sistemleri vardır.
7. Hangi referans sistemleri eylemsiz olarak adlandırılır ve hangileri eylemsizdir?
Atalet yasasının yerine getirildiği referans çerçevelerine eylemsizlik denir ve yerine getirilmediği - eylemsiz olmayan.
Evet yapabilirsin. Bu, atalet referans çerçevelerinin tanımından kaynaklanmaktadır.
9. Referans çerçevesi herhangi bir atalet çerçevesine göre ivme ile mi hareket ediyor?
Hayır, atalet değil.
Egzersizler.
1. Masanın üzerinde düzgün ve doğrusal hareket eden bir trende, kolayca hareket edebilen bir oyuncak araba vardır. Tren fren yaptığında, araba herhangi bir dış etki olmaksızın yere göre hızını koruyarak ileri doğru yuvarlandı.
Eylemsizlik yasası aşağıdakileri yerine getiriyor mu: a) toprakla bağlantılı referans çerçevesinde; b) doğrusal ve düzgün hareketi sırasında trenle ilgili referans çerçevesinde? Frenleme sırasında mı?
Açıklanan durumda, toprakla bağlantılı referans çerçevesinin atalet olarak kabul edilmesi mümkün müdür? trenle mi
a) Evet, atalet yasası her durumda karşılanır, çünkü makine Dünya'ya göre hareket etmeye devam etti; b) Üniforma durumunda ve doğrusal hareket trenlerde atalet yasası karşılanır (makine sabittir), ancak frenleme sırasında karşılanmaz. Dünya her durumda ataletsel bir referans çerçevesidir ve tren yalnızca düzgün ve doğrusal hareket halindedir.
genel fizik kursu
Giriiş.
Fizik (Yunanca, fizikten - doğa), maddi dünyanın en basit ve aynı zamanda en genel özelliklerini inceleyen doğa bilimi (doğal olayların kalıpları, maddenin özellikleri ve yapısı ve hareket yasaları) . Fizik kavramları ve yasaları tüm doğa bilimlerinin temelini oluşturur. Fizik, kesin bilimlere aittir ve fenomenlerin nicel modellerini inceler. Bu nedenle doğal olarak fiziğin dili matematiktir.
Madde iki temel biçimde var olabilir: madde ve alan. Onlar birbirine bağlıdır.
Örnekler: içinde durgunluk – katı cisimler, sıvılar, plazma, moleküller, atomlar, temel parçacıklar vb.
Alan- elektromanyetik alan (alanın kuantumları (kısımları) - fotonlar);
yerçekimi alanı (alan kuantumları - gravitonlar).
Madde ve alan arasındaki ilişki– bir elektron-pozitron çiftinin yok edilmesi.
Fizik kesinlikle bir dünya görüşü bilimidir ve temellerinin bilgisi, modern bir insanın herhangi bir eğitiminin, kültürünün gerekli bir unsurudur.
Aynı zamanda, fiziğin çok büyük bir uygulanan değer. İnsanlığın teknik, bilgi ve iletişim başarılarının büyük çoğunluğunu ona borçludur.
Dahası, son on yıllarda, sosyoloji ve ekonomi gibi fizikten uzak görünen bilimlerde fiziksel araştırma yöntemleri giderek daha fazla kullanılmaktadır.
Klasik mekanik.
Mekanik, fiziğin bunlarla ilgilenen dalıdır. en basit hal maddenin hareketi - cisimlerin uzay ve zamanda hareketi.
Başlangıçta, bir bilim olarak mekaniğin temel ilkeleri (yasaları), I. Newton tarafından kendi adını alan üç yasa şeklinde formüle edildi.
Vektör tanımlama yöntemini kullanarak hız, bir noktanın veya cismin yarıçap vektörünün türevi olarak tanımlanabilir. 
ve kütle burada orantılılık katsayısı olarak işlev görür.
- İki cisim etkileşime girdiğinde, her biri başka bir cisim üzerinde aynı değerde, ancak zıt yönde, kuvvetle etki eder.
Bu yasalar deneyimden gelir. Tüm klasik mekanikler bunlara dayanmaktadır. Uzun bir süre boyunca, gözlemlenen tüm fenomenlerin bu yasalarla tanımlanabileceğine inanılıyordu. Bununla birlikte, zamanla, insan yeteneklerinin sınırları genişledi ve deneyim, Newton yasalarının her zaman geçerli olmadığını ve sonuç olarak klasik mekaniğin belirli uygulanabilirlik sınırlarına sahip olduğunu gösterdi.
Ek olarak, biraz sonra klasik mekaniğe biraz farklı bir açıdan - bir anlamda Newton yasalarından daha genel fizik yasaları olan koruma yasalarına dayalı olarak - döneceğiz.
1.2. Klasik mekaniğin uygulanabilirlik sınırları.
İlk sınırlama, incelenen nesnelerin hızlarıyla ilgilidir. Deneyimler, Newton yasalarının yalnızca şu koşullar altında geçerli kaldığını göstermiştir: 
, ışığın boşluktaki hızı nerede ( 
). Bu hızlarda, bir referans çerçevesinden diğerine geçerken doğrusal ölçekler ve zaman aralıkları değişmez. Bu yüzden uzay ve zaman mutlaktır klasik mekanikte.
Bu nedenle, klasik mekanik, hareketi düşük bağıl hızlarla, yani bu göreceli olmayan fiziktir. Yüksek hızlardan kaynaklanan sınırlama, klasik Newton mekaniğinin uygulanmasındaki ilk sınırlamadır.
Ek olarak, deneyimler, Newton mekaniği yasalarının uygulanmasının mikro nesneleri tanımlamak için yasa dışı olduğunu göstermektedir: moleküller, atomlar, çekirdekler, temel parçacıklar, vb. Boyutlardan başlayarak
(
), gözlemlenen fenomenin yeterli bir açıklaması başkaları tarafından verilir.
  |
yasalar - kuantum. Sistemi tanımlayan ve boyuta sahip karakteristik miktar olduğunda kullanılması gerekenler bunlardır. 
, Planck sabiti ile karşılaştırılabilir Diyelim ki, bir atomdaki bir elektron için, elimizde var. O zaman açısal momentum boyutuna sahip olan nicelik şuna eşittir: .
Hiç fiziksel olgu- bu olaylar dizisi. Etkinlik uzayda belirli bir noktada olup bitenlere denir şu an zaman.
Olayları tanımlamak için şunu girin: uzay ve zaman- maddenin varlığının ana biçimlerini gösteren kategoriler. Uzay, bireysel nesnelerin varoluş sırasını ifade eder ve zaman, fenomenlerin değişim sırasını ifade eder. Yer ve zaman işaretlenmelidir. İşaretleme, referans gövdeleri ve referans (ölçek) gövdeleri tanıtılarak gerçekleştirilir.
Referans sistemleri. Eylemsiz referans sistemleri.
Vücudun hareketini veya kullanılan modeli tanımlamak için - malzeme noktası uygulanabilir vektör yolu açıklamalar, bizi ilgilendiren nesnenin konumu yarıçap vektörü kullanılarak ayarlandığında 
referans cisimden bizi ilgilendiren bir noktaya yönlendirilen, uzaydaki konumu zamanla değişebilen bir parça. Yarıçap vektörünün uçlarının yeri denir Yörünge hareketli nokta
2.1. Koordinat sistemleri.
Bir cismin hareketini tanımlamanın başka bir yolu da koordinat, belirli bir koordinat sisteminin referans gövdeyle katı bir şekilde ilişkilendirildiği.
Mekanikte ve genel olarak fizikte, farklı problemlerde farklı koordinat sistemlerinin kullanılması uygundur. En sık kullanılan sözde Kartezyen, silindirik ve küresel koordinat sistemleri.
| |
1) Kartezyen koordinat sistemi: Üç eksenin tümü (cetveller) boyunca belirtilen ölçeklere sahip karşılıklı üç dikey eksen girilir. Tüm eksenler için referans noktası, referans gövdesinden alınır. ile arasındaki koordinatların her birinin değişim limitleri.
Bir noktanın konumunu belirten yarıçap vektörü, koordinatları cinsinden şu şekilde tanımlanır:
. (2.1)
Kartezyen sistemde küçük hacim:
,
veya sonsuz küçük artışlarla:
(2.2)
2) Silindirik koordinat sistemi: Eksenden uzaklık, x ekseninden dönme açısı ve referans gövdeden eksen boyunca yükseklik değişken olarak seçilir.
| |
3) küresel koordinat sistemi: referans gövdeden ilgi noktasına olan mesafeyi ve açıları girin
döndürme ve , sırasıyla eksenlerden sayılır ve .
Yarıçap vektörü - değişkenlerin işlevi 
,
koordinat değişim limitleri:
Kartezyen koordinatlar, aşağıdaki ilişkilerle küresel koordinatlarla ilişkilidir.
(2.6)
Küresel koordinatlarda hacim öğesi:
(2.7)
2.2. Referans sistemi.
Bir referans sistemi oluşturmak için, referans cisme sağlam bir şekilde bağlı olan koordinat sistemi bir saat ile desteklenmelidir. Saatler uzayda farklı noktalarda bulunabilir, bu nedenle senkronize edilmeleri gerekir. Saat senkronizasyonu sinyaller kullanılarak gerçekleştirilir. Olayın meydana geldiği noktadan gözlem noktasına kadar olan sinyal yayılma süresi olsun. O zaman saatimiz sinyalin göründüğü andaki zamanı göstermelidir. 
olayın gerçekleştiği andaki saat, zamanı gösteriyorsa. Bu tür saatleri senkronize olarak kabul edeceğiz.
Uzayda olayın meydana geldiği noktadan gözlem noktasına olan mesafe ise ve sinyal iletim hızı ise, o zaman 
. Klasik mekanikte, sinyal yayılma hızının 
. Bu nedenle, tüm uzayda bir saat tanıtılır.
agrega referans cisimleri, koordinat sistemleri ve saatler biçim Referans sistemi(KO).
Sonsuz sayıda referans sistemi vardır. Deneyimler, ışık hızına kıyasla hızların küçük olduğunu göstermektedir. 
, doğrusal ölçekler ve zaman aralıkları değişmez bir referans sisteminden diğerine geçerken.
Diğer bir deyişle, Klasik mekanikte uzay ve zaman mutlaktır..
Eğer bir 
, daha sonra ölçekler ve zaman aralıkları SS seçimine bağlıdır, yani. uzay ve zaman göreceli kavramlar haline gelir. Bu zaten bir alan göreceli mekanik.
2.3.atalet referans çerçeveleri(ISO).
Bu nedenle, mekanik problemlerini çözebileceğimiz bir referans sistemi seçimi ile karşı karşıyayız (cisimlerin hareketini tanımlayın ve buna neden olan nedenleri belirleyin). Sadece sorunun resmi tanımında değil, daha da önemlisi, nedenleri farklı şekillerde temsil etmede tüm referans çerçevelerinin eşit olmadığı ortaya çıktı. değişime neden olmak vücut kondisyonu.
Mekanik yasalarının en basit şekilde formüle edildiği referans çerçevesi, varlığı varsayan Newton'un birinci yasasını oluşturmanıza olanak tanır. atalet referans çerçeveleri- ISO.
I klasik mekaniğin kanunu - Galileo-Newton'un atalet kanunu.
Diğer tüm cisimlerle etkileşimini hariç tutarsak, maddi bir noktanın ataletle, yani ataletle hareket edeceği böyle bir referans sistemi vardır. bir dinlenme durumu veya düzgün doğrusal hareket sağlayın.
Bu atalet referans çerçevesidir (ISO).
ISO'da, bir malzeme noktasının hareketindeki bir değişiklik (ivme), yalnızca onun diğer cisimlerle etkileşiminden kaynaklanır, ancak referans çerçevesinin özelliklerine bağlı değildir.
Tüm referans çerçeveleri eylemsiz ve eylemsiz olarak ayrılmıştır. Atalet referans çerçevesi Newton mekaniğinin temelini oluşturur. Düzgün doğrusal hareketi ve bir dinlenme durumunu karakterize eder. Ataletsel olmayan bir referans çerçevesi, farklı bir yörünge boyunca hızlandırılmış hareketle ilişkilendirilir. Bu hareket, atalet referans sistemlerine göre belirlenir. Eylemsiz olmayan referans çerçevesi, eylemsizlik kuvveti, merkezkaç kuvveti ve Coriolis kuvveti gibi etkilerle ilişkilidir.
Tüm bu süreçler, bedenler arasındaki etkileşimin değil, hareketin bir sonucu olarak ortaya çıkar. Newton yasaları genellikle eylemsiz olmayan referans çerçevelerinde çalışmaz. Bu gibi durumlarda, mekaniğin klasik yasalarına değişiklikler eklenir. Ataletsel olmayan hareketten kaynaklanan kuvvetler, dönüşlü olanlar da dahil olmak üzere teknik ürün ve mekanizmaların geliştirilmesinde dikkate alınır. Hayatta onlarla asansörde hareket ederken, atlıkarınca sürerken, havayı ve nehirlerin akışını izlerken karşılaşıyoruz. Uzay aracının hareketi hesaplanırken de dikkate alınırlar.
Eylemsiz ve eylemsiz olmayan referans çerçeveleri
Eylemsiz referans çerçeveleri, cisimlerin hareketini tanımlamak için her zaman uygun değildir. Fizikte 2 tip referans sistemi vardır: atalet ve atalet olmayan referans sistemleri. Newton mekaniğine göre, herhangi bir cisim, vücuda bir dış etkinin uygulandığı durumlar dışında, durağan veya düzgün ve doğrusal hareket halinde olabilir. Bu tür düzgün harekete atalet hareketi denir.
Atalet hareketi (atalet referans sistemleri), Newton mekaniğinin ve Galileo'nun eserlerinin temelidir. Yıldızları sabit nesneler olarak düşünürsek (aslında tamamen doğru değildir), o zaman onlara göre düzgün ve doğrusal olarak hareket eden herhangi bir nesne eylemsiz referans çerçeveleri oluşturacaktır.
Eylemsiz referans çerçevelerinin aksine, eylemsiz olmayan bir çerçeve belirli bir ivme ile belirtilene göre hareket eder. Aynı zamanda, Newton yasalarının kullanımı ek değişkenler gerektirir, aksi takdirde sistemi yetersiz bir şekilde tanımlarlar. Hangi referans çerçevelerinin ataletsiz olarak adlandırıldığı sorusunu cevaplamak için ataletsiz hareketin bir örneğini düşünmeye değer. Böyle bir hareket, bizim ve diğer gezegenlerin dönüşüdür.
Eylemsiz olmayan referans çerçevelerinde hareket
Copernicus, birkaç kuvvet söz konusu olduğunda hareketin ne kadar karmaşık olabileceğini gösteren ilk kişiydi. Ondan önce, Dünya'nın Newton yasalarına göre kendi kendine hareket ettiğine ve bu nedenle hareketinin atalet olduğuna inanılıyordu. Bununla birlikte, Copernicus, Dünya'nın Güneş'in etrafında döndüğünü, yani yıldız olabilecek koşullu olarak hareketsiz bir nesneye göre hızlandırılmış bir hareket yaptığını kanıtladı.
İşte burda farklı sistemler referans. Eylemsiz olmayanlar, yalnızca eylemsizlik çerçevesine göre belirlenen hızlandırılmış hareketin olduğu yerler olarak adlandırılır.
Bir referans çerçevesi olarak dünya
Örnekleri hemen hemen her yerde bulunabilen eylemsiz bir referans çerçevesi, karmaşık bir hareket yörüngesine sahip cisimler için tipiktir. Dünya, eylemsiz olmayan referans çerçevelerinin hızlandırılmış hareket özelliğini oluşturan Güneş'in etrafında döner. Bununla birlikte, günlük pratikte, Dünya'da karşılaştığımız her şey, Newton'un varsayımlarıyla oldukça tutarlıdır. Mesele şu ki, Dünya ile bağlantılı referans sistemleri için ataletsiz hareket düzeltmeleri çok önemsiz ve bizim için büyük bir rol oynamıyor. Ve aynı nedenle Newton'un denklemleri genel olarak geçerli çıkıyor.
Foucault sarkacı
Ancak, bazı durumlarda, değişiklikler gereklidir. Örneğin, St. Petersburg Katedrali'ndeki dünyaca ünlü Foucault sarkacı sadece doğrusal olarak salınmakla kalmaz, aynı zamanda yavaşça döner. Bu dönüş, Dünya'nın uzaydaki ataletsel olmayan hareketinden kaynaklanmaktadır.
Bu, ilk kez 1851'de Fransız bilim adamı L. Foucault'nun deneylerinden sonra biliniyordu. Deneyin kendisi St. Petersburg'da değil, Paris'te büyük bir salonda gerçekleştirildi. Sarkaç topunun ağırlığı yaklaşık 30 kg ve bağlantı ipinin uzunluğu 67 metre kadardı.
Eylemsiz bir referans çerçevesi için yalnızca Newton'un formüllerinin hareketi açıklamak için yeterli olmadığı durumlarda, bunlara sözde eylemsizlik kuvvetleri eklenir.
Eylemsiz olmayan bir referans çerçevesinin özellikleri
Ataletsel olmayan referans çerçevesi, eylemsiz olana göre çeşitli hareketler gerçekleştirir. İleri hareket, dönüş, karmaşık kombine hareketler olabilir. Literatür ayrıca hızlı hareket eden bir asansör gibi ataletsel olmayan bir referans çerçevesinin basit bir örneğini sağlar. Hızlandırılmış hareketi nedeniyle kendimizi yere bastırılmış gibi hissediyoruz ya da tam tersine ağırlıksızlığa yakın bir his var. Newton'un mekanik yasaları böyle bir olguyu açıklayamaz. Ünlü fizikçiyi takip ederseniz, o zaman her an aynı yerçekimi kuvveti asansördeki bir kişiye etki edecektir, bu da duyumların aynı olması gerektiği anlamına gelir, ancak gerçekte her şey farklıdır. Bu nedenle, Newton yasalarına atalet kuvveti adı verilen ek bir kuvvet eklemek gerekir.
eylemsizlik kuvveti
Atalet kuvveti, doğası gereği uzaydaki cisimler arasındaki etkileşimle ilişkili kuvvetlerden farklı olmasına rağmen, gerçek bir etki eden kuvvettir. Teknik yapı ve cihazların geliştirilmesinde dikkate alınır ve oynanır. önemli rol işlerinde. Atalet kuvvetleri, örneğin bir yay dinamometresi kullanılarak çeşitli şekillerde ölçülür. Atalet kuvvetleri dışsal olarak kabul edildiğinden, eylemsiz olmayan referans çerçeveleri kapalı değildir. Eylemsizlik kuvvetleri nesneldir fiziksel faktörler ve gözlemcinin iradesine ve görüşüne bağlı değildir.
Örnekleri fizik ders kitaplarında bulunabilen eylemsiz ve eylemsiz referans sistemleri, eylemsizlik kuvveti, merkezkaç kuvveti, Coriolis kuvveti, bir vücuttan diğerine momentum transferi ve diğerleridir.
asansörde hareket
Ataletsiz referans sistemleri, atalet kuvvetleri kendilerini hızlandırılmış çıkış veya iniş sırasında iyi gösterir. Asansör ivme ile yukarı doğru hareket ederse, ortaya çıkan atalet kuvveti kişiyi zemine bastırma eğilimindedir ve fren yapıldığında vücut tam tersine daha hafif görünmeye başlar. Tezahürler açısından, bu durumda atalet kuvveti yerçekimi kuvvetine benzer, ancak tamamen farklı bir yapıya sahiptir. Yerçekimi, cisimler arasındaki etkileşimle ilişkili olan yerçekimidir.
merkezkaç kuvvetleri
Ataletsel olmayan referans çerçevelerindeki kuvvetler de merkezkaç olabilir. Atalet kuvveti ile aynı nedenle böyle bir kuvvet uygulamak gereklidir. Çarpıcı bir örnek merkezkaç kuvvetlerinin etkisi - karusel üzerinde dönüş. Sandalye kişiyi "yörüngesinde" tutma eğilimindeyken, atalet kuvveti vücudun sandalyenin dış sırtına doğru bastırılmasına neden olur. Bu yüzleşme, merkezkaç kuvveti gibi bir fenomenin görünümünde ifade edilir.
Coriolis kuvveti
Bu kuvvetin etkisi, Dünya'nın dönüşü örneğinde iyi bilinmektedir. Böyle olmadığı için ancak şartlı olarak kuvvet olarak adlandırılabilir. Eyleminin özü, dönüş sırasında (örneğin Dünya), küresel bir cismin her noktasının bir daire içinde hareket etmesi, Dünya'dan ayrılan nesnelerin ideal olarak düz bir çizgide hareket etmesidir (örneğin, serbestçe uçan bir cisim gibi). boşlukta). Enlem çizgisi, noktaların dönüşünün yörüngesi olduğundan yeryüzü ve bir halka şeklindedir, daha sonra ondan ayrılan ve başlangıçta bu çizgi boyunca hareket eden, doğrusal olarak hareket eden herhangi bir cisim, alt enlemler yönünde ondan giderek daha fazla sapmaya başlar.
Başka bir seçenek, vücudun meridyen yönünde fırlatılmasıdır, ancak Dünya'nın dönüşü nedeniyle, dünya gözlemcisinin bakış açısından, vücudun hareketi artık tam olarak meridyen olmayacaktır.
Coriolis kuvveti uygular büyük etki atmosferik süreçlerin gelişimi üzerine. Etkisi altında su, meridyen yönünde akan nehirlerin doğu kıyısına daha güçlü bir şekilde çarpar, onu kademeli olarak aşındırır ve bu da uçurumların görünümüne yol açar. Batıda ise tam tersine yağış birikir, bu nedenle daha yumuşaktır ve seller sırasında genellikle su basar. Doğru, nehrin bir tarafının diğerinden daha yüksek olmasına yol açan tek sebep bu değil, ancak birçok durumda baskın.
Coriolis kuvvetinin deneysel doğrulaması da vardır. Alman fizikçi F. Reich tarafından elde edildi. Deneyde vücutlar 158 m yükseklikten düştü, bu tür toplam 106 deney yapıldı. Düşüş sırasında, cisimler doğrusal bir yörüngeden (dünyevi bir gözlemcinin bakış açısından) yaklaşık 30 mm saptı.
Eylemsiz referans çerçeveleri ve görelilik teorisi
Einstein'ın özel görelilik kuramı eylemsiz referans çerçeveleriyle ilgili olarak yaratıldı. Bu teoriye göre göreceli etkiler, "durağan" gözlemciye göre cismin çok yüksek hızlarında ortaya çıkmalıdır. Özel görelilik kuramının tüm formülleri, atalet referans çerçevesinin doğasında bulunan tekdüze hareket için de yazılmıştır. Bu teorinin ilk varsayımı, herhangi bir atalet referans sisteminin eşdeğerliğini ileri sürer, yani özel, seçkin sistemlerin yokluğu varsayılır.
Bununla birlikte, bu, ikiz paradoks gibi fenomenlerin ortaya çıkmasına yol açan göreli etkilerin test edilmesi olasılığını (ve bunların varlığının gerçeğini) sorgulamaktadır. Roket ve Dünya ile ilişkili referans sistemleri temelde eşit olduğundan, "Dünya-roket" çiftindeki zaman genişlemesinin etkileri yalnızca gözlemcinin bulunduğu yere bağlı olacaktır. Yani roketteki bir gözlemci için Dünya'daki zaman daha yavaş, gezegenimizdeki bir insan için ise tam tersine roketteki zaman daha yavaş akmalıdır. Sonuç olarak, Dünya'da kalan ikiz, gelen erkek kardeşini daha genç görecek ve roketin içinde olan, Dünya'da kalandan daha genç görmelidir. Bunun fiziksel olarak imkansız olduğu açıktır.
Bu, göreli etkileri gözlemlemek için bazı özel, seçkin referans çerçevelerine ihtiyaç duyulduğu anlamına gelir. Örneğin, müonlar Dünya'ya göre ışık hızına yakın hareket ederlerse ömürlerinde göreli bir artış gözlemlediğimiz varsayılır. Bu, Dünya'nın (dahası, alternatifsiz), SRT'nin ilk varsayımıyla çelişen bir öncelik, temel referans çerçevesi özelliklerine sahip olması gerektiği anlamına gelir. Öncelik, yalnızca Dünya'nın evrenin merkezi olması durumunda mümkündür, bu yalnızca dünyanın ilkel resmiyle tutarlıdır ve fizikle çelişir.
İkiz paradoksu açıklamanın başarısız bir yolu olarak ataletsel olmayan referans çerçeveleri
"Karasal" referans sisteminin önceliğini açıklama girişimleri eleştiriye dayanmaz. Bazı bilim adamları bu önceliği tam olarak birinin eylemsizlik faktörü ve diğerinin eylemsizlik olmama faktörü ile ilişkilendirir. Aynı zamanda, fizik biliminde resmi olarak eylemsiz olarak kabul edilmesine rağmen, Dünya'daki bir gözlemciyle ilişkilendirilen referans çerçevesi eylemsizlik olarak kabul edilir (Detlaf, Yavorsky, fizik kursu, 2000). Bu ilk. İkincisi, herhangi bir referans sisteminin aynı eşitlik ilkesidir. Yani eğer uzay gemisi Dünya'yı ivme ile terk eder, o zaman gemideki gözlemcinin bakış açısından statiktir ve aksine Dünya artan hızla ondan uzaklaşır.
Dünyanın kendisinin özel bir referans çerçevesi olduğu veya gözlemlenen etkilerin farklı (rölativistik olmayan) bir açıklaması olduğu ortaya çıktı. Süreçler, deneyleri kurmanın veya yorumlamanın özellikleriyle veya gözlemlenen fenomenin diğer fiziksel mekanizmalarıyla ilgili olabilir.
Çözüm
Böylece, ataletsel olmayan referans çerçeveleri, Newton mekaniği yasalarında kendilerine yer bulamayan kuvvetlerin ortaya çıkmasına yol açar. Ataletsel olmayan sistemler için hesaplama yapılırken, teknik ürünlerin geliştirilmesi dahil olmak üzere bu kuvvetler dikkate alınmalıdır.