Schema di riferimento non inerziale: definizione, esempi

Tutti i sistemi di riferimento sono divisi in inerziali e non inerziali. Il quadro di riferimento inerziale è alla base della meccanica di Newton. Caratterizza un moto rettilineo uniforme e uno stato di riposo. Il frame di riferimento non inerziale è associato al movimento accelerato lungo una traiettoria diversa. Questo movimento è definito in relazione ai sistemi di riferimento inerziali. Il sistema di riferimento non inerziale è associato a effetti quali forza inerziale, forza centrifuga e forza di Coriolis.

Tutti questi processi sorgono come risultato del movimento e non dell'interazione tra i corpi. Le leggi di Newton nei sistemi di riferimento non inerziali spesso non funzionano. In tali casi, gli emendamenti sono aggiunti alle leggi classiche della meccanica. Le forze dovute a movimenti non inerziali vengono prese in considerazione nello sviluppo di prodotti e meccanismi tecnici, compresi quelli in cui è presente la rotazione. Nella vita li incontriamo, spostandoci in un ascensore, cavalcando la giostra, osservando il tempo e il flusso dei fiumi. Vengono presi in considerazione quando si calcola il movimento di un veicolo spaziale.

Sistemi di riferimento inerziali e non inerziali

I sistemi di riferimento inerziali non sono sempre adatti per descrivere il movimento dei corpi. In fisica, ci sono 2 tipi di sistemi di riferimento: sistemi di riferimento inerziali e non inerziali. Secondo la meccanica di Newton, qualsiasi corpo può trovarsi in uno stato di riposo o un movimento uniforme e rettilineo, ad eccezione dei casi in cui viene esercitata un'influenza esterna sul corpo. Tale movimento uniforme è chiamato moto inerziale.

Il movimento inerziale (sistemi di riferimento inerziali) è alla base della meccanica di Newton e delle opere di Galileo. Se le stelle sono considerate come oggetti fissi (che in realtà non è proprio il caso), allora qualsiasi oggetto che si muove su di esse in modo uniforme e diretto formerà sistemi di riferimento inerziali.

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

Moto nei sistemi di riferimento non inerziali

Copernico fu il primo a mostrare quanto può essere difficile un movimento se vi partecipano diverse forze. Prima di lui, si credeva che la Terra si muovesse da sola, in conformità con le leggi di Newton, e quindi il suo movimento è inerziale. Tuttavia, Copernico dimostrò che la Terra ruota intorno al Sole, cioè fa un movimento accelerato rispetto ad un oggetto stazionario che può essere una stella.

Quindi, ci sono diversi sistemi di riferimento. Chiamate non inerziali solo quelle in cui vi è un movimento accelerato, che è definito in relazione al sistema inerziale.

La Terra come sistema di riferimento

Il quadro di riferimento non inerziale, esempi di cui l'esistenza può essere trovata quasi ovunque, è tipico dei corpi con una complessa traiettoria di movimento. La terra ruota intorno al sole, che crea caratteristiche di movimento accelerato di sistemi di riferimento non inerziali. Tuttavia, nella pratica quotidiana, tutto ciò che incontriamo sulla Terra è abbastanza coerente con i postulati di Newton. Il fatto è che le correzioni per il movimento non inerziale per i sistemi di riferimento legati alla Terra sono molto piccole e non giocano un ruolo importante per noi. E le equazioni di Newton per lo stesso motivo si rivelano in generale oneste.

Il pendolo di Foucault

Tuttavia, in alcuni casi, non è necessario alcun emendamento. Ad esempio, il pendolo di Foucault nel mondo nella cattedrale di San Pietroburgo non solo esegue oscillazioni lineari, ma si trasforma anche lentamente. Questa rotazione 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 è stato condotto non a 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.

In quei casi in cui solo le formule di Newton per la struttura di riferimento inerziale non sono sufficienti per descrivere il movimento, aggiungono le cosiddette forze di inerzia.

Proprietà del sistema di riferimento non inerziale

Il sistema di riferimento non inerziale esegue vari movimenti relativi all'inerzia. Potrebbe essere movimento in avanti rotazione, movimenti combinati complessi. La letteratura fornisce anche un esempio più semplice di un sistema di riferimento non inerziale, come un ascensore con spostamento accelerato. È a causa del suo movimento accelerato che sentiamo come siamo schiacciati sul pavimento, o, al contrario, una sensazione è vicina alla mancanza di peso. Le leggi della meccanica di Newton non possono spiegare questo fenomeno. Se segui il famoso fisico, allora in qualsiasi momento la stessa forza di gravità agirà su una persona nell'ascensore, il che significa che le sensazioni dovrebbero essere le stesse, tuttavia, in realtà tutto è diverso. Pertanto, alle leggi di Newton, è necessario aggiungere ulteriore forza, che è chiamata la forza di inerzia.

Forza di inerzia

La forza di inerzia è una vera forza di azione, sebbene differisca in natura dalle forze associate all'interazione tra corpi nello spazio. Viene preso in considerazione nello sviluppo di strutture e apparati tecnici e svolge un ruolo importante nel loro lavoro. Le forze di inerzia vengono misurate in vari modi, ad esempio utilizzando un dinamometro a molla. I sistemi di riferimento non inerziali non sono chiusi, poiché le forze di inerzia sono considerate esterne. Le forze di 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 possono essere trovati 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 di altri.

Movimento nell'ascensore

Sistemi di riferimento non inerziali, le forze di inerzia si manifestano bene in salita o discesa accelerata. Se l'ascensore si muove verso l'alto con l'accelerazione, la forza inerziale risultante tende a premere la persona sul pavimento e, al momento della frenata, il corpo, al contrario, comincia a sembrare più facile. In termini di manifestazioni, la forza di inerzia in questo caso è simile a la forza di gravità, ma ha una natura molto diversa. La gravità è la gravità, che è associata all'interazione tra i corpi.

Forza centrifuga

Le forze nei sistemi di riferimento non inerziali possono essere centrifughe. È necessario introdurre una tale forza per la stessa ragione della forza di inerzia. Un vivido esempio dell'azione delle forze centrifughe: la rotazione sul carosello. Mentre la sedia cerca di mantenere una persona nella sua "orbita", la forza di inerzia costringe il corpo a premere contro lo schienale esterno della sedia. Questo confronto si esprime nella comparsa di un fenomeno come la forza centrifuga.

Forza di Coriolis

L'effetto di questa forza è ben noto dall'esempio della rotazione della Terra. Puoi chiamarlo forza solo in modo condizionale, poiché non lo è. L'essenza della sua azione è che durante la rotazione (ad esempio, della Terra) ogni punto di un corpo sferico si muove in un cerchio, mentre gli oggetti strappati dalla Terra si muovono idealmente dritti (come un corpo che vola liberamente nello spazio). Poiché la linea di latitudine è la traiettoria di rotazione di punti sulla superficie terrestre e ha la forma di un anello, qualsiasi corpo separato da esso e inizialmente muovendosi lungo questa linea, muovendosi linearmente, inizia a deviare sempre più da esso nella direzione delle latitudini più basse.

Un'altra opzione è quando il corpo viene lanciato nella direzione meridionale, ma a causa della rotazione della Terra, dal punto di vista dell'osservatore terreno, 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 forte la riva orientale dei fiumi che scorrono nella direzione meridionale, erodendola gradualmente, il che porta alla comparsa di scogliere. A ovest, al contrario, si depositano le precipitazioni, quindi è più dolce e spesso inondata di acqua durante le inondazioni. È vero, questo non è l'unico motivo per cui un lato del fiume è più alto dell'altro, ma in molti casi è dominante.

La forza di Coriolis ha anche prove sperimentali. È stato ottenuto dal fisico tedesco F. Reich. Nell'esperimento, i cadaveri caddero da un'altezza di 158 metri, per un totale di 106 di questi esperimenti. Quando un corpo cadeva, deviavano da una traiettoria diritta (dal punto di vista di un osservatore terreno) di circa 30 mm.

Sistemi di riferimento inerziali e teoria della relatività

Teoria della relatività speciale Einstein è stato creato in relazione ai sistemi di riferimento inerziali. I cosiddetti effetti relativistici, secondo questa teoria, dovrebbero verificarsi nel caso di velocità molto elevate del corpo rispetto all'osservatore "stazionario". Tutte le formule della teoria della relatività speciale sono anche dipinte per moto uniforme, tipico del sistema di riferimento inerziale. Il primo postulato di questa teoria afferma l'equivalenza di qualsiasi sistema di riferimento inerziale, cioè, viene postulata l'assenza di sistemi speciali dedicati.

Tuttavia, questo mette in dubbio la possibilità di controllare gli effetti relativistici (così come il fatto stesso della loro esistenza), che ha portato alla comparsa di fenomeni come il paradosso gemello. Poiché i sistemi di riferimento associati al razzo e alla Terra sono fondamentalmente uguali in diritti, allora 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 lentamente, e per una persona sul nostro pianeta, al contrario, dovrebbe andare più lentamente su un razzo. Di conseguenza, il gemello rimasto sulla Terra vedrà suo fratello arrivare più giovane, e quello che era nel razzo, essendo volato, dovrebbe vedere più giovane di quello che è rimasto sulla Terra. È chiaro che ciò è fisicamente impossibile.

Quindi, per osservare gli effetti relativistici, abbiamo bisogno di una sorta di cornice di riferimento speciale e dedicata. Ad esempio, si presume che osserviamo un aumento relativistico della vita dei muoni, se si muovono alla velocità della luce vicina alla Terra. Ciò significa che la Terra deve (inoltre, senza alcuna alternativa) possedere le proprietà di un sistema di riferimento 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 contraria alla fisica.

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

I tentativi di spiegare la priorità del sistema di riferimento "terreno" non reggono l'acqua. Alcuni scienziati attribuiscono questa priorità al fattore di inerzia dell'una e non inerzia di un altro quadro di riferimento. In questo caso, il sistema di riferimento associato a un osservatore sulla Terra è considerato inerziale, nonostante il fatto che nella scienza fisica sia ufficialmente riconosciuto come non inerziale (Detlaf, Yavorsky, corso di fisica, 2000). Questo è il primo Il secondo è lo stesso principio di uguaglianza di qualsiasi sistema di riferimento. Quindi, se una nave spaziale lascia la Terra con accelerazione, allora dal punto di vista dell'osservatore sulla nave stessa, è statica, e la Terra, al contrario, vola via da essa con crescente velocità.

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

conclusione

Pertanto, i sistemi di riferimento non inerziali portano all'apparizione di forze che non hanno trovato il loro posto nelle leggi della meccanica newtoniana. Nel calcolo dei sistemi non inerziali, la contabilizzazione di queste forze è obbligatoria, anche nello sviluppo di prodotti tecnici.