Инерциальные системы отсчета

На рисунке представлен фрагмент игры в хоккей. В случае малого трения, обеспечиваемого гладкой поверхностью льда, брошенная шайба движется равномерно прямолинейно в течение достаточно длительного промежутка времени.

Первый закон Ньютона формулируется следующим образом: тело, неподверженное внешним воздействиям, либо находится в покое, либо движется прямолинейно и равномерно. Такое тело называется свободным, а его движение – свободным движением или движением по инерции. Свойство тела сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения при отсутствии воздействия на него других тел называется инерцией. Поэтому первый закон Ньютона называют законом инерции. Свободных тел, строго говоря, не существует. Однако естественно предположить, что чем дальше частица находится от других материальных объектов, тем меньшее воздействие они на нее оказывают. Представив себе, что эти воздействия уменьшаются, мы и приходим в пределе к представлению о свободном теле и свободном движении.

Экспериментально проверить предположение о характере движения свободной частицы невозможно, поскольку нельзя абсолютно достоверно установить факт отсутствия взаимодействия. Можно лишь с определенной степенью точности смоделировать данную ситуацию, используя экспериментальный факт уменьшения взаимодействия между удаленными телами. Обобщение ряда экспериментальных фактов, а также совпадение вытекающих из закона следствий с опытными данными доказывают его справедливость. При движении тело тем дольше сохраняет свою скорость, чем слабее на него действуют другие тела; например, скользящий по поверхности камень тем дольше движется, чем ровнее эта поверхность, то есть чем меньше воздействие на него этой поверхности.

Механическое движение относительно, и его характер зависит от системы отсчета. В кинематике выбор системы отсчета не был существенным. Не так обстоит дело в динамике. Если в какой-либо системе отсчета тело движется прямолинейно и равномерно, то в системе отсчета, движущейся относительно первой ускоренно, этого уже не будет. Отсюда следует, что закон инерции не может быть справедливым во всех системах отсчета. Классическая механика постулирует, что существует система отсчета, в которой все свободные тела движутся прямолинейно и равномерно. Такая система отсчета называется инерциальной системой отсчета (ИСО). Содержание закона инерции, в сущности, сводится к утверждению, что существуют такие системы отсчета, в которых тело, не подвергнутое внешним воздействиям, движется равномерно и прямолинейно или покоится.

Установить, какие системы отсчета являются инерциальными, а какие – неинерциальными, можно только опытным путем. Допустим, например, что речь идет о движении звезд и других астрономических объектов в доступной нашему наблюдению части Вселенной. Выберем систему отсчета, в которой Земля считается неподвижной (такую систему мы будем называть земной). Будет ли она инерциальной?

В качестве свободного тела можно выбрать звезду. Действительно, каждая звезда, ввиду ее громадной удаленности от других небесных тел, является практически свободным телом. Однако в земной системе отсчета звезды совершают суточные вращения на небесном своде, а следовательно, движутся с ускорением, направленным к центру Земли. Таким образом, движение свободного тела (звезды) в земной системе отсчета совершается по окружности, а не по прямой линии. Оно не подчиняется закону инерции, поэтому земная система отсчета не будет инерциальной.

Следовательно, для решения поставленной задачи надо проверить на инерциальность другие системы отсчета. Выберем в качестве тела отсчета Солнце. Такая система отсчета называется гелиоцентрической системой отсчета, или системой Коперника. Координатными осями связанной с ней системы координат являются прямые, направленные на три удаленные звезды, не лежащие в одной плоскости (рис. 2.1).

Таким образом, при изучении движений, происходящих в масштабе нашей планетной системы, а также всякой другой системы, размеры которой малы по сравнению с расстоянием до тех трех звезд, которые в системе Коперника выбраны в качестве опорных, система Коперника практически является инерциальной системой отсчета.

Пример

Траектории движения астрономических объектов Солнечной системы в гелиоцентрической системе отсчета

Неинерциальность земной системы отсчета объясняется тем, что Земля вращается вокруг собственной оси и вокруг Солнца, то есть движется ускоренно относительно системы Коперника. Так как оба эти вращения происходят медленно, то по отношению к громадному кругу явлений земная система ведет себя практически как инерциальная система. Вот почему установление основных законов динамики можно начать с изучения движения тел относительно Земли, отвлекаясь от ее вращения, то есть принять Землю за приблизительно ИСО.

СИЛА. МАССА ТЕЛА

Как показывает опыт, любое изменение скорости тела возникает под влиянием других тел. В механике процесс изменения характера движения под влиянием других тел называют взаимодействием тел. Для количественной характеристики интенсивности этого взаимодействия Ньютон ввёл понятие силы. Силы могут вызывать не только изменение скорости материальных тел, но и их деформацию.Поэтому понятию силы можно дать следующее определение: сила – количественная мера взаимодействия по крайней мере двух тел, вызывающая ускорение тела или изменение его формы, или и то и другое вместе.

Примером деформации тела под действием силы является сжатая или растянутая пружина. Её легко использовать в качестве эталона силы: в качестве единицы силы берётся упругая сила, действующая в пружине, растянутой или сжатой в определённой степени. Пользуясь таким эталоном, можно сравнивать силы и изучать их свойства. Силы обладают следующими свойствами.

ü Сила является векторной величиной и характеризуется направлением, модулем (числовым значением) и точкой приложения. Силы, приложенные к одному телу, складываются по правилу параллелограмма.

ü Сила является причиной ускорения. Направление вектора ускорения параллельно вектору силы.

ü Сила имеет материальное происхождение. Нет материальных тел – нет сил.

ü Действие силы не зависит от того, находится тело в состоянии покоя или движется.

ü При одновременном действии нескольких сил тело получает такое ускорение, какое бы оно получило под действием результирующей силы .

Последнее утверждение составляет содержание принципа суперпозиции сил. В основе принципа суперпозиции лежит представление о независимости действия сил: каждая сила сообщает рассматриваемому телу одно и то же ускорение, независимо от того, действует ли только i-й источник сил или все источников одновременно. Это можно сформулировать иначе. Сила, с которой одна частица действует на другую, зависит от радиус-векторов и скоростей только этих двух частиц. Присутствие других частиц на эту силу не влияет. Это свойство называется законом независимости действия сил или законом парного взаимодействия. Область применимости этого закона охватывает всю классическую механику.

С другой стороны, для решения многих задач бывает необходимо найти несколько сил, которые своим совместным действием могли бы заменить одну данную силу. Такую операцию называют разложением данной силы на составляющие.

Из опыта известно, что при одинаковых взаимодействиях различные тела неодинаково изменяют свою скорость движения. Характер изменения скорости движения зависит не только от величины силы и времени её действия, а и от свойств самого тела. Как показывает опыт, для данного тела отношение каждой силы, действующей на него, к сообщаемому этой силой ускорению является величиной постоянной . Это отношение зависит от свойств ускоряемого тела и называется инертной массойтела. Таким образом, масса тела определяется как отношение силы, действующей на тело, к сообщаемому этой силой ускорению . Чем больше масса, тем большая сила требуется для сообщения телу определённого ускорения. Тело как бы сопротивляется попытке изменить его скорость.

Свойство тел, которое выражается в способности сохранять во времени своё состояние (скорость движения, направление движения или состояние покоя), называется инертностью. Мерой инертности тела является его инертная масса.При одинаковом воздействии со стороны окружающих тел одно тело может быстро изменять свою скорость, а другое в тех же условиях – значительно медленнее (рис. 2.2). Принято говорить, что второе из этих двух тел обладает большей инертностью, или, другими словами, второе тело обладает большей массой. В Международной системе единиц (СИ) масса тела измеряется в килограммах (кг). Понятие массы нельзя свести к более простым понятиям. Чем больше масса тела, тем меньшее ускорение оно приобретет под действием одинаковой силы. Чем больше сила, тем с большим ускорением, а следовательно, и большей конечной скоростью будет двигаться тело.

Единицей измерения силы в системе единиц СИ является Н (ньютон). Один Н (ньютон) численно равен силе, которая сообщает телу массой m = 1 кг ускорение .

Замечание.

Отношение справедливо только при достаточно малых скоростях. При увеличении скорости это отношение изменяется, возрастая со скоростью.

ВТОРОЙ ЗАКОН НЬЮТОНА

Из опыта следует, что в инерциальных системах отсчета ускорение тела пропорционально векторной сумме всех действующих на него сил и обратно пропорционально массе тела:

.

Второй закон Ньютона выражает связь между равнодействующей всех сил и вызываемым ей ускорением:

.

(2.1)

Уравнение (2.1) называется уравнением движения материальной точки.

Масса тел может изменяться при движении, например, при полете ракеты выгорает топливо. В этом случае второй закон Ньютона можно записать в более общей форме: . Произведение массы на скорость называется импульсом. Следовательно, уравнение движения принимает вид:

.

(2.2)

Здесь – изменение импульса материальной точки за время . Устремим промежуток времени к нулю:

,

тогда получим

.

	Среди экстремальных видов развлечений особое место занимают прыжки с «тарзанки», или «банджи-джампинг». В местечке Джеффри Бей находится самая большая из зарегистрированных «тарзанок» – 221 м. Она даже занесена в Книгу рекордов Гиннеса. Длина веревки рассчитывается так, чтобы человек прыгая вниз, останавливался у самой кромки воды или только касался ее. Прыгающего человека удерживает упругая сила деформированного каната. Обычно тросом служат множество сплетенных вместе резиновых жил. Так что при падении трос пружинит, не давая ногам прыгуна оторваться и добавляя прыжку дополнительные ощущения. В полном соответствии со вторым законом Ньютона увеличение времени взаимодействия прыгуна с канатом приводит к ослаблению силы, действующей со стороны каната на человека.
	Для того, чтобы при игре в волейбол принять мяч, летящий с большой скоростью, необходимо перемещать руки по направлению движения мяча. При этом увеличивается время взаимодействия с мячом, а, следовательно, в полном соответствии со вторым законом Ньютона уменьшается величина силы, действующей на руки.

Представленный в такой форме второй закон Ньютона содержит новую физическую величину – импульс. При скоростях, близких к скорости света в вакууме, импульс становится основной величиной, измеряемой в экспериментах. Поэтому уравнение (2.2) является обобщением уравнения движения на релятивистские скорости.

Как видно из уравнения (2.2), если , то постоянная величина, отсюда следует, что постоянна, то есть импульс, а с ним и скорость свободно движущейся материальной точки постоянны. Таким образом, формально первый закон Ньютона является следствием второго закона. Почему же тогда он выделяется в самостоятельный закон? Дело в том, что уравнение, выражающее второй закон Ньютона, только тогда имеет смысл, когда указана система отсчета, в которой оно справедливо. Выделить же такую систему отсчета позволяет первый закон Ньютона. Он утверждает, что существует система отсчета, в которой свободная материальная точка движется без ускорения. В такой системе отсчета движение всякой материальной точки подчиняется уравнению движения Ньютона. Таким образом, по существу, первый закон нельзя рассматривать как простое логическое следствие второго. Связь между этими законами более глубокая.

Из уравнения (2.2) следует, что , то есть бесконечно малое изменение импульса за бесконечно малый промежуток времени равно произведению , называемому импульсом силы.Чем больше импульс силы, тем больше изменение импульса.

ТИПЫ СИЛ

Все многообразие существующих в природе взаимодействий сводится к четырем типам: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Сильные и слабые взаимодействия существенны на столь малых расстояниях, когда законы механики Ньютона уже неприменимы. Все макроскопические явления в окружающем нас мире определяются гравитационным и электромагнитным взаимодействиями. Только для этих видов взаимодействий можно использовать понятие силы в смысле механики Ньютона. Гравитационные силы наиболее существенны при взаимодействии больших масс. Проявления электромагнитных сил чрезвычайно многообразны. Хорошо известные силы трения, упругие силы имеют электромагнитную природу. Поскольку второй закон Ньютона определяет ускорение тела независимо от природы сил, сообщающих ускорение, то в дальнейшем будем пользоваться так называемым феноменологическим подходом: опираясь на опыт, установим количественные закономерности для этих сил.

Упругие силы.Упругие силы возникают в теле, испытывающем воздействие других тел или полей, и связаны с деформацией тела. Деформации представляют собой особый вид движения, а именно перемещение частей тела относительно друг друга под действием внешней силы. При деформации тела изменяются его форма и объем. Для твердых тел различают два предельных случая деформации: упругие и пластические. Деформацию называют упругой, если она полностью исчезает после прекращения действия деформирующих сил. При пластических (неупругих) деформациях тела частично сохраняют измененную форму после снятия нагрузки.

Упругие деформации тел разнообразны. Под действием внешней силы тела могут растягиваться и сжиматься, изгибаться, скручиваться и т.д. Этому смещению противодействуют силы взаимодействия между частицами твердого тела, удерживающие эти частицы на определенном расстоянии друг от друга. Поэтому при любом виде упругой деформации в теле возникают внутренние силы, препятствующие его деформации. Силы, возникающие в теле при его упругой деформации и направленные против направления смещения частиц тела, вызываемого деформацией, называют силами упругости. Силы упругости действуют в любом сечении деформированного тела, а также в месте его контакта с телом, вызывающим деформации.

Опыт показывает, что при малых упругих деформациях величина деформации пропорциональна вызывающей ее силе (рис. 2.3). Это утверждение носит название закона Гука.

Роберт Гук (Robert Hooke), 1635–1702

Английский физик. Родился во Фрешуотере на острове Уайт в семье священника, окончил Оксфордский университет. Еще учась в университете, работал ассистентом в лаборатории Роберта Бойля, помогая последнему строить вакуумный насос для установки, на которой был открыт закон Бойля–Мариотта. Будучи современником Исаака Ньютона, вместе с ним активно участвовал в работе Королевского общества, а в 1677 г. занял там пост ученого секретаря. Как и многие другие ученые того времени, Роберт Гук интересовался самыми разными областями естественных наук и внес вклад в развитие многих из них. В своей монографии «Микрография» он опубликовал множество зарисовок микроскопического строения живых тканей и других биологических образцов и впервые ввел современное понятие «живая клетка». В геологии он первым осознал важность геологических пластов и первым в истории занялся научным изучением природных катаклизмов. Он же одним из первых высказал гипотезу, что сила гравитационного притяжения между телами убывает пропорционально квадрату расстояния между ними, и двое соотечественников и современников, Гук и Ньютон, так до конца жизни и оспаривали друг у друга право называться первооткрывателем закона всемирного тяготения. Гук разработал и собственноручно построил целый ряд важных научно-измерительных приборов. Он, в частности, первым предложил помещать перекрестье из двух тонких нитей в окуляр микроскопа, первым предложил принять температуру замерзания воды за ноль температурной шкалы, а также изобрел универсальный шарнир (карданное сочленение).

Математическое выражение закона Гука для деформации одностороннего растяжения (сжатия) имеет вид:

,

где – сила упругости; – изменение длины (деформация) тела; – коэффициент пропорциональности, зависящий от размеров и материала тела, называемый жесткостью. Единица жесткости в СИ – ньютон на метр (Н/м). В случае одностороннего растяжения или сжатия сила упругости направлена вдоль прямой, по которой действует внешняя сила, вызывающая деформацию тела, противоположно направлению этой силы и перпендикулярно поверхности тела. Сила упругости всегда направлена к положению равновесия. Сила упругости, которая действует на тело со стороны опоры или подвеса, называется силой реакции опоры или силой натяжения подвеса.

Закон Гука можно записать в другом виде. Рассмотрим деформацию растяжения стержня. При действии заданной силы F, абсолютная деформация стержня зависит от его первоначальной длины , тогда как относительная деформация уже не зависит от длины стержня, но зависит от площади поперечного сечения S. Если вместо силы ввести напряжение , то при заданном напряжении относительное удлинение будет зависеть только от упругих свойств материала. И тогда закон Гука примет следующий вид:

, или .

(2.3)

Величина Е называется модулем Юнга. Модуль Юнга зависит только от материала. Установим физический смысл модуля Юнга. Как видно из формулы (2.3), при . В этом случае . Следовательно, модуль Юнга численно равен такому нормальному напряжению, которое должно было бы возникнуть в теле при увеличении его длины в два раза (если бы для такой большой деформации выполнялся закон Гука). Из (2.3) видно также, что в системе единиц СИ модуль Юнга измеряется в паскалях ( ). Для различных материалов модуль Юнга меняется в широких пределах. Для стали, например, , а для резины приблизительно , то есть на пять порядков меньше.

Конечно, закон Гука даже в усовершенствованной Юнгом форме не описывает всего, что происходит с твердым веществом под воздействием внешних сил. Представьте себе резиновую ленту. Если растянуть ее не слишком сильно, со стороны резиновой ленты возникнет возвращающая сила упругого натяжения, и как только вы ее отпустите, она тут же соберется и примет прежнюю форму. Если растягивать резиновую ленту дальше, то рано или поздно она утратит свою эластичность, и вы почувствуете, что сила сопротивления растяжению уменьшилась. Значит, вы перешли так называемый предел эластичности материала. Если тянуть резину и дальше, через какое-то время она вообще порвется, и сопротивление исчезнет полностью. Это значит, что пройдена так называемая точка разрыва. Иными словами, закон Гука действует только при относительно небольших сжатиях или растяжениях.