¿Es inercial el sistema de referencia del movimiento? Sistemas de referencia inerciales. El principio de relatividad

Un sistema de referencia que se mueve (en relación con las estrellas) de manera uniforme y rectilínea (es decir, por inercia) se llama inercial. Es obvio que existe una cantidad innumerable de tales sistemas de referencia, ya que cualquier sistema que se mueva de manera uniforme y rectilínea con respecto a algún sistema de referencia inercial también es inercial. Los sistemas de referencia que se mueven (con respecto a un sistema inercial) con aceleración se denominan no inerciales.

La experiencia demuestra que

En todos los sistemas de referencia inercial, todos los procesos mecánicos se desarrollan exactamente de la misma manera (en las mismas condiciones).

Esta posición, llamada principio mecánico de la relatividad (o principio de relatividad de Galileo), fue formulada en 1636 por Galileo. Galileo lo explicó utilizando el ejemplo de los procesos mecánicos que tienen lugar en la cabina de un barco que flota de manera uniforme y rectilínea a lo largo de mar en calma. Para un observador en cabina, la oscilación del péndulo, la caída de los cuerpos y otros procesos mecánicos se desarrollan exactamente de la misma manera que en un barco parado. Por lo tanto, al observar estos procesos, es imposible establecer ni la magnitud de la velocidad ni el hecho mismo del movimiento del barco. Para juzgar el movimiento del barco con respecto a cualquier sistema de referencia (por ejemplo, la superficie del agua), es necesario observar este sistema (ver cómo se alejan los objetos que se encuentran en el agua, etc.).

A principios del siglo XX. Resultó que no sólo los procesos y fenómenos naturales mecánicos, sino también térmicos, eléctricos, ópticos y todos los demás ocurren exactamente de la misma manera en todos los sistemas de referencia inerciales. Sobre esta base, Einstein formuló el principio de relatividad generalizada en 1905, más tarde llamado principio de relatividad de Einstein:

en todos los sistemas de referencia inerciales todos procesos fisicos proceder exactamente de la misma manera (en las mismas condiciones).

Este principio, junto con el principio de que la velocidad de propagación de la luz en el vacío es independiente del movimiento de la fuente de luz (ver § 20), formó la base de la teoría especial de la relatividad desarrollada por Einstein.

Las leyes de Newton y otras leyes de la dinámica que hemos considerado se cumplen sólo en sistemas de referencia inerciales. En los sistemas de referencia no inerciales, estas leyes, en general, ya no son válidas. Veamos un ejemplo sencillo para ilustrar la última afirmación.

Una bola de masa reposa sobre una plataforma completamente lisa, moviéndose uniformemente y en línea recta, y un observador se ubica en la misma plataforma. Otro observador se encuentra en la Tierra cerca del lugar por donde pronto pasará la plataforma. Es obvio que ambos observadores están asociados con sistemas de referencia inerciales.

Ahora, en el momento de pasar junto al observador asociado a la Tierra, la plataforma comienza a moverse con aceleración a, es decir, se convierte en un sistema de referencia no inercial. En este caso, la bola, que antes estaba en reposo con respecto a la plataforma, comenzará a moverse (con respecto a ella) con una aceleración a, de dirección opuesta e igual en magnitud a la aceleración adquirida por la plataforma. Averigüemos cómo es el comportamiento de la pelota desde el punto de vista de cada uno de los observadores.

Para un observador asociado con el sistema de referencia inercial, la Tierra, la bola continúa moviéndose de manera uniforme y rectilínea en total conformidad con la ley de inercia (ya que sobre ella no actúan otras fuerzas, excepto la fuerza de gravedad, equilibrada por la reacción del soporte). .

Un observador asociado a un sistema de referencia no inercial, una plataforma, ve una imagen diferente: la pelota comienza a moverse y adquiere aceleración, pero sin la influencia de la fuerza (ya que el observador no detecta la influencia de ningún otro cuerpo sobre la pelota). que imparten aceleración a la pelota). Esto contradice claramente la ley de la inercia. La segunda ley de Newton tampoco se cumple: habiéndola aplicado, el observador habría recibido esa (fuerza) y esto es imposible, ya que ni ni a son iguales a cero.

Sin embargo, es posible hacer que las leyes de la dinámica sean aplicables para describir movimientos en sistemas de referencia no inerciales si tomamos en consideración fuerzas de un tipo especial: las fuerzas inerciales. Entonces, en nuestro ejemplo, el observador asociado a la plataforma puede creer que la pelota comenzó a moverse bajo la influencia de una fuerza de inercia.

La introducción de la fuerza de inercia permite escribir la segunda ley de Newton (y sus consecuencias) en la forma habitual (ver § 7); Sólo por la fuerza actuante debemos entender ahora la resultante de las fuerzas “ordinarias” y las fuerzas de inercia.

¿Dónde está la masa del cuerpo y su aceleración?

Llamamos a las fuerzas inerciales fuerzas de "tipo especial", en primer lugar, porque actúan sólo en marcos de referencia no inerciales y, en segundo lugar, porque para ellas, a diferencia de las fuerzas "ordinarias", es imposible indicar la acción de qué otras fuerzas nuestros cuerpos (en el cuerpo en cuestión) están condicionados. Evidentemente, por esta razón, es imposible aplicar la tercera ley de Newton (y sus consecuencias) a las fuerzas de inercia; ésta es la tercera característica de las fuerzas de inercia.

La imposibilidad de indicar cuerpos individuales cuya acción (sobre el cuerpo en cuestión) causa fuerzas de inercia no significa, por supuesto, que la aparición de estas fuerzas no esté asociada en absoluto con la acción de ningún cuerpo material. Hay serias razones para suponer que las fuerzas de inercia son causadas por la acción de todo el conjunto de cuerpos del Universo (la masa del Universo en su conjunto).

El caso es que existe una gran similitud entre las fuerzas de inercia y las fuerzas de gravedad: ambas son proporcionales a la masa del cuerpo sobre el que actúan, y por tanto la aceleración impartida al cuerpo por cada una de estas fuerzas no depende sobre la masa del cuerpo. En determinadas condiciones, estas fuerzas no pueden distinguirse en absoluto. Dejemos, por ejemplo, que en algún lugar del espacio exterior se mueva con aceleración (debido al funcionamiento de los motores) astronave. El astronauta en él experimentará una fuerza que lo presionará contra el "piso" (la pared trasera en relación con la dirección del movimiento) de la nave. Esta fuerza creará exactamente el mismo efecto y provocará en el astronauta las mismas sensaciones que le provocaría la fuerza gravitacional correspondiente.

Si un astronauta cree que su nave se mueve con aceleración relativa al Universo, entonces llamará fuerza de inercia a la fuerza que actúa sobre él. Si el astronauta considera que su nave está estacionaria y que el Universo pasa rápidamente junto a ella con la misma aceleración a, entonces llamará a esta fuerza fuerza gravitacional. Y ambos puntos de vista serán completamente iguales. Ningún experimento realizado dentro de un barco puede demostrar la exactitud de un punto de vista y la falacia del otro.

De lo anterior y de otros ejemplos similares se deduce que movimiento acelerado sistema de referencia es equivalente (en su efecto sobre los cuerpos) a la aparición de las fuerzas gravitacionales correspondientes. Esta posición se denomina principio de equivalencia de las fuerzas de gravedad e inercia (principio de equivalencia de Einstein); Este principio forma la base de la teoría general de la relatividad.

Las fuerzas de inercia surgen no solo en sistemas de referencia no inerciales que se mueven rectilínicamente, sino también en sistemas de referencia giratorios. Supongamos, por ejemplo, que sobre una plataforma horizontal que puede girar alrededor de un eje vertical se encuentre un cuerpo de masa conectado al centro de rotación O mediante una cuerda de goma (Fig. 18). Si la plataforma comienza a girar con velocidad angular co (y, por lo tanto, se convierte en un sistema no inercial), entonces, debido a la fricción, el cuerpo también participará en la rotación. Al mismo tiempo, se moverá en dirección radial desde el centro de la plataforma hasta que la fuerza elástica creciente del cordón de estiramiento detenga este movimiento. Entonces el cuerpo comenzará a girar a una distancia del centro O.

Desde el punto de vista de un observador asociado a la plataforma, el movimiento de la pelota con respecto a ella se debe a alguna fuerza. Esta es la fuerza de inercia, ya que no es provocada por la acción de otros cuerpos específicos sobre la pelota; se llama fuerza centrífuga de inercia. Es obvio que la fuerza centrífuga de inercia es igual en magnitud y de dirección opuesta a la fuerza elástica de una cuerda estirada, que desempeña el papel de una fuerza centrípeta que actúa sobre un cuerpo que gira con respecto a un sistema inercial (ver § 13). Por lo tanto

por tanto, la fuerza centrífuga de inercia es proporcional a la distancia del cuerpo al eje de rotación.

Destacamos que la fuerza centrífuga de inercia no debe confundirse con la fuerza centrífuga “ordinaria” mencionada al final del § 13. Se trata de fuerzas de diferente naturaleza aplicadas a diferentes objetos: la fuerza centrífuga de inercia se aplica al cuerpo, y la fuerza centrífuga se aplica a la conexión.

En conclusión, observamos que desde el principio de equivalencia de las fuerzas de gravedad e inercia, se da una explicación sencilla del funcionamiento de todos los mecanismos centrífugos: bombas, separadores, etc. (ver § 13).

Cualquier mecanismo centrífugo puede considerarse como un sistema giratorio no inercial, que provoca la aparición de un campo gravitacional de configuración radial, que en un área limitada excede significativamente el campo gravitacional terrestre. En este campo, las partículas más densas del medio giratorio o las partículas débilmente asociadas a él se mueven hacia su periferia (como si fueran "al fondo").

La primera ley de Newton se establece de la siguiente manera: Un cuerpo que no está sujeto a influencias externas está en reposo o se mueve de manera rectilínea y uniforme.. Un cuerpo así se llama gratis, y su movimiento es movimiento libre o movimiento por inercia. Propiedad de un cuerpo de mantener un estado de reposo o uniforme. movimiento rectilíneo en ausencia de influencia de otros órganos sobre él se llama inercia. Por tanto, la primera ley de Newton se llama ley de inercia. Los cuerpos libres, estrictamente hablando, no existen. Sin embargo, es natural suponer que cuanto más alejada esté una partícula de otros objetos materiales, menos impacto tendrán sobre ella. Habiendo imaginado que estas influencias están disminuyendo, finalmente llegamos a la idea de un cuerpo libre y de libre movimiento.

Es imposible verificar experimentalmente la suposición sobre la naturaleza del movimiento de una partícula libre, ya que es imposible establecer de manera absolutamente confiable el hecho de la ausencia de interacción. Sólo es posible simular esta situación con cierto grado de precisión, utilizando el hecho experimental de reducir la interacción entre cuerpos distantes. La generalización de una serie de hechos experimentales, así como la coincidencia de las consecuencias derivadas de la ley con datos experimentales, demuestran su validez. Al moverse, un cuerpo mantiene su velocidad cuanto más tiempo, más débil es el efecto de otros cuerpos sobre él; por ejemplo, una piedra que se desliza por una superficie se mueve más tiempo, cuanto más lisa es esta superficie, es decir, menos impacto tiene esta superficie sobre ella.

El movimiento mecánico es relativo y su naturaleza depende del marco de referencia. En cinemática, la elección del sistema de referencia no fue significativa. Este no es el caso en dinámica. Si en cualquier sistema de referencia un cuerpo se mueve de forma rectilínea y uniforme, entonces en un sistema de referencia que se mueve acelerado con respecto al primero, este ya no será el caso. De ello se deduce que la ley de inercia no puede ser válida en todos los sistemas de referencia. La mecánica clásica postula que existe un marco de referencia en el que todos los cuerpos libres se mueven de forma rectilínea y uniforme. Un sistema de referencia de este tipo se denomina sistema de referencia inercial (IRS). El contenido de la ley de inercia, en esencia, se reduce a la afirmación de que existen sistemas de referencia en los que un cuerpo, no sujeto a influencias externas, se mueve de manera uniforme y rectilínea o está en reposo.

Es posible establecer qué sistemas de referencia son inerciales y cuáles no inerciales sólo de forma experimental. Supongamos, por ejemplo, que estamos hablando del movimiento de estrellas y otros objetos astronómicos en la parte del Universo accesible a nuestra observación. Elijamos un sistema de referencia en el que la Tierra se considere inmóvil (llamaremos a dicho sistema terrestre). ¿Será inercial?

Puedes elegir una estrella como cuerpo libre. De hecho, cada estrella, debido a su enorme distancia de las demás cuerpos celestes, es prácticamente un cuerpo libre. Sin embargo, en el marco de referencia de la Tierra, las estrellas realizan rotaciones diarias en el firmamento y, por tanto, se mueven con aceleración dirigida hacia el centro de la Tierra. Por tanto, el movimiento de un cuerpo libre (estrella) en el sistema de referencia de la Tierra se produce en círculo y no en línea recta. No obedece a la ley de inercia, por lo que el marco de referencia de la Tierra no será inercial.

En consecuencia, para resolver el problema, es necesario comprobar la inercialidad de otros sistemas de referencia. Elijamos el Sol como cuerpo de referencia. Este marco de referencia se llama marco de referencia heliocéntrico o marco copernicano. Los ejes de coordenadas del sistema de coordenadas asociado a él son líneas rectas dirigidas a tres estrellas distantes que no se encuentran en el mismo plano (Fig. 2.1).

Así, al estudiar los movimientos que se producen a escala de nuestro sistema planetario, así como de cualquier otro sistema cuyas dimensiones sean pequeñas en comparación con la distancia a aquellas tres estrellas que fueron elegidas como estrellas de referencia en el sistema copernicano, el sistema copernicano Es prácticamente un sistema de referencia inercial.

Ejemplo

La no inercialidad del sistema de referencia de la Tierra se explica por el hecho de que la Tierra gira alrededor de su propio eje y alrededor del Sol, es decir, se mueve a un ritmo acelerado en relación con el sistema copernicano. Dado que ambas rotaciones se producen lentamente, el sistema terrestre se comporta prácticamente como un sistema inercial frente a una amplia gama de fenómenos. Es por eso que el establecimiento de las leyes básicas de la dinámica puede comenzar con el estudio del movimiento de los cuerpos con respecto a la Tierra, haciendo abstracción de su rotación, es decir, tomando la Tierra aproximadamente como ISO.

FUERZA. PESO CORPORAL

Como muestra la experiencia, cualquier cambio en la velocidad de un cuerpo se produce bajo la influencia de otros cuerpos. En mecánica, el proceso de cambiar la naturaleza del movimiento bajo la influencia de otros cuerpos se llama interacción de cuerpos. Para caracterizar cuantitativamente la intensidad de esta interacción, Newton introdujo el concepto de fuerza. Las fuerzas pueden provocar no sólo un cambio en la velocidad de los cuerpos materiales, sino también su deformación. Por lo tanto, al concepto de fuerza se le puede dar la siguiente definición: la fuerza es una medida cuantitativa de la interacción de al menos dos cuerpos, que provoca una aceleración del cuerpo o un cambio en su forma, o ambas cosas.

Un ejemplo de deformación de un cuerpo bajo la influencia de una fuerza es un resorte comprimido o estirado. Es fácil de utilizar como estándar de fuerza: la unidad de fuerza es la fuerza elástica que actúa en un resorte, estirado o comprimido hasta cierto punto. Con dicho estándar, es posible comparar fuerzas y estudiar sus propiedades. Las fuerzas tienen las siguientes propiedades.

ü La fuerza es una cantidad vectorial y se caracteriza por su dirección, magnitud (valor numérico) y punto de aplicación. Las fuerzas aplicadas a un cuerpo se suman según la regla del paralelogramo.

ü La fuerza es la causa de la aceleración. La dirección del vector aceleración es paralela al vector fuerza.

ü La fuerza tiene un origen material. Sin cuerpos materiales, sin fuerzas.

ü El efecto de la fuerza no depende de si el cuerpo está en reposo o en movimiento.

ü Cuando actúan varias fuerzas simultáneamente, el cuerpo recibe la misma aceleración que recibiría bajo la acción de la fuerza resultante.

La última afirmación constituye el contenido del principio de superposición de fuerzas. El principio de superposición se basa en la idea de la independencia de la acción de las fuerzas: cada fuerza imparte la misma aceleración al cuerpo en cuestión, independientemente de que actúe únicamente i- fuente de fuerzas o todas las fuentes simultáneamente. Esto se puede formular de otra manera. La fuerza con la que una partícula actúa sobre otra depende de los vectores de radio y de las velocidades de sólo estas dos partículas. La presencia de otras partículas no afecta esta fuerza. Esta propiedad se llama ley de independencia acción de fuerzas o la ley de interacción de pares. El ámbito de aplicación de esta ley abarca toda la mecánica clásica.

Por otro lado, para resolver muchos problemas puede ser necesario encontrar varias fuerzas que, mediante su acción conjunta, puedan reemplazar a una fuerza determinada. Esta operación se llama descomposición de una fuerza dada en sus componentes.

Se sabe por experiencia que, bajo las mismas interacciones, diferentes cuerpos cambian su velocidad de movimiento de manera diferente. La naturaleza del cambio en la velocidad del movimiento depende no sólo de la magnitud de la fuerza y el tiempo de su acción, sino también de las propiedades del propio cuerpo. Como muestra la experiencia, por cuerpo dado la relación entre cada fuerza que actúa sobre él y la aceleración impartida por esta fuerza es un valor constante . Esta relación depende de las propiedades del cuerpo acelerado y se llama masa inerte cuerpos. Por tanto, la masa de un cuerpo se define como la relación entre la fuerza que actúa sobre el cuerpo y la aceleración impartida por esta fuerza. Cuanto mayor es la masa, mayor es la fuerza necesaria para impartir una determinada aceleración al cuerpo. El cuerpo parece resistirse al intento de cambiar su velocidad.

La propiedad de los cuerpos, que se expresa en la capacidad de mantener su estado en el tiempo (velocidad de movimiento, dirección del movimiento o estado de reposo), se llama inercia. Una medida de la inercia de un cuerpo es su masa inercial. Bajo la misma influencia de los cuerpos circundantes, un cuerpo puede cambiar rápidamente su velocidad, mientras que otro, en las mismas condiciones, puede cambiar mucho más lentamente (figura 2.2). Se acostumbra decir que el segundo de estos dos cuerpos tiene mayor inercia, o, en otras palabras, el segundo cuerpo tiene mayor masa. En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la masa corporal se mide en kilogramos (kg). El concepto de masa no puede reducirse a más conceptos simples

. Cuanto mayor sea la masa de un cuerpo, menos aceleración adquirirá bajo la influencia de la misma fuerza. A mayor fuerza, mayor será la aceleración, y por tanto mayor será la velocidad final, se moverá el cuerpo. La unidad de fuerza en el SI es N (newton). Un N (newton) numéricamente igual a la fuerza , que da masa corporal = 1 metro kilos

aceleración.

Comentario.

La relación sólo es válida a velocidades suficientemente bajas. A medida que aumenta la velocidad, esta relación cambia y aumenta con la velocidad.

SEGUNDA LEY DE NEWTON

De la experiencia se desprende que en los sistemas de referencia inerciales la aceleración de un cuerpo es proporcional a la suma vectorial de todas las fuerzas que actúan sobre él e inversamente proporcional a la masa del cuerpo:

La segunda ley de Newton expresa la relación entre la resultante de todas las fuerzas y la aceleración que provoca:

Aquí está el cambio en el impulso de un punto material a lo largo del tiempo. Dirigamos el intervalo de tiempo a cero:

	Entre los tipos de entretenimiento extremos, el puenting o puenting ocupa un lugar especial. En la ciudad de Geoffrey Bay se encuentra el "bungee" más grande del que se tiene registro: 221 m. Incluso figura en el Libro Guinness de los Récords. La longitud de la cuerda se calcula de modo que cuando una persona salta, se detiene en el borde del agua o simplemente la toca. La persona que salta es retenida por la fuerza elástica de la cuerda deformada. Normalmente, el cable consta de muchos hilos de goma entrelazados. Así, al caer, el cable retrocede evitando que las piernas del saltador se desprendan y añadiendo sensaciones adicionales al salto. En total conformidad con la segunda ley de Newton, un aumento en el tiempo de interacción entre el saltador y la cuerda conduce a un debilitamiento de la fuerza que actúa sobre la persona desde la cuerda.
	Para recibir una pelota que vuela a gran velocidad cuando se juega al voleibol, es necesario mover las manos en la dirección del movimiento de la pelota. Al mismo tiempo, aumenta el tiempo de interacción con la pelota y, por lo tanto, en total conformidad con la segunda ley de Newton, la magnitud de la fuerza que actúa sobre las manos disminuye.

Presentada de esta forma, la segunda ley de Newton contiene una nueva cantidad fisica– impulso. A velocidades cercanas a la velocidad de la luz en el vacío, el impulso se convierte en la principal cantidad medida en los experimentos. Por tanto, la ecuación (2.2) es una generalización de la ecuación de movimiento a velocidades relativistas.

Como se puede ver en la ecuación (2.2), si , entonces un valor constante, se deduce que es constante, es decir, el impulso, y con él la velocidad de un punto material que se mueve libremente, son constantes. Por tanto, formalmente, la primera ley de Newton es una consecuencia de la segunda ley. ¿Por qué entonces destaca como una ley independiente? El caso es que la ecuación que expresa la segunda ley de Newton sólo tiene sentido cuando se indica el sistema de referencia en el que es válida. La primera ley de Newton nos permite seleccionar dicho sistema de referencia. Afirma que existe un marco de referencia en el que un punto material libre se mueve sin aceleración. En tal sistema de referencia, el movimiento de cualquier punto material obedece a la ecuación de movimiento de Newton. Por tanto, en esencia, la primera ley no puede considerarse como una simple consecuencia lógica de la segunda. La conexión entre estas leyes es más profunda.

De la ecuación (2.2) se deduce que, es decir, un cambio infinitesimal en el momento durante un período de tiempo infinitesimal es igual al producto llamado impulso de poder. Cuanto mayor sea el impulso de fuerza, mayor será el cambio en el momento.

TIPOS DE FUERZAS

Toda la variedad de interacciones que existen en la naturaleza se reduce a cuatro tipos: gravitacional, electromagnética, fuerte y débil. Las interacciones fuertes y débiles son significativas a distancias tan pequeñas cuando las leyes de la mecánica de Newton ya no son aplicables. Todos los fenómenos macroscópicos del mundo que nos rodea están determinados por interacciones gravitacionales y electromagnéticas. Sólo para este tipo de interacciones se puede utilizar el concepto de fuerza en el sentido de la mecánica newtoniana. Las fuerzas gravitacionales son más significativas cuando interactúan grandes masas. Las manifestaciones de las fuerzas electromagnéticas son extremadamente diversas. Las fuerzas de fricción y las fuerzas elásticas conocidas son de naturaleza electromagnética. Dado que la segunda ley de Newton determina la aceleración de un cuerpo independientemente de la naturaleza de las fuerzas que la aceleran, en el futuro utilizaremos el llamado enfoque fenomenológico: basándonos en la experiencia, estableceremos leyes cuantitativas para estas fuerzas.

Fuerzas elásticas. Las fuerzas elásticas surgen en un cuerpo que experimenta la influencia de otros cuerpos o campos y están asociadas con la deformación del cuerpo. Las deformaciones son un tipo especial de movimiento, es decir, el movimiento de partes del cuerpo entre sí bajo la influencia de una fuerza externa. Cuando un cuerpo se deforma, su forma y volumen cambian. Para los sólidos, existen dos casos límite de deformación: elástica y plástica. La deformación se llama elástica si desaparece por completo una vez que cesa la acción de las fuerzas deformantes. Durante las deformaciones plásticas (inelásticas), el cuerpo conserva parcialmente su forma modificada después de que se retira la carga.

Las deformaciones elásticas de los cuerpos son variadas. Bajo la influencia de fuerzas externas, los cuerpos pueden estirarse y comprimirse, doblarse, torcerse, etc. Este desplazamiento es contrarrestado por las fuerzas de interacción entre partículas. sólido, manteniendo estas partículas a cierta distancia entre sí. Por tanto, ante cualquier tipo de deformación elástica, surgen fuerzas internas en el cuerpo que impiden su deformación. Las fuerzas que surgen en un cuerpo durante su deformación elástica y que van dirigidas contra la dirección de desplazamiento de las partículas del cuerpo provocadas por la deformación se denominan fuerzas elásticas. Las fuerzas elásticas actúan en cualquier sección de un cuerpo deformado, así como en el punto de contacto con el cuerpo que provoca la deformación.

La experiencia muestra que para pequeñas deformaciones elásticas, la magnitud de la deformación es proporcional a la fuerza que la causa (figura 2.3). Esta declaración se llama ley. gancho.

Robert Hooke, 1635-1702

Físico inglés. Nacido en Freshwater, en la Isla de Wight, en el seno de una familia de clérigos, se graduó en la Universidad de Oxford. Mientras aún estaba en la universidad, trabajó como asistente en el laboratorio de Robert Boyle, ayudando a este último a construir bomba de vacío para la instalación donde se descubrió la ley Boyle-Mariotte. Siendo contemporáneo de Isaac Newton, participó activamente con él en los trabajos de la Royal Society, y en 1677 asumió allí el cargo de secretario científico. Como muchos otros científicos de su época, Robert Hooke estaba interesado en una amplia variedad de campos. ciencias naturales y contribuyó al desarrollo de muchos de ellos. En su monografía "Micrografía" publicó numerosos bocetos de la estructura microscópica de tejidos vivos y otras muestras biológicas y presentó por primera vez concepto moderno"celula viva" En geología, fue el primero en reconocer la importancia de los estratos geológicos y el primero en la historia en dedicarse al estudio científico de los desastres naturales. Fue uno de los primeros en plantear la hipótesis de que la fuerza de atracción gravitacional entre cuerpos disminuye en proporción al cuadrado de la distancia entre ellos, y dos compatriotas y contemporáneos, Hooke y Newton, hasta el final de sus vidas se desafiaron por el derecho. ser llamado el descubridor de la ley gravedad universal. Hooke desarrolló y construyó personalmente varios importantes instrumentos de medición científicos. En particular, fue el primero en proponer colocar una mira hecha de dos finos hilos en el ocular de un microscopio, el primero en proponer tomar el punto de congelación del agua como cero en la escala de temperatura, y también inventó una junta universal (articulación cardán ).

La expresión matemática de la ley de Hooke para la deformación por tensión (compresión) unilateral tiene la forma:

¿Dónde está la fuerza elástica? – cambio de longitud (deformación) del cuerpo; – coeficiente de proporcionalidad, dependiendo del tamaño y material de la carrocería, llamado rigidez. La unidad SI de rigidez es newton por metro (N/m). En el caso de tensión o compresión unilateral, la fuerza elástica se dirige a lo largo de la línea recta a lo largo de la cual actúa la fuerza externa, provocando la deformación del cuerpo, opuesta a la dirección de esta fuerza y perpendicular a la superficie del cuerpo. La fuerza elástica siempre se dirige hacia la posición de equilibrio. La fuerza elástica que actúa sobre el cuerpo desde el lado del soporte o suspensión se llama fuerza de reacción del soporte o fuerza de tensión de la suspensión.

En . En este caso. En consecuencia, el módulo de Young es numéricamente igual a la tensión normal que debería surgir en el cuerpo cuando se duplica su longitud (si se cumpliera la ley de Hooke para una deformación tan grande). De (2.3) también queda claro que en el sistema SI de unidades, el módulo de Young se mide en pascales (). Para varios materiales El módulo de Young varía ampliamente. Para el acero, por ejemplo, y para el caucho aproximadamente, es decir, cinco órdenes de magnitud menos.

Por supuesto, la ley de Hooke, incluso en la forma mejorada por Jung, no describe todo lo que le sucede a una sustancia sólida bajo la influencia de fuerzas externas. Imagínese una banda elástica. Si no la estiras demasiado, surgirá de la goma elástica una fuerza restauradora de tensión elástica, y en cuanto la sueltes, inmediatamente se juntará y tomará su forma anterior. Si estiras más la banda elástica, tarde o temprano perderá su elasticidad y sentirás que la resistencia a la tracción ha disminuido. Esto significa que se ha superado el llamado límite elástico del material. Si tiras más de la goma, al cabo de un tiempo se romperá por completo y la resistencia desaparecerá por completo. Esto significa que se ha superado el llamado punto de ruptura. En otras palabras, la ley de Hooke sólo se aplica a compresiones o estiramientos relativamente pequeños.

Presentamos a su atención un video tutorial sobre el tema “ Sistemas inerciales cuenta atrás. Primera Ley de Newton", que se incluye en curso escolar Física para noveno grado. Al comienzo de la lección, el profesor te recordará la importancia del marco de referencia elegido. Y luego hablará sobre la exactitud y las características del sistema de referencia elegido, y también explicará el término "inercia".

En la lección anterior hablamos de la importancia de elegir un marco de referencia. Te recordamos que de cómo elijamos el CO dependerá la trayectoria, la distancia recorrida y la velocidad. Hay una serie de otras características asociadas con la elección del sistema de referencia, y hablaremos de ellas.

Arroz. 1. Dependencia de la trayectoria de una carga que cae de la elección del sistema de referencia

En séptimo grado, estudiaste los conceptos de “inercia” e “inercia”.

Inercia - Este fenómeno, en el que el cuerpo tiende a mantener su estado original. Si el cuerpo se estaba moviendo, entonces debería esforzarse por mantener la velocidad de este movimiento. Y si estaba en reposo, se esforzará por mantener su estado de reposo.

Inercia - Este propiedad Los cuerpos mantienen un estado de movimiento. La propiedad de la inercia se caracteriza por una cantidad como la masa. Peso – medida de la inercia corporal. Cuanto más pesado es el cuerpo, más difícil resulta moverlo o, por el contrario, detenerlo.

Tenga en cuenta que estos conceptos están directamente relacionados con el concepto de " marco de referencia inercial"(ISO), que se analizará a continuación.

Consideremos el movimiento de un cuerpo (o estado de reposo) en el caso en que otros cuerpos no actúan sobre él. La conclusión sobre cómo se comportará un cuerpo en ausencia de la acción de otros cuerpos fue propuesta por primera vez por René Descartes (Fig. 2) y continuó en los experimentos de Galileo (Fig. 3).

Arroz. 2. René Descartes

Arroz. 3. Galileo Galilei

Si un cuerpo se mueve y otros cuerpos no actúan sobre él, entonces el movimiento se mantendrá, permanecerá rectilíneo y uniforme. Si otros cuerpos no actúan sobre el cuerpo y el cuerpo está en reposo, entonces se mantendrá el estado de reposo. Pero se sabe que el estado de reposo está asociado a un sistema de referencia: en un sistema de referencia el cuerpo está en reposo, y en el otro se mueve con bastante éxito y a un ritmo acelerado. Los resultados de los experimentos y el razonamiento llevan a la conclusión de que no en todos los sistemas de referencia un cuerpo se moverá de manera rectilínea y uniforme o estará en reposo en ausencia de la acción de otros cuerpos sobre él.

En consecuencia, para resolver el principal problema de la mecánica, es importante elegir un sistema de notificación en el que aún se cumpla la ley de inercia y en el que esté clara la razón que provocó el cambio en el movimiento del cuerpo. Si un cuerpo se mueve de manera rectilínea y uniforme en ausencia de la acción de otros cuerpos, ese marco de referencia será preferible para nosotros y lo llamaremos sistema de referencia inercial(ISO).

La visión de Aristóteles sobre la causa del movimiento.

Un sistema de referencia inercial es un modelo conveniente para describir el movimiento de un cuerpo y las razones que causan dicho movimiento. Este concepto apareció por primera vez gracias a Isaac Newton (Fig. 5).

Arroz. 5. Isaac Newton (1643-1727)

Los antiguos griegos imaginaban el movimiento de forma completamente distinta. Nos familiarizaremos con el punto de vista aristotélico sobre el movimiento (Fig. 6).

Arroz. 6. Aristóteles

Según Aristóteles, sólo existe un sistema de referencia inercial: el sistema de referencia asociado con la Tierra. Todos los demás sistemas de referencia, según Aristóteles, son secundarios. En consecuencia, todos los movimientos se pueden dividir en dos tipos: 1) naturales, es decir, los comunicados por la Tierra; 2) forzado, es decir, todos los demás.

El ejemplo más simple de movimiento natural es la caída libre de un cuerpo hacia la Tierra, ya que la Tierra en este caso imparte velocidad al cuerpo.

Veamos un ejemplo de movimiento forzado. Esta es una situación de caballo tirando de un carro. Mientras el caballo ejerce fuerza, el carro se mueve (Fig. 7). Tan pronto como el caballo se detuvo, el carro también se detuvo. Sin fuerza, sin velocidad. Según Aristóteles, es la fuerza la que explica la presencia de velocidad en un cuerpo.

Arroz. 7. Movimiento forzado

Hasta ahora, algunas personas corrientes consideran justo el punto de vista de Aristóteles. Por ejemplo, el coronel Friedrich Kraus von Zillergut de "Las aventuras del buen soldado Schweik durante la Guerra Mundial" intentó ilustrar el principio "Sin fuerza, sin velocidad": "Cuando se acabó toda la gasolina", dijo el coronel, "el El coche se vio obligado a detenerse. Yo mismo vi esto ayer. Y después siguen hablando de inercia, señores. No va, se queda ahí, no se mueve. ¡Sin gasolina! ¿No es gracioso?

Como en el mundo del espectáculo moderno, donde hay fans, siempre habrá críticos. Aristóteles también tuvo sus críticos. Le sugirieron que hiciera el siguiente experimento: suelte el cuerpo y caerá exactamente debajo del lugar donde lo soltamos. Pongamos un ejemplo de crítica a la teoría de Aristóteles, similar a los ejemplos de sus contemporáneos. Imagine que un avión en vuelo está lanzando una bomba (Fig. 8). ¿Caerá la bomba exactamente debajo del lugar donde la lanzamos?

Arroz. 8. Ilustración por ejemplo

Por supuesto que no. Pero esto es movimiento natural- el movimiento informado por la Tierra. Entonces, ¿qué hace que esta bomba avance? Aristóteles respondió así: el caso es que el movimiento natural que imparte la Tierra es caer hacia abajo. Pero cuando se mueve en el aire, la bomba se deja llevar por sus turbulencias, y estas turbulencias parecen empujarla hacia adelante.

¿Qué pasa si se elimina el aire y se crea un vacío? Después de todo, si no hay aire, entonces, según Aristóteles, la bomba debería caer exactamente debajo del lugar donde fue arrojada. Aristóteles argumentó que si no hay aire, entonces tal situación es posible, pero en realidad no hay vacío en la naturaleza, no hay vacío. Y si no hay vacío, no hay problema.

Y sólo Galileo Galilei formuló el principio de inercia en la forma a la que estamos acostumbrados. La razón del cambio de velocidad es la acción de otros cuerpos sobre el cuerpo. Si otros cuerpos no actúan sobre el cuerpo o esta acción se compensa, entonces la velocidad del cuerpo no cambiará.

Se pueden hacer las siguientes consideraciones con respecto al sistema de referencia inercial. Imagine una situación en la que un automóvil está en movimiento, luego el conductor apaga el motor y luego el automóvil se mueve por inercia (Fig. 9). Pero esta es una afirmación incorrecta por la sencilla razón de que con el tiempo el coche se detendrá como resultado de la fricción. Por lo tanto, en este caso no habrá movimiento uniforme- falta una de las condiciones.

Arroz. 9. La velocidad del coche cambia como resultado de la fricción.

Consideremos otro caso: un tractor grande, de gran tamaño, se mueve a velocidad constante, mientras que delante arrastra una gran carga con un cucharón. Tal movimiento puede considerarse rectilíneo y uniforme, porque en este caso todas las fuerzas que actúan sobre el cuerpo están compensadas y equilibradas entre sí (Fig. 10). Esto significa que el marco de referencia asociado a este cuerpo puede considerarse inercial.

Arroz. 10. El tractor se mueve uniformemente y en línea recta. La acción de todos los cuerpos está compensada.

Puede haber muchos sistemas de referencia inerciales. En realidad, un sistema de referencia de este tipo todavía está idealizado, ya que, tras un examen más detenido, no existen tales sistemas de referencia en el sentido pleno. ISO es un tipo de idealización que le permite simular efectivamente procesos físicos reales.

Para sistemas de referencia inerciales, la fórmula de Galileo para sumar velocidades es válida. También observamos que todos los sistemas de referencia de los que hablamos antes pueden considerarse inerciales con respecto a alguna aproximación.

La ley dedicada a ISO fue formulada por primera vez por Isaac Newton. El mérito de Newton radica en el hecho de que fue el primero en demostrar científicamente que la velocidad de un cuerpo en movimiento no cambia instantáneamente, sino como resultado de alguna acción a lo largo del tiempo. Este hecho formó la base para la creación de la ley que llamamos primera ley de Newton.

La primera ley de Newton : existen sistemas de referencia en los que el cuerpo se mueve de forma rectilínea y uniforme o está en reposo si ninguna fuerza actúa sobre el cuerpo o si todas las fuerzas que actúan sobre el cuerpo están compensadas. Estos sistemas de referencia se denominan inerciales.

De otra manera, a veces dicen esto: un sistema de referencia inercial es un sistema en el que se satisfacen las leyes de Newton.

¿Por qué la Tierra es un CO no inercial? Péndulo de Foucault

En una gran cantidad de problemas, es necesario considerar el movimiento de un cuerpo con respecto a la Tierra, mientras consideramos que la Tierra es un sistema de referencia inercial. Resulta que esta afirmación no siempre es cierta. Si consideramos el movimiento de la Tierra con respecto a su eje o con respecto a las estrellas, entonces este movimiento ocurre con cierta aceleración. El CO, que se mueve con cierta aceleración, no puede considerarse inercial en sentido pleno.

La Tierra gira alrededor de su eje, lo que significa que todos los puntos que se encuentran en su superficie cambian continuamente la dirección de su velocidad. La velocidad es una cantidad vectorial. Si su dirección cambia, entonces aparece cierta aceleración. Por tanto, la Tierra no puede ser una ISO correcta. Si calculamos esta aceleración para puntos ubicados en el ecuador (puntos que tienen máxima aceleración con respecto a puntos ubicados más cerca de los polos), entonces su valor será . El índice muestra que la aceleración es centrípeta. En comparación con la aceleración debida a la gravedad, la aceleración puede despreciarse y la Tierra puede considerarse un sistema de referencia inercial.

Sin embargo, durante las observaciones a largo plazo no se puede olvidar la rotación de la Tierra. Esto lo demostró de manera convincente el científico francés Jean Bernard Leon Foucault (Fig. 11).

Arroz. 11. Jean Bernard León Foucault (1819-1868)

Péndulo de Foucault(Figura 12) - es un peso enorme suspendido de un hilo muy largo.

Arroz. 12. Modelo de péndulo de Foucault

Si el péndulo de Foucault se sale del equilibrio, describirá la siguiente trayectoria que no sea una línea recta (Fig. 13). El desplazamiento del péndulo es causado por la rotación de la Tierra.

Arroz. 13. Oscilaciones del péndulo de Foucault. Vista superior.

La rotación de la Tierra es causada por una serie de otros hechos interesantes. Por ejemplo, en los ríos del hemisferio norte, por regla general, la margen derecha es más empinada y la margen izquierda es más plana. En los ríos del hemisferio sur ocurre al revés. Todo esto se debe precisamente a la rotación de la Tierra y a la resultante fuerza de Coriolis.

Sobre la cuestión de la formulación de la primera ley de Newton.

La primera ley de Newton: si ningún cuerpo actúa sobre un cuerpo o su acción está mutuamente equilibrada (compensada), entonces este cuerpo estará en reposo o se moverá de manera uniforme y rectilínea.

Consideremos una situación que nos indicará que es necesario corregir esta formulación de la primera ley de Newton. Imagínese un tren con ventanas con cortinas. En un tren de este tipo, el pasajero no puede determinar si el tren se está moviendo o no mirando los objetos del exterior. Consideremos dos sistemas de referencia: FR asociado con el pasajero Volodya y FR asociado con el observador en la plataforma Katya. El tren comienza a acelerar, su velocidad aumenta. ¿Qué pasará con la manzana que está sobre la mesa? Rodará en dirección opuesta por inercia. Para Katya será obvio que la manzana se mueve por inercia, pero para Volodia será incomprensible. No ve que el tren ha comenzado a moverse, y de repente una manzana que está sobre la mesa comienza a rodar hacia él. ¿Cómo puede ser esto? Después de todo, según la primera ley de Newton, la manzana debe permanecer en reposo. Por tanto, es necesario mejorar la definición de la primera ley de Newton.

Arroz. 14. Ejemplo de ilustración

Formulación correcta de la primera ley de Newton. Suena así: hay sistemas de referencia en los que el cuerpo se mueve de forma rectilínea y uniforme o está en reposo si ninguna fuerza actúa sobre el cuerpo o si todas las fuerzas que actúan sobre el cuerpo están compensadas.

Volodia está en un marco de referencia no inercial y Katya está en uno inercial.

La mayoría de los sistemas, sistemas reales de referencia, son no inerciales. Consideremos un ejemplo sencillo: mientras estás sentado en un tren, pones un cuerpo (por ejemplo, una manzana) sobre la mesa. Cuando el tren comience a moverse, observaremos la siguiente imagen interesante: la manzana se moverá, rodará en la dirección opuesta al movimiento del tren (Fig. 15). En este caso, no podremos determinar qué órganos actúan y hacen que la manzana se mueva. En este caso se dice que el sistema es no inercial. Pero puedes salir de esta situación ingresando fuerza de inercia.

Arroz. 15. Ejemplo de FR no inercial

Otro ejemplo: cuando un cuerpo se mueve por una carretera con curvas (Fig. 16), surge una fuerza que hace que el cuerpo se desvíe de la dirección recta del movimiento. En este caso también debemos considerar marco de referencia no inercial, pero, como en el caso anterior, también podemos salir de la situación introduciendo el llamado. fuerzas de inercia.

Arroz. 16. Fuerzas de inercia al moverse por un camino redondeado.

Conclusión

Existen sistemas de referencia. conjunto infinito, pero entre ellos la mayoría son aquellos que no podemos considerar como sistemas de referencia inerciales. Un sistema de referencia inercial es un modelo idealizado. Por cierto, con un sistema de referencia de este tipo podemos aceptar un sistema de referencia asociado con la Tierra o con algunos objetos distantes (por ejemplo, con las estrellas).

Referencias

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Sokolovich Yu.A., Bogdanova G.S. Física: un libro de referencia con ejemplos de resolución de problemas. - 2ª edición, revisión. - X.: Vesta: Editorial Ranok, 2005. - 464 p.

Portal de Internet “física.ru” ()
Portal de Internet “ens.tpu.ru” ()
Portal de Internet “prosto-o-slognom.ru” ()

Tarea

Formular las definiciones de sistemas de referencia inerciales y no inerciales. Dé ejemplos de tales sistemas.
Enuncie la primera ley de Newton.
En ISO el cuerpo está en reposo. Determine cuál es el valor de su velocidad en el ISO, que se mueve con respecto al primer cuadro de referencia con velocidad. v?

Cualquier cuerpo puede verse influenciado por otros cuerpos que lo rodean, como resultado de lo cual el estado de movimiento (reposo) del cuerpo observado puede cambiar. Al mismo tiempo, dichos impactos pueden compensarse (equilibrarse) y no causar tales cambios. Cuando dicen que las acciones de dos o más cuerpos se compensan entre sí, significa que el resultado de su acción conjunta es el mismo que si estos cuerpos no existieran en absoluto. Si se compensa la influencia de otros cuerpos sobre el cuerpo, entonces, en relación con la Tierra, el cuerpo está en reposo o se mueve de forma rectilínea y uniforme.

Así llegamos a una de las leyes básicas de la mecánica, que se llama primera ley de Newton.

Primera ley de Newton (ley de inercia)

Hay sistemas de referencia en los que un cuerpo en movimiento traslacional se encuentra en estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme (movimiento por inercia) hasta que las influencias de otros cuerpos lo sacan de este estado.

En relación con lo anterior, un cambio en la velocidad de un cuerpo (es decir, aceleración) siempre es causado por la influencia de otros cuerpos sobre este cuerpo.

La primera ley de Newton se cumple sólo en sistemas de referencia inerciales.

Definición

Los sistemas de referencia con respecto a los cuales un cuerpo, no afectado por otros cuerpos, está en reposo o se mueve uniformemente y en línea recta se denominan inerciales.

Determinar si este sistema La referencia de lo inercial sólo es posible de forma experimental. En la mayoría de los casos, los sistemas de referencia asociados a la Tierra o a cuerpos de referencia que se mueven de manera uniforme y rectilínea con respecto a la superficie terrestre pueden considerarse inerciales.

Figura 1. Marcos de referencia inerciales

Ahora se ha confirmado experimentalmente que el sistema de referencia heliocéntrico asociado al centro del Sol y tres estrellas "fijas" es prácticamente inercial.

Cualquier otro sistema de referencia que se mueva uniforme y rectilíneamente con respecto al inercial es en sí mismo inercial.

Galileo estableció que ningún experimento mecánico realizado dentro de un sistema de referencia inercial puede establecer si este sistema está en reposo o se mueve de manera uniforme y rectilínea. Esta afirmación se llama principio de relatividad de Galileo o principio mecánico de la relatividad.

Este principio fue desarrollado posteriormente por A. Einstein y es uno de los postulados de la teoría especial de la relatividad. Los ISO juegan exclusivamente en la física papel importante, ya que, según el principio de relatividad de Einstein, expresión matemática cualquier ley de la física tiene la misma forma en cada ISO.

Si el cuerpo de referencia se mueve con aceleración, entonces el sistema de referencia asociado a él no es inercial y la primera ley de Newton no es válida en él.

La propiedad de los cuerpos de mantener su estado en el tiempo (velocidad de movimiento, dirección del movimiento, estado de reposo, etc.) se llama inercia. El fenómeno mismo de mantener la velocidad de un cuerpo en movimiento en ausencia de influencias externas se llama inercia.

Figura 2. Manifestaciones de inercia en un autobús al iniciar la marcha y frenar

A menudo nos encontramos con manifestaciones de la inercia de los cuerpos en la vida cotidiana. Cuando el autobús acelera bruscamente, los pasajeros a bordo se inclinan hacia atrás (Fig.2, a), y cuando el autobús frena repentinamente, se inclinan hacia adelante (Fig.2, b), y cuando el autobús gira hacia la derecha, se inclinan hacia su pared izquierda. Cuando un avión despega con gran aceleración, el cuerpo del piloto, tratando de mantener su estado original de reposo, presiona contra el asiento.

La inercia de los cuerpos se manifiesta claramente cuando hay un cambio brusco en la aceleración de los cuerpos del sistema, cuando el sistema de referencia inercial se reemplaza por uno no inercial, y viceversa.

La inercia de un cuerpo suele caracterizarse por su masa (masa inercial).

La fuerza que actúa sobre un cuerpo desde un sistema de referencia no inercial se llama fuerza de inercia.

Si varias fuerzas actúan simultáneamente sobre un cuerpo en un sistema de referencia no inercial, algunas de las cuales son fuerzas "ordinarias" y otras son inerciales, entonces el cuerpo experimentará una fuerza resultante, que es la suma vectorial de todas las fuerzas que actúan. en ello. Esta fuerza resultante no es una fuerza de inercia. La fuerza de inercia es sólo una componente de la fuerza resultante.

Si un palo suspendido por dos hilos finos es tirado lentamente por una cuerda atada a su centro, entonces:

el palo se romperá;
el cordón se rompe;
uno de los hilos se rompe;
Cualquier opción es posible, dependiendo de la fuerza aplicada.

Figura 4

La fuerza se aplica al centro del palo, donde está suspendida la cuerda. Dado que, según la primera ley de Newton, todo cuerpo tiene inercia, parte del palo en el punto donde está suspendida la cuerda se moverá bajo la acción de la fuerza aplicada, y otras partes del palo que no se ven afectadas por la fuerza permanecerán. en paz. Por tanto, el palo se romperá en el punto de suspensión.

Respuesta. Respuesta correcta 1.

Un hombre tira de dos trineos conectados, aplicando una fuerza que forma un ángulo de 300 con la horizontal. Encuentre esta fuerza si sabe que el trineo se mueve uniformemente. El peso del trineo es de 40 kg. Coeficiente de fricción 0,3.

$t_1$ = $t_2$ = $m$ = 40 kg

$(\mathbf \mu )$ = 0,3

$(\mathbf \alpha )$=$30^(\circ)$

$g$ = 9,8 m/s2

Figura 5

Dado que el trineo se mueve con velocidad constante, según la primera ley de Newton, la suma de las fuerzas que actúan sobre el trineo es cero. Escribamos la primera ley de Newton para cada cuerpo inmediatamente en proyección sobre el eje y agreguemos la ley de fricción seca de Coulomb para el trineo:

Eje OX Eje OY

\[\left\( \begin(array)(c) T-F_(tr1)=0 \\ F_(tr1)=\mu N_1 \\ F_(tr2)=\mu N_2 \\ F(cos \alpha - \ )F_(tr2)-T=0 \end(array) \right \left\( \begin(array)(c) N_1-mg=0 \\ N_2+F(sin \alpha \ )-mg=0 \end(matriz) \right.\]

$F=\frac(2\mu mg)((cos \alpha \ )+\mu (sin \alpha \ ))=\ \frac(2\cdot 0.3\cdot 40\cdot 9.8)((cos 30() ^\circ \ )+0.3\cdot (sin 30()^\circ \ ))=231.5\ H$

La primera ley de la mecánica, o ley de inercia ( inercia- esta es la propiedad de los cuerpos de mantener su velocidad en ausencia de la acción de otros cuerpos sobre él. ), como se le suele llamar, fue establecido por Galileo. Pero Newton dio una formulación estricta de esta ley y la incluyó entre las leyes fundamentales de la mecánica. La ley de la inercia se aplica a caso sencillo movimiento: el movimiento de un cuerpo que no está influenciado por otros cuerpos. Estos cuerpos se llaman cuerpos libres.

Es imposible responder a la pregunta de cómo se mueven los cuerpos libres sin recurrir a la experiencia. Sin embargo, es imposible realizar un solo experimento que muestre en su forma pura cómo se mueve un cuerpo que no interactúa con nada, ya que no existen tales cuerpos. ¿Cómo puede ser esto?

Sólo hay una salida. Es necesario crear condiciones para el cuerpo bajo las cuales la influencia de influencias externas pueda disminuir cada vez menos y observar a qué conduce esto. Puedes, por ejemplo, observar el movimiento de una piedra lisa sobre superficie horizontal, después de que se le haya dado una cierta velocidad. (La atracción de una piedra hacia el suelo se equilibra con la acción de la superficie sobre la que descansa, y la velocidad de su movimiento se ve afectada sólo por la fricción.) Es fácil descubrir que cuanto más lisa es la superficie, más lentamente avanza. La velocidad de la piedra disminuirá. En hielo suave La piedra se desliza durante mucho tiempo sin que su velocidad cambie perceptiblemente. La fricción se puede reducir al mínimo utilizando un colchón de aire: chorros de aire que sostienen el cuerpo sobre una superficie sólida a lo largo de la cual se produce el movimiento. Este principio se utiliza en el transporte acuático (barcos en colchón de aire). Con base en tales observaciones, podemos concluir: si la superficie fuera perfectamente lisa, entonces, en ausencia de resistencia del aire (en el vacío), la piedra no cambiaría su velocidad en absoluto. Esta fue la conclusión a la que llegó Galileo por primera vez.

Por otro lado, es fácil notar que cuando cambia la velocidad de un cuerpo, siempre se detecta la influencia de otros cuerpos sobre él. De esto podemos llegar a la conclusión de que un cuerpo que está suficientemente alejado de otros cuerpos y por esta razón no interactúa con ellos se mueve a una velocidad constante.

El movimiento es relativo, por lo que tiene sentido hablar sólo del movimiento de un cuerpo en relación con un marco de referencia asociado con otro cuerpo. Inmediatamente surge la pregunta: ¿un cuerpo libre se moverá a una velocidad constante en relación con cualquier otro cuerpo? La respuesta, por supuesto, es negativa. Entonces, si en relación con la Tierra un cuerpo libre se mueve de manera rectilínea y uniforme, entonces en relación con un carrusel giratorio el cuerpo ciertamente no se moverá de esta manera.

Las observaciones de los movimientos de los cuerpos y las reflexiones sobre la naturaleza de estos movimientos nos llevan a la conclusión de que los cuerpos libres se mueven con velocidad constante, al menos en relación con ciertos cuerpos y sus marcos de referencia asociados. Por ejemplo, en relación con la Tierra. Este es el contenido principal de la ley de inercia.

Es por eso La primera ley de Newton se puede formular así:

Existen sistemas de referencia con respecto a los cuales un cuerpo (punto material), en ausencia de influencias externas sobre él (o con su compensación mutua), mantiene un estado de reposo o movimiento rectilíneo uniforme.

Marco de referencia inercial

La primera ley de Newton afirma (esto puede verificarse experimentalmente con diversos grados de precisión) que los sistemas inerciales realmente existen. Esta ley de la mecánica sitúa a los sistemas de referencia inerciales en una posición especial y privilegiada.

Sistemas de referencia, en los que se cumple la primera ley de Newton, se denominan inerciales..

Sistemas de referencia inerciales- Se trata de sistemas respecto de los cuales un punto material, en ausencia de influencias externas sobre él o de su compensación mutua, está en reposo o se mueve de manera uniforme y rectilínea.

Hay una infinidad de sistemas inerciales. El sistema de referencia asociado a un tren que se desplaza a velocidad constante a lo largo de un tramo recto de vía es también un sistema inercial (aproximadamente), como el sistema asociado a la Tierra. Todos los sistemas de referencia inerciales forman una clase de sistemas que se mueven entre sí de manera uniforme y rectilínea. Las aceleraciones de cualquier cuerpo en diferentes sistemas inerciales son las mismas.

¿Cómo establecer que un sistema de referencia determinado es inercial? Esto sólo se puede hacer a través de la experiencia. Las observaciones muestran que, con un grado muy alto de precisión, un sistema heliocéntrico puede considerarse un sistema de referencia inercial, en el que el origen de las coordenadas está asociado con el Sol y los ejes están dirigidos a determinadas estrellas "fijas". Los sistemas de referencia conectados rígidamente a la superficie de la Tierra, estrictamente hablando, no son inerciales, ya que la Tierra se mueve en una órbita alrededor del Sol y al mismo tiempo gira alrededor de su eje. Sin embargo, al describir movimientos que no tienen una escala global (es decir, mundial), los sistemas de referencia asociados con la Tierra pueden considerarse inerciales con suficiente precisión.

Los sistemas de referencia inercial son aquellos que se mueven de manera uniforme y rectilínea con respecto a algún sistema de referencia inercial..

Galileo descubrió que Ningún experimento mecánico realizado dentro de un sistema de referencia inercial puede establecer si este sistema está en reposo o se mueve de manera uniforme y rectilínea.. Esta declaración se llama El principio de relatividad de Galileo o principio mecánico de la relatividad.

Este principio fue desarrollado posteriormente por A. Einstein y es uno de los postulados de la teoría especial de la relatividad. Los sistemas de referencia inerciales juegan un papel extremadamente importante en la física, ya que, según el principio de relatividad de Einstein, la expresión matemática de cualquier ley de la física tiene la misma forma en cada sistema de referencia inercial. En lo que sigue, usaremos sólo sistemas inerciales (sin mencionar esto cada vez).

Los marcos de referencia en los que la primera ley de Newton no se cumple se denominan no inercial Y.

Dichos sistemas incluyen cualquier sistema de referencia que se mueva con aceleración relativa a un sistema de referencia inercial.

En la mecánica newtoniana, las leyes de interacción de los cuerpos se formulan para una clase de sistemas de referencia inerciales.

Un ejemplo de experimento mecánico en el que se manifiesta la no inercialidad de un sistema asociado a la Tierra es el comportamiento Péndulo de Foucault. Este es el nombre de una bola masiva suspendida de un hilo bastante largo y que realiza pequeñas oscilaciones alrededor de la posición de equilibrio. Si el sistema asociado con la Tierra fuera inercial, el plano de oscilación del péndulo de Foucault permanecería sin cambios en relación con la Tierra. De hecho, el plano de oscilación del péndulo gira debido a la rotación de la Tierra, y la proyección de la trayectoria del péndulo sobre la superficie de la Tierra tiene forma de roseta (Fig. 1).

Arroz. 2

Literatura
Física abierta 2.5 (http://college.ru/physics/)