กรอบอ้างอิงของการเคลื่อนที่เป็นแรงเฉื่อยหรือไม่? ระบบอ้างอิงเฉื่อย หลักสัมพัทธภาพ

ระบบอ้างอิงที่เคลื่อนที่ (สัมพันธ์กับดวงดาว) สม่ำเสมอและเป็นเส้นตรง (เช่น โดยความเฉื่อย) เรียกว่าแรงเฉื่อย เห็นได้ชัดว่ามีระบบอ้างอิงจำนวนนับไม่ถ้วน เนื่องจากระบบใดๆ ที่เคลื่อนที่สม่ำเสมอและเป็นเส้นตรงสัมพันธ์กับระบบอ้างอิงเฉื่อยบางระบบก็มีความเฉื่อยเช่นกัน ระบบอ้างอิงที่เคลื่อนที่ (สัมพันธ์กับกรอบเฉื่อย) ด้วยความเร่งเรียกว่าไม่เฉื่อย

ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่า

ในระบบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมด กระบวนการทางกลทั้งหมดจะดำเนินการในลักษณะเดียวกันทุกประการ (ภายใต้สภาวะเดียวกัน)

ตำแหน่งนี้เรียกว่าหลักการสัมพัทธภาพทางกล (หรือหลักการสัมพัทธภาพของกาลิเลโอ) กำหนดขึ้นในปี 1636 โดยกาลิเลโอ กาลิเลโออธิบายโดยใช้ตัวอย่างกระบวนการทางกลที่เกิดขึ้นในห้องโดยสารของเรือที่ลอยอย่างสม่ำเสมอและเป็นเส้นตรงไปตาม ทะเลสงบ. สำหรับผู้สังเกตการณ์ในห้องโดยสาร การสั่นของลูกตุ้ม การตกของร่างกาย และกระบวนการทางกลอื่นๆ ดำเนินไปในลักษณะเดียวกับบนเรือที่จอดอยู่กับที่ ดังนั้น โดยการสังเกตกระบวนการเหล่านี้ จึงเป็นไปไม่ได้ที่จะกำหนดขนาดของความเร็วหรือแม้แต่ข้อเท็จจริงของการเคลื่อนที่ของเรือ ในการตัดสินการเคลื่อนที่ของเรือโดยสัมพันธ์กับระบบอ้างอิงใดๆ (เช่น พื้นผิวของน้ำ) จำเป็นต้องสังเกตระบบนี้ (ดูว่าวัตถุที่วางอยู่บนน้ำเคลื่อนตัวออกไปอย่างไร เป็นต้น)

เมื่อต้นศตวรรษที่ 20 ปรากฎว่าไม่เพียงแต่ทางกลเท่านั้น แต่ยังรวมถึงกระบวนการทางความร้อน ไฟฟ้า ทางแสง และกระบวนการอื่นๆ ทั้งหมดและปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่เกิดขึ้นในลักษณะเดียวกันทุกประการในระบบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมด บนพื้นฐานนี้ ไอน์สไตน์ได้กำหนดหลักการทั่วไปของสัมพัทธภาพในปี 1905 ซึ่งต่อมาเรียกว่าหลักการสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์:

ในกรอบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมด กระบวนการทางกายภาพดำเนินการในลักษณะเดียวกันทุกประการ (ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน)

หลักการนี้ควบคู่ไปกับหลักการที่ว่าความเร็วของการแพร่กระจายของแสงในสุญญากาศไม่ขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดแสง (ดูมาตรา 20) เป็นพื้นฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษที่พัฒนาโดยไอน์สไตน์

กฎของนิวตันและกฎไดนามิกอื่นๆ ที่เราพิจารณาแล้วจะเป็นไปตามกรอบอ้างอิงเฉื่อยเท่านั้น ในกรอบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อย โดยทั่วไปแล้ว กฎเหล่านี้จะใช้ไม่ได้อีกต่อไป ลองดูตัวอย่างง่ายๆ เพื่อแสดงให้เห็นข้อความสุดท้าย

ลูกบอลมวลวางอยู่บนแท่นที่ราบเรียบโดยสมบูรณ์ เคลื่อนที่สม่ำเสมอและเป็นเส้นตรง ผู้สังเกตการณ์อยู่บนแท่นเดียวกัน ผู้สังเกตการณ์อีกคนหนึ่งกำลังยืนอยู่บนโลกใกล้กับจุดที่ชานชาลาจะผ่านไปในไม่ช้า เห็นได้ชัดว่าผู้สังเกตการณ์ทั้งสองมีความเกี่ยวข้องกับกรอบอ้างอิงเฉื่อย

บัดนี้ ในขณะที่ผู้สังเกตการณ์ที่เกี่ยวข้องกับโลกเคลื่อนผ่าน แท่นนั้นเริ่มเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง a กล่าวคือ กลายเป็นระบบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อย ในกรณีนี้ ลูกบอลซึ่งก่อนหน้านี้อยู่นิ่งสัมพันธ์กับแท่นจะเริ่มเคลื่อนที่ (สัมพันธ์กับมัน) ด้วยความเร่ง a ซึ่งตรงกันข้ามในทิศทางและมีขนาดเท่ากันกับความเร่งที่ได้รับจากแท่น เรามาดูกันว่าพฤติกรรมของลูกบอลจะเป็นอย่างไรจากมุมมองของผู้สังเกตแต่ละคน

สำหรับผู้สังเกตที่เกี่ยวข้องกับกรอบอ้างอิงเฉื่อย - โลก ลูกบอลยังคงเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องและเป็นเส้นตรงตามกฎของความเฉื่อย (เนื่องจากไม่มีแรงใดกระทำต่อลูกบอลยกเว้นแรงโน้มถ่วง ซึ่งสมดุลโดยปฏิกิริยาของส่วนรองรับ) .

ผู้สังเกตการณ์ที่เกี่ยวข้องกับระบบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อย - แพลตฟอร์ม - เห็นภาพอื่น: ลูกบอลเริ่มเคลื่อนที่และได้รับความเร่ง - แต่ไม่มีอิทธิพลของแรง (เนื่องจากผู้สังเกตไม่ได้ตรวจจับอิทธิพลของวัตถุอื่นใดบนลูกบอล ที่ให้การเร่งความเร็วแก่ลูกบอล) สิ่งนี้ขัดแย้งกับกฎความเฉื่อยอย่างชัดเจน กฎข้อที่สองของนิวตันไม่พอใจเช่นกัน เมื่อนำไปใช้แล้ว ผู้สังเกตการณ์จะได้รับ (แรง) นั้น และนี่เป็นไปไม่ได้ เนื่องจากไม่มีหรือ a เท่ากับศูนย์

อย่างไรก็ตาม เป็นไปได้ที่จะทำให้กฎไดนามิกนำไปใช้อธิบายการเคลื่อนไหวในกรอบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อยได้ หากเรานำแรงเฉื่อยชนิดพิเศษมาพิจารณาด้วย จากนั้น ในตัวอย่างของเรา ผู้สังเกตการณ์ที่เกี่ยวข้องกับแท่นสามารถเชื่อว่าลูกบอลเริ่มเคลื่อนที่ภายใต้อิทธิพลของแรงเฉื่อย

การแนะนำแรงเฉื่อยช่วยให้เราสามารถเขียนกฎข้อที่สองของนิวตัน (และผลที่ตามมา) ในรูปแบบปกติ (ดู§ 7) มีเพียงแรงกระทำเท่านั้นที่เราจะต้องเข้าใจผลลัพธ์ของแรง "ปกติ" และแรงเฉื่อย

มวลของร่างกายอยู่ที่ไหนและความเร่งของมัน

เราเรียกกองกำลังเฉื่อยว่ากองกำลังประเภท "พิเศษ" ประการแรก เนื่องจากพวกมันทำหน้าที่เฉพาะในกรอบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อยเท่านั้น และประการที่สอง เนื่องจากสำหรับพวกมัน ไม่เหมือนกับกองกำลัง "ธรรมดา" จึงเป็นไปไม่ได้ที่จะระบุการกระทำของสิ่งอื่นใด กายเหล่านั้น (บนกายนั้น) ล้วนถูกปรุงแต่งแล้ว. แน่นอนว่าด้วยเหตุนี้ จึงเป็นไปไม่ได้เลยที่จะใช้กฎข้อที่สามของนิวตัน (และผลที่ตามมา) กับแรงเฉื่อย นี่คือลักษณะที่สามของแรงเฉื่อย

การไม่สามารถระบุวัตถุแต่ละชิ้นซึ่งการกระทำ (บนวัตถุที่เป็นปัญหา) ทำให้เกิดแรงเฉื่อยไม่ได้หมายความว่าการเกิดขึ้นของแรงเหล่านี้ไม่ได้เกี่ยวข้องกับการกระทำของวัตถุใดๆ เลย มีเหตุผลร้ายแรงที่จะสรุปได้ว่าแรงเฉื่อยมีสาเหตุมาจากการกระทำของวัตถุทั้งชุดในจักรวาล (มวลของจักรวาลโดยรวม)

ความจริงก็คือว่ามีความคล้ายคลึงกันอย่างมากระหว่างแรงเฉื่อยและแรงโน้มถ่วง: ทั้งสองมีสัดส่วนกับมวลของร่างกายที่พวกมันกระทำ ดังนั้นความเร่งที่มอบให้กับร่างกายโดยแรงแต่ละแรงเหล่านี้จึงไม่ขึ้นอยู่กับ บนมวลของร่างกาย ภายใต้เงื่อนไขบางประการ กองกำลังเหล่านี้ไม่สามารถแยกแยะได้เลย ตัวอย่างเช่น ให้ที่ไหนสักแห่งในอวกาศเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง (เนื่องจากการทำงานของเครื่องยนต์) ยานอวกาศ. นักบินอวกาศที่อยู่ในนั้นจะได้รับแรงกดเขาไปที่ "พื้น" (ผนังด้านหลังสัมพันธ์กับทิศทางการเคลื่อนที่) ของเรือ แรงนี้จะสร้างเอฟเฟกต์แบบเดียวกันทุกประการและทำให้นักบินอวกาศมีความรู้สึกแบบเดียวกันกับที่เกิดจากแรงโน้มถ่วงที่สอดคล้องกัน

หากนักบินอวกาศเชื่อว่าเรือของเขากำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร่งที่สัมพันธ์กับจักรวาล เขาจะเรียกแรงที่กระทำต่อเขาว่าพลังเฉื่อย หากนักบินอวกาศพิจารณาว่าเรือของเขาอยู่กับที่ และจักรวาลกำลังวิ่งผ่านเรือด้วยความเร่งเท่าเดิม a เขาจะเรียกแรงนี้ว่าแรงโน้มถ่วง และมุมมองทั้งสองจะเท่าเทียมกันโดยสิ้นเชิง ไม่มีการทดลองใดที่ทำขึ้นภายในเรือสามารถพิสูจน์ความถูกต้องของมุมมองหนึ่งและความเข้าใจผิดของอีกมุมมองหนึ่งได้

จากตัวอย่างข้างต้นและตัวอย่างอื่นๆ ที่คล้ายกัน เป็นไปตามนั้น การเคลื่อนไหวแบบเร่งระบบอ้างอิงนั้นเทียบเท่า (โดยมีผลกระทบต่อวัตถุ) กับการเกิดขึ้นของแรงโน้มถ่วงที่สอดคล้องกัน ตำแหน่งนี้เรียกว่าหลักการสมดุลของแรงโน้มถ่วงและความเฉื่อย (หลักการสมดุลของไอน์สไตน์) หลักการนี้เป็นพื้นฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

แรงเฉื่อยเกิดขึ้นไม่เพียงแต่ในการเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงเท่านั้น แต่ยังเกิดขึ้นในระบบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อยที่กำลังหมุนอีกด้วย ตัวอย่างเช่น สมมติว่า บนแท่นแนวนอนที่สามารถหมุนรอบแกนตั้งได้ จะมีวัตถุมวลเชื่อมต่ออยู่กับจุดศูนย์กลางการหมุน O ด้วยสายยาง (รูปที่ 18) หากแท่นเริ่มหมุนด้วยความเร็วเชิงมุมร่วม (และกลายเป็นระบบที่ไม่เฉื่อย) เนื่องจากการเสียดสีร่างกายก็จะมีส่วนร่วมในการหมุนด้วย ในเวลาเดียวกัน มันจะเคลื่อนที่ในทิศทางรัศมีจากจุดศูนย์กลางของแท่นจนกระทั่งแรงยืดหยุ่นที่เพิ่มขึ้นของสายยืดหยุดการเคลื่อนไหวนี้ จากนั้นร่างกายจะเริ่มหมุนห่างจากจุดศูนย์กลาง O

จากมุมมองของผู้สังเกตการณ์ที่เกี่ยวข้องกับแท่นการเคลื่อนที่ของลูกบอลสัมพันธ์กับมันเกิดจากแรงบางอย่าง นี่คือแรงเฉื่อย เนื่องจากไม่ได้เกิดจากการกระทำของวัตถุเฉพาะอื่น ๆ บนลูกบอล มันถูกเรียกว่าแรงเหวี่ยงของความเฉื่อย เห็นได้ชัดว่าแรงเหวี่ยงของความเฉื่อยมีขนาดเท่ากันและตรงกันข้ามในทิศทางกับแรงยืดหยุ่นของเชือกที่ยืดออก ซึ่งมีบทบาทเป็นแรงสู่ศูนย์กลางที่กระทำต่อวัตถุที่หมุนสัมพันธ์กับระบบเฉื่อย (ดูมาตรา 13) ดังนั้น

ดังนั้นแรงเหวี่ยงของความเฉื่อยจึงเป็นสัดส่วนกับระยะห่างของร่างกายจากแกนหมุน

เราเน้นย้ำว่าไม่ควรสับสนระหว่างแรงเหวี่ยงของความเฉื่อยกับแรงเหวี่ยง "ธรรมดา" ที่กล่าวถึงในตอนท้ายของมาตรา 13 แรงเหล่านี้เป็นแรงที่มีลักษณะต่างกันซึ่งใช้กับวัตถุต่างกัน: แรงเหวี่ยงของความเฉื่อยถูกนำไปใช้กับร่างกาย และ แรงเหวี่ยงถูกนำไปใช้กับการเชื่อมต่อ

โดยสรุป เราสังเกตว่าจากตำแหน่งของหลักการสมดุลของแรงโน้มถ่วงและความเฉื่อย มีการให้คำอธิบายง่ายๆ เกี่ยวกับการทำงานของกลไกการหมุนเหวี่ยงทั้งหมด: ปั๊ม ตัวแยก ฯลฯ (ดู§ 13)

กลไกการหมุนเหวี่ยงใด ๆ ถือได้ว่าเป็นระบบที่ไม่เฉื่อยหมุนได้ทำให้เกิดสนามความโน้มถ่วงของโครงร่างรัศมีซึ่งอยู่ในพื้นที่ จำกัด เกินกว่าสนามโน้มถ่วงภาคพื้นดินอย่างมีนัยสำคัญ ในด้านนี้ อนุภาคที่มีความหนาแน่นมากขึ้นของตัวกลางที่หมุนอยู่หรืออนุภาคที่มีความเกี่ยวข้องอย่างอ่อนกับตัวกลางจะเคลื่อนไปยังขอบของมัน (ราวกับว่าพวกมันไป "ด้านล่าง")

กฎข้อที่หนึ่งของนิวตันระบุไว้ดังนี้: ร่างกายที่ไม่ได้รับอิทธิพลจากภายนอกจะอยู่นิ่งหรือเคลื่อนไหวเป็นเส้นตรงและสม่ำเสมอ. กายอย่างนี้เรียกว่า ฟรีและการเคลื่อนที่ของมันคือการเคลื่อนที่อย่างอิสระหรือการเคลื่อนไหวโดยความเฉื่อย คุณสมบัติของร่างกายเพื่อรักษาสภาพการพักผ่อนหรือเครื่องแบบ การเคลื่อนไหวเป็นเส้นตรงในกรณีที่ไม่มีอิทธิพลจากวัตถุอื่นจึงเรียกว่า ความเฉื่อย. ดังนั้นกฎข้อแรกของนิวตันจึงเรียกว่ากฎความเฉื่อย ร่างกายที่เป็นอิสระพูดอย่างเคร่งครัดไม่มีอยู่จริง อย่างไรก็ตาม เป็นเรื่องปกติที่จะสรุปได้ว่ายิ่งอนุภาคอยู่ห่างจากวัตถุวัตถุอื่นๆ มากเท่าใด ผลกระทบต่ออนุภาคก็จะน้อยลงเท่านั้น เมื่อจินตนาการว่าอิทธิพลเหล่านี้ลดลง ในที่สุดเราก็มาถึงแนวคิดเรื่องร่างกายที่เป็นอิสระและการเคลื่อนไหวอย่างอิสระ

เป็นไปไม่ได้ที่จะตรวจสอบสมมติฐานเกี่ยวกับธรรมชาติของการเคลื่อนที่ของอนุภาคอิสระโดยการทดลองเนื่องจากเป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างข้อเท็จจริงของการไม่มีปฏิสัมพันธ์ได้อย่างน่าเชื่อถืออย่างแน่นอน เป็นไปได้ที่จะจำลองสถานการณ์นี้ด้วยความแม่นยำในระดับหนึ่งเท่านั้น โดยใช้ข้อเท็จจริงเชิงทดลองในการลดปฏิสัมพันธ์ระหว่างวัตถุที่อยู่ห่างไกล ลักษณะทั่วไปของข้อเท็จจริงเชิงทดลองจำนวนหนึ่ง ตลอดจนความบังเอิญของผลที่ตามมาที่เกิดจากกฎหมายพร้อมข้อมูลการทดลองพิสูจน์ความถูกต้อง เมื่อเคลื่อนที่ ร่างกายจะรักษาความเร็วไว้ได้นานขึ้น ผลกระทบของวัตถุอื่นๆ ที่กระทำต่อร่างกายก็จะยิ่งอ่อนลง ตัวอย่างเช่น หินที่เลื่อนไปตามพื้นผิวจะเคลื่อนที่นานขึ้น พื้นผิวนี้ก็จะยิ่งเรียบมากขึ้นเท่านั้น กล่าวคือ ผลกระทบที่พื้นผิวนี้มีต่อหินก็จะน้อยลงเท่านั้น

การเคลื่อนที่ทางกลนั้นสัมพันธ์กัน และธรรมชาติของมันขึ้นอยู่กับกรอบอ้างอิง ในทางจลนศาสตร์ การเลือกระบบอ้างอิงไม่มีนัยสำคัญ นี่ไม่ใช่กรณีในไดนามิก หากในระบบอ้างอิงใดๆ วัตถุเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงและสม่ำเสมอ จากนั้นในระบบอ้างอิงเคลื่อนที่ด้วยความเร่งสัมพันธ์กับวัตถุแรก สิ่งนี้จะไม่เป็นเช่นนั้นอีกต่อไป เป็นไปตามที่ว่ากฎความเฉื่อยไม่สามารถใช้ได้ในทุกระบบอ้างอิง กลศาสตร์คลาสสิกตั้งสมมติฐานว่ามีกรอบอ้างอิงที่วัตถุอิสระทั้งหมดเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงและสม่ำเสมอ ระบบอ้างอิงดังกล่าวเรียกว่าระบบอ้างอิงเฉื่อย (IRS) โดยพื้นฐานแล้วเนื้อหาของกฎความเฉื่อยลงมาที่ข้อความว่ามีระบบอ้างอิงดังกล่าวซึ่งร่างกายซึ่งไม่อยู่ภายใต้อิทธิพลจากภายนอกเคลื่อนไหวอย่างสม่ำเสมอและเป็นเส้นตรงหรืออยู่นิ่ง

เป็นไปได้ที่จะระบุได้ว่าระบบอ้างอิงใดเป็นแบบเฉื่อยและระบบอ้างอิงใดที่ไม่เฉื่อยในการทดลองเท่านั้น ตัวอย่างเช่น สมมติว่าเรากำลังพูดถึงการเคลื่อนที่ของดวงดาวและวัตถุทางดาราศาสตร์อื่นๆ ในส่วนของจักรวาลที่เราสังเกตการณ์ได้ ให้เราเลือกระบบอ้างอิงที่ถือว่าโลกไม่เคลื่อนที่ (เราจะเรียกระบบดังกล่าวว่าภาคพื้นดิน) มันจะเป็นเฉื่อยหรือไม่?

คุณสามารถเลือกดาวเป็นตัวอิสระได้ แท้จริงแล้วดาวแต่ละดวงนั้นเนื่องมาจากมันอยู่ห่างจากดวงอื่นอย่างมหาศาล เทห์ฟากฟ้าถือเป็นร่างกายที่เป็นอิสระอย่างแท้จริง อย่างไรก็ตาม ในกรอบอ้างอิงของโลก ดวงดาวจะโคจรรอบตัวเองในท้องฟ้าทุกวัน และด้วยเหตุนี้จึงเคลื่อนที่ด้วยความเร่งมุ่งสู่ศูนย์กลางโลก ดังนั้น การเคลื่อนที่ของวัตถุอิสระ (ดวงดาว) ในกรอบอ้างอิงของโลกจึงเกิดขึ้นเป็นวงกลม ไม่ใช่เป็นเส้นตรง มันไม่เป็นไปตามกฎความเฉื่อย ดังนั้น กรอบอ้างอิงของโลกจึงไม่มีความเฉื่อย

ดังนั้น ในการแก้ปัญหา จำเป็นต้องตรวจสอบระบบอ้างอิงอื่นๆ เพื่อดูความเฉื่อย ให้เราเลือกดวงอาทิตย์เป็นตัวอ้างอิง กรอบอ้างอิงนี้เรียกว่ากรอบอ้างอิงเฮลิโอเซนทริก หรือกรอบโคเปอร์นิคัส แกนพิกัดของระบบพิกัดที่เกี่ยวข้องนั้นเป็นเส้นตรงที่มุ่งไปยังดาวฤกษ์ที่อยู่ไกลออกไปสามดวงซึ่งไม่อยู่ในระนาบเดียวกัน (รูปที่ 2.1)

ดังนั้นเมื่อศึกษาการเคลื่อนที่ที่เกิดขึ้นตามมาตราส่วนของระบบดาวเคราะห์ของเราตลอดจนระบบอื่นใดซึ่งมีมิติที่เล็กเมื่อเทียบกับระยะห่างของดาวทั้งสามดวงนั้นที่ได้รับเลือกให้เป็นดาวอ้างอิงในระบบโคเปอร์นิคัส ระบบโคเปอร์นิกัน ในทางปฏิบัติแล้วเป็นระบบอ้างอิงเฉื่อย

ตัวอย่าง

การไม่เฉื่อยของระบบอ้างอิงของโลกอธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าโลกหมุนรอบแกนของมันเองและรอบดวงอาทิตย์ กล่าวคือ มันเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร่งที่สัมพันธ์กับระบบโคเปอร์นิคัส เนื่องจากการหมุนทั้งสองครั้งนี้เกิดขึ้นอย่างช้าๆ เมื่อสัมพันธ์กับปรากฏการณ์ต่างๆ มากมาย ระบบภาคพื้นดินจึงมีพฤติกรรมเหมือนกับระบบเฉื่อย นั่นคือเหตุผลที่ว่าทำไมการสร้างกฎพื้นฐานของพลศาสตร์สามารถเริ่มต้นได้โดยการศึกษาการเคลื่อนที่ของวัตถุที่สัมพันธ์กับโลก โดยสรุปจากการหมุนของมัน นั่นคือ กำหนดให้โลกมีค่าประมาณ ISO

บังคับ. มวลร่างกาย

ตามประสบการณ์แสดงให้เห็น การเปลี่ยนแปลงความเร็วของร่างกายเกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของวัตถุอื่น ในกลศาสตร์ กระบวนการเปลี่ยนธรรมชาติของการเคลื่อนไหวภายใต้อิทธิพลของวัตถุอื่นเรียกว่าปฏิสัมพันธ์ของวัตถุ ในการอธิบายลักษณะความเข้มข้นของปฏิสัมพันธ์นี้ในเชิงปริมาณ นิวตันได้แนะนำแนวคิดเรื่องแรง แรงไม่เพียงแต่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความเร็วของวัตถุเท่านั้น แต่ยังทำให้เกิดการเสียรูปด้วย ดังนั้น แนวคิดเรื่องแรงจึงสามารถให้คำจำกัดความต่อไปนี้ได้ แรงคือการวัดเชิงปริมาณของอันตรกิริยาของวัตถุอย่างน้อย 2 ชิ้น ทำให้เกิดการเร่งความเร็วของร่างกายหรือการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง หรือทั้งสองอย่าง

ตัวอย่างของการเสียรูปของร่างกายภายใต้อิทธิพลของแรงคือสปริงที่ถูกบีบอัดหรือยืดออก ใช้เป็นมาตรฐานของแรงได้ง่าย หน่วยของแรงคือ แรงยืดหยุ่นที่กระทำในสปริง ยืดหรือบีบอัดในระดับหนึ่ง เมื่อใช้มาตรฐานดังกล่าว คุณสามารถเปรียบเทียบแรงและศึกษาคุณสมบัติของพวกมันได้ กองกำลังมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้

ü แรงเป็นปริมาณเวกเตอร์และมีคุณลักษณะเฉพาะด้วยทิศทาง ขนาด (ค่าตัวเลข) และจุดใช้งาน แรงที่กระทำต่อวัตถุหนึ่งจะรวมกันตามกฎรูปสี่เหลี่ยมด้านขนาน

ü แรงเป็นสาเหตุของความเร่ง ทิศทางของเวกเตอร์ความเร่งขนานกับเวกเตอร์แรง

ü พลังงานมีต้นกำเนิดจากวัตถุ ไม่มีวัตถุ - ไม่มีแรง

ü ผลกระทบของแรงไม่ได้ขึ้นอยู่กับว่าร่างกายอยู่นิ่งหรือเคลื่อนไหว

ü เมื่อแรงหลายแรงกระทำพร้อมกัน ร่างกายจะได้รับความเร่งเดียวกันกับที่ร่างกายจะได้รับภายใต้การกระทำของแรงลัพธ์

ข้อความสุดท้ายประกอบด้วยเนื้อหาของหลักการซ้อนทับของกองกำลัง หลักการของการซ้อนทับนั้นขึ้นอยู่กับแนวคิดเรื่องความเป็นอิสระของการกระทำของกองกำลัง: แรงแต่ละแรงให้ความเร่งเดียวกันกับร่างกายที่เป็นปัญหาโดยไม่คำนึงว่ามันจะทำหน้าที่เท่านั้นหรือไม่ ฉัน- แหล่งที่มาของกำลังหรือแหล่งที่มาทั้งหมดพร้อมกัน สิ่งนี้สามารถกำหนดได้แตกต่างกัน แรงที่อนุภาคหนึ่งกระทำต่ออีกอนุภาคหนึ่งขึ้นอยู่กับเวกเตอร์รัศมีและความเร็วของอนุภาคทั้งสองนี้เท่านั้น การมีอยู่ของอนุภาคอื่นไม่ส่งผลต่อแรงนี้ คุณสมบัตินี้มีชื่อว่า กฎหมายอิสรภาพการกระทำของแรงหรือกฎปฏิสัมพันธ์คู่ ขอบเขตของการบังคับใช้กฎหมายนี้ครอบคลุมถึงกลศาสตร์คลาสสิกทั้งหมด

ในทางกลับกัน เพื่อแก้ไขปัญหาต่างๆ มากมาย อาจจำเป็นต้องค้นหากองกำลังหลายตัวที่จะมาแทนที่กำลังหนึ่งที่ได้รับจากการกระทำร่วมกันของพวกมันได้ การดำเนินการนี้เรียกว่าการสลายตัวของแรงที่กำหนดให้เป็นส่วนประกอบ

จากประสบการณ์เป็นที่ทราบกันดีว่าภายใต้ปฏิสัมพันธ์เดียวกัน ร่างกายที่แตกต่างกันจะเปลี่ยนความเร็วในการเคลื่อนที่ต่างกัน ธรรมชาติของการเปลี่ยนแปลงความเร็วในการเคลื่อนที่ไม่เพียงขึ้นอยู่กับขนาดของแรงและเวลาของการกระทำเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของร่างกายด้วย ตามประสบการณ์แสดงให้เห็นสำหรับ ร่างกายที่ได้รับอัตราส่วนของแรงแต่ละแรงที่กระทำต่อแรงดังกล่าวต่อความเร่งที่เกิดจากแรงนี้คือค่าคงที่ . อัตราส่วนนี้ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของตัวเร่งและเรียกว่า มวลเฉื่อยร่างกาย ดังนั้น มวลของร่างกายจึงถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนของแรงที่กระทำต่อร่างกายต่อความเร่งที่เกิดจากแรงนี้ ยิ่งมีมวลมากเท่าใด แรงที่จำเป็นในการเพิ่มความเร่งให้กับร่างกายก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ดูเหมือนว่าร่างกายจะต่อต้านความพยายามที่จะเปลี่ยนความเร็ว

คุณสมบัติของวัตถุซึ่งแสดงออกมาในความสามารถในการรักษาสถานะไว้เมื่อเวลาผ่านไป (ความเร็วของการเคลื่อนไหว ทิศทางของการเคลื่อนไหว หรือสถานะที่เหลือ) เรียกว่าความเฉื่อย การวัดความเฉื่อยของร่างกายคือมวลเฉื่อยของมันภายใต้อิทธิพลเดียวกันจากวัตถุที่อยู่รอบ ๆ วัตถุหนึ่งสามารถเปลี่ยนความเร็วได้อย่างรวดเร็วในขณะที่อีกวัตถุหนึ่งภายใต้เงื่อนไขเดียวกันสามารถเปลี่ยนได้ช้ากว่ามาก (รูปที่ 2.2) เป็นเรื่องปกติที่จะกล่าวว่าวัตถุชิ้นที่สองจากทั้งสองชิ้นนี้มีความเฉื่อยมากกว่า หรืออีกนัยหนึ่ง วัตถุชิ้นที่สองมีมวลมากกว่า ในระบบหน่วยสากล (SI) มวลกายมีหน่วยวัดเป็นกิโลกรัม (kg) แนวคิดเรื่องมวลไม่สามารถลดให้มากไปกว่านี้ได้ แนวคิดง่ายๆ. ยิ่งมวลของร่างกายมากขึ้น ความเร่งก็จะน้อยลงภายใต้อิทธิพลของแรงเดียวกัน ยิ่งมีแรงมาก ความเร่งก็จะยิ่งมากขึ้น ดังนั้นความเร็วสุดท้ายก็จะยิ่งมากขึ้น ร่างกายก็จะเคลื่อนไหว

หน่วย SI ของแรงคือ N (นิวตัน) หนึ่ง N (นิวตัน) เป็นตัวเลข เท่ากับกำลังซึ่งทำให้มีมวลกาย ม = 1 กิโลกรัมการเร่งความเร็ว

ความคิดเห็น

ความสัมพันธ์จะใช้ได้เฉพาะที่ความเร็วต่ำเพียงพอเท่านั้น เมื่อความเร็วเพิ่มขึ้น อัตราส่วนนี้จะเปลี่ยนแปลง โดยเพิ่มขึ้นตามความเร็ว

กฎข้อที่สองของนิวตัน

จากประสบการณ์พบว่าในระบบอ้างอิงเฉื่อย ความเร่งของวัตถุจะเป็นสัดส่วนกับผลรวมเวกเตอร์ของแรงทั้งหมดที่กระทำต่อวัตถุ และเป็นสัดส่วนผกผันกับมวลของวัตถุ:

กฎข้อที่สองของนิวตันแสดงความสัมพันธ์ระหว่างผลลัพธ์ของแรงทั้งหมดและความเร่งที่เกิดขึ้น:

นี่คือการเปลี่ยนแปลงในโมเมนตัมของจุดวัสดุในช่วงเวลาหนึ่ง ให้เรากำหนดช่วงเวลาให้เป็นศูนย์:

แล้วเราก็ได้

	ในบรรดาความบันเทิงประเภทสุดขั้วการกระโดดบันจี้จัมพ์หรือบันจี้จัมพ์ก็เป็นสถานที่พิเศษ ในเมืองเจฟฟรีย์เบย์มี "บันจี้จัม" ที่ใหญ่ที่สุดที่บันทึกไว้ - 221 ม. และมีรายชื่ออยู่ใน Guinness Book of Records ด้วยซ้ำ คำนวณความยาวของเชือกเพื่อที่ว่าเมื่อมีคนกระโดดลงมา เขาจะหยุดที่ขอบน้ำหรือเพียงแค่สัมผัสมัน ผู้กระโดดจะถูกรั้งไว้ด้วยแรงยืดหยุ่นของเชือกที่ผิดรูป โดยปกติแล้วสายเคเบิลจะประกอบด้วยเส้นยางหลายเส้นที่ถักเข้าด้วยกัน ดังนั้นเมื่อล้ม สายเคเบิลจะสปริงกลับ ป้องกันไม่ให้ขาของจัมเปอร์หลุดออก และเพิ่มความรู้สึกในการกระโดด ตามกฎข้อที่สองของนิวตัน การเพิ่มเวลาปฏิสัมพันธ์ระหว่างจัมเปอร์กับเชือกจะทำให้แรงที่กระทำต่อบุคคลจากเชือกลดลง
	ในการรับลูกบอลที่บินด้วยความเร็วสูงเมื่อเล่นวอลเลย์บอลคุณต้องขยับมือไปในทิศทางที่ลูกบอลเคลื่อนที่ ในเวลาเดียวกัน เวลาโต้ตอบกับลูกบอลจะเพิ่มขึ้น ดังนั้นตามกฎข้อที่สองของนิวตันโดยสมบูรณ์ ขนาดของแรงที่กระทำบนเข็มนาฬิกาจะลดลง

กฎข้อที่สองของนิวตันนำเสนอในรูปแบบนี้ประกอบด้วยกฎใหม่ ปริมาณทางกายภาพ– แรงกระตุ้น ที่ความเร็วใกล้กับความเร็วแสงในสุญญากาศ โมเมนตัมจะกลายเป็นปริมาณหลักที่วัดได้ในการทดลอง ดังนั้น สมการ (2.2) จึงเป็นลักษณะทั่วไปของสมการการเคลื่อนที่กับความเร็วสัมพัทธภาพ

ดังที่เห็นได้จากสมการ (2.2) ถ้า จากนั้นเป็นค่าคงที่ มันจะตามมาว่ามันคงที่ นั่นคือแรงกระตุ้นและความเร็วของจุดวัสดุที่เคลื่อนที่อย่างอิสระจะคงที่ ดังนั้น อย่างเป็นทางการ กฎข้อแรกของนิวตันจึงเป็นผลมาจากกฎข้อที่สอง เหตุใดจึงโดดเด่นในฐานะกฎหมายอิสระ? ความจริงก็คือสมการที่แสดงกฎข้อที่สองของนิวตันจะสมเหตุสมผลเมื่อมีการระบุระบบอ้างอิงที่ถูกต้องเท่านั้น กฎข้อแรกของนิวตันช่วยให้เราสามารถเลือกระบบอ้างอิงดังกล่าวได้ เขาอ้างว่ามีกรอบอ้างอิงซึ่งจุดวัสดุอิสระเคลื่อนที่โดยไม่มีความเร่ง ในระบบอ้างอิงดังกล่าว การเคลื่อนที่ของจุดวัสดุใดๆ จะเป็นไปตามสมการการเคลื่อนที่ของนิวตัน ดังนั้นโดยพื้นฐานแล้ว กฎข้อแรกจึงไม่สามารถพิจารณาได้ว่าเป็นผลเชิงตรรกะอย่างง่าย ๆ ของกฎข้อที่สอง ความเชื่อมโยงระหว่างกฎหมายเหล่านี้ลึกซึ้งยิ่งขึ้น

จากสมการ (2.2) เป็นไปตามนั้น นั่นคือการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมที่น้อยที่สุดในช่วงเวลาที่น้อยที่สุดจะเท่ากับผลคูณที่เรียกว่า แรงกระตุ้นแห่งอำนาจยิ่งแรงกระตุ้นมากเท่าใด โมเมนตัมก็จะยิ่งเปลี่ยนแปลงมากขึ้นเท่านั้น

ประเภทของกองกำลัง

ปฏิสัมพันธ์ที่หลากหลายที่มีอยู่ในธรรมชาติมีสี่ประเภท: แรงโน้มถ่วง แม่เหล็กไฟฟ้า แรงและอ่อน ปฏิกิริยาระหว่างกันทั้งรุนแรงและอ่อนแอมีความสำคัญในระยะห่างที่น้อย เมื่อกฎกลศาสตร์ของนิวตันไม่สามารถใช้งานได้อีกต่อไป ปรากฏการณ์ขนาดมหภาคทั้งหมดในโลกรอบตัวเราถูกกำหนดโดยปฏิสัมพันธ์ระหว่างแรงโน้มถ่วงและแม่เหล็กไฟฟ้า เฉพาะการโต้ตอบประเภทนี้เท่านั้นที่สามารถใช้แนวคิดเรื่องแรงในความหมายของกลศาสตร์นิวตันได้ แรงโน้มถ่วงมีความสำคัญมากที่สุดเมื่อมีมวลขนาดใหญ่มาปะทะกัน การปรากฏตัวของแรงแม่เหล็กไฟฟ้ามีความหลากหลายอย่างมาก แรงเสียดทานและแรงยืดหยุ่นที่รู้จักกันดีนั้นมีลักษณะเป็นแม่เหล็กไฟฟ้า เนื่องจากกฎข้อที่สองของนิวตันกำหนดความเร่งของร่างกายโดยไม่คำนึงถึงลักษณะของแรงที่ให้ความเร่ง ในอนาคตเราจะใช้วิธีการที่เรียกว่าปรากฏการณ์วิทยา: เราจะสร้างกฎเชิงปริมาณสำหรับแรงเหล่านี้โดยอาศัยประสบการณ์

แรงยืดหยุ่นแรงยืดหยุ่นเกิดขึ้นในร่างกายที่ประสบกับอิทธิพลของวัตถุหรือสนามอื่นๆ และสัมพันธ์กับการเสียรูปของร่างกาย การเสียรูปเป็นการเคลื่อนไหวประเภทพิเศษ กล่าวคือ การเคลื่อนไหวของส่วนต่างๆ ของร่างกายสัมพันธ์กันภายใต้อิทธิพลของแรงภายนอก เมื่อร่างกายมีรูปร่างผิดปกติ รูปร่างและปริมาตรจะเปลี่ยนไป สำหรับของแข็ง การเสียรูปมีข้อจำกัดอยู่ 2 กรณี: ยืดหยุ่นและพลาสติก การเสียรูปเรียกว่าความยืดหยุ่นหากหายไปอย่างสมบูรณ์หลังจากการกระทำของการเปลี่ยนรูปสิ้นสุดลง ในระหว่างการเสียรูปแบบพลาสติก (ไม่ยืดหยุ่น) ตัวเครื่องจะคงรูปร่างที่เปลี่ยนแปลงไปบางส่วนหลังจากถอดโหลดออกแล้ว

การเสียรูปแบบยืดหยุ่นของร่างกายมีความหลากหลาย ภายใต้อิทธิพลของแรงภายนอก ร่างกายสามารถยืดและบีบอัด งอ บิด ฯลฯ การกระจัดนี้ถูกตอบโต้โดยแรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาค แข็งโดยยึดอนุภาคเหล่านี้ให้ห่างจากกัน ดังนั้นเมื่อมีการเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่นทุกประเภท แรงภายในจึงเกิดขึ้นในร่างกายเพื่อป้องกันการเสียรูป แรงที่เกิดขึ้นในร่างกายระหว่างการเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่นและพุ่งตรงต่อทิศทางของการกระจัดของอนุภาคของร่างกายที่เกิดจากการเสียรูปเรียกว่าแรงยืดหยุ่น แรงยืดหยุ่นจะกระทำต่อส่วนต่างๆ ของร่างกายที่ผิดรูป เช่นเดียวกับจุดที่สัมผัสกับร่างกายซึ่งทำให้เกิดการเสียรูป

ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าสำหรับการเสียรูปแบบยืดหยุ่นเล็กน้อย ขนาดของการเปลี่ยนรูปนั้นแปรผันตามแรงที่ทำให้เกิด (รูปที่ 2.3) ข้อความนี้เรียกว่ากฎหมาย ฮุค.

โรเบิร์ต ฮุค, 1635–1702

นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ เกิดที่เมืองน้ำจืดบนเกาะไวท์ ในครอบครัวนักบวช เขาสำเร็จการศึกษาจากมหาวิทยาลัยอ็อกซ์ฟอร์ด ขณะที่ยังเรียนอยู่ที่มหาวิทยาลัย เขาทำงานเป็นผู้ช่วยในห้องทดลองของ Robert Boyle โดยช่วยสร้างผลงานชิ้นหลัง ปั๊มสุญญากาศสำหรับสถานที่ปฏิบัติงานนอกชายฝั่งซึ่งค้นพบกฎของบอยล์-มาริออตต์ ด้วยความร่วมสมัยของไอแซกนิวตันเขาจึงมีส่วนร่วมอย่างแข็งขันในงานของ Royal Society และในปี 1677 เขาก็เข้ารับตำแหน่งเลขาธิการวิทยาศาสตร์ที่นั่น เช่นเดียวกับนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ในสมัยของเขา Robert Hooke มีความสนใจในสาขาต่างๆ มากมาย วิทยาศาสตร์ธรรมชาติและมีส่วนช่วยในการพัฒนาหลายๆอย่าง ในเอกสารของเขาเรื่อง "Micrography" เขาได้ตีพิมพ์ภาพร่างโครงสร้างจุลภาคของเนื้อเยื่อสิ่งมีชีวิตและตัวอย่างทางชีววิทยาอื่น ๆ หลายภาพ และเป็นครั้งแรกที่มีการนำเสนอ แนวคิดที่ทันสมัย"เซลล์ที่มีชีวิต" ในด้านธรณีวิทยา เขาเป็นคนแรกที่ตระหนักถึงความสำคัญของชั้นทางธรณีวิทยา และเป็นคนแรกในประวัติศาสตร์ที่มีส่วนร่วมในการศึกษาทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับภัยพิบัติทางธรรมชาติ เขาเป็นหนึ่งในคนกลุ่มแรกๆ ที่ตั้งสมมุติฐานว่าแรงดึงดูดแรงโน้มถ่วงระหว่างวัตถุลดลงตามสัดส่วนกำลังสองของระยะห่างระหว่างวัตถุทั้งสอง และเพื่อนร่วมชาติและผู้ร่วมสมัยสองคนคือฮุคและนิวตัน จนกระทั่งสิ้นสุดชีวิตของพวกเขาได้ท้าทายซึ่งกันและกันเพื่อสิทธิ เรียกว่าเป็นผู้ค้นพบธรรม แรงโน้มถ่วงสากล. ฮุคได้พัฒนาและสร้างเครื่องมือวัดทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญจำนวนหนึ่งเป็นการส่วนตัว โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เขาเป็นคนแรกที่เสนอให้วางเป้าเล็งที่ทำจากด้ายบางๆ สองเส้นในช่องมองภาพของกล้องจุลทรรศน์ เป็นคนแรกที่เสนอให้จุดเยือกแข็งของน้ำเป็นศูนย์ตามระดับอุณหภูมิ และยังคิดค้นข้อต่อสากล (ข้อต่อแบบกิมบอล) ).

การแสดงออกทางคณิตศาสตร์ของกฎของฮุคสำหรับการเปลี่ยนรูปแบบความตึงเครียดฝ่ายเดียว (การบีบอัด) มีรูปแบบ:

แรงยืดหยุ่นอยู่ที่ไหน – การเปลี่ยนแปลงความยาว (ความผิดปกติ) ของร่างกาย; – ค่าสัมประสิทธิ์สัดส่วนขึ้นอยู่กับขนาดและวัสดุของร่างกายเรียกว่าความแข็งแกร่ง หน่วย SI ของความแข็งคือ นิวตันต่อเมตร (N/m) ในกรณีของแรงดึงหรือแรงอัดข้างเดียว แรงยืดหยุ่นจะพุ่งไปตามแนวเส้นตรงที่แรงภายนอกกระทำ ส่งผลให้ร่างกายเสียรูป ตรงข้ามกับทิศทางของแรงนี้และตั้งฉากกับพื้นผิวของร่างกาย แรงยืดหยุ่นจะมุ่งตรงไปยังตำแหน่งสมดุลเสมอ แรงยืดหยุ่นที่กระทำต่อร่างกายจากด้านข้างของส่วนรองรับหรือช่วงล่างเรียกว่าแรงปฏิกิริยารองรับหรือแรงดึงของระบบกันสะเทือน

ที่ . ในกรณีนี้ . ดังนั้น โมดูลัสของยังจึงเท่ากับตัวเลขของความเครียดปกติที่ควรจะเกิดขึ้นในร่างกายเมื่อความยาวของมันเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า (หากกฎของฮุคเป็นที่พอใจสำหรับการเสียรูปครั้งใหญ่เช่นนี้) จาก (2.3) เป็นที่ชัดเจนว่าในระบบ SI ของหน่วย โมดูลัสของ Young วัดเป็นปาสคาล () สำหรับ วัสดุต่างๆโมดูลัสของ Young แตกต่างกันอย่างมาก ตัวอย่างเช่น สำหรับเหล็ก และสำหรับยางโดยประมาณ นั่นคือ น้อยกว่าห้าคำสั่งขนาด

แน่นอนว่ากฎของฮุคแม้จะอยู่ในรูปแบบที่จุงได้รับการปรับปรุง แต่ก็ไม่ได้อธิบายทุกสิ่งที่เกิดขึ้นกับของแข็งภายใต้อิทธิพลของพลังภายนอก ลองนึกภาพหนังยาง หากคุณไม่ยืดมากเกินไป ยางรัดจะดึงแรงยืดหยุ่นกลับคืนมา และทันทีที่คุณปล่อย ยางจะรวมตัวกันทันทีและกลับเป็นรูปร่างเดิม หากคุณยืดหนังยางออกไปอีกไม่ช้าก็เร็วยางก็จะสูญเสียความยืดหยุ่นและคุณจะรู้สึกว่าความต้านทานแรงดึงลดลง ซึ่งหมายความว่าคุณได้ข้ามขีดจำกัดความยืดหยุ่นของวัสดุแล้ว หากคุณดึงยางออกไปอีกครู่หนึ่งยางจะแตกหักหมดและการต้านทานจะหายไปอย่างสมบูรณ์ ซึ่งหมายความว่าจุดแตกหักที่เรียกว่าได้ผ่านไปแล้ว กล่าวอีกนัยหนึ่ง กฎของฮุคใช้กับการกดหรือยืดเส้นที่มีขนาดค่อนข้างน้อยเท่านั้น

เราขอนำเสนอวิดีโอสอนในหัวข้อ “ ระบบเฉื่อยนับถอยหลัง กฎข้อที่หนึ่งของนิวตัน" ซึ่งรวมอยู่ใน หลักสูตรของโรงเรียนฟิสิกส์สำหรับเกรด 9 เมื่อเริ่มบทเรียน ครูจะเตือนคุณถึงความสำคัญของกรอบอ้างอิงที่เลือก จากนั้นเขาจะพูดถึงความถูกต้องและคุณลักษณะของระบบอ้างอิงที่เลือก และอธิบายคำว่า "ความเฉื่อย" ด้วย

ในบทเรียนที่แล้ว เราได้พูดถึงความสำคัญของการเลือกกรอบอ้างอิง เราขอเตือนคุณว่าวิถี ระยะทางที่เดินทาง และความเร็วจะขึ้นอยู่กับวิธีที่เราเลือก CO มีคุณสมบัติอื่นๆ มากมายที่เกี่ยวข้องกับการเลือกระบบอ้างอิง และเราจะพูดถึงคุณสมบัติเหล่านั้น

ข้าว. 1. การขึ้นอยู่กับวิถีการเคลื่อนที่ของโหลดที่ตกลงมากับการเลือกระบบอ้างอิง

ในชั้นประถมศึกษาปีที่ 7 คุณได้ศึกษาแนวคิดเรื่อง "ความเฉื่อย" และ "ความเฉื่อย"

ความเฉื่อย - นี้ ปรากฏการณ์ซึ่งร่างกายมีแนวโน้มที่จะคงสภาพเดิมเอาไว้. หากร่างกายกำลังเคลื่อนไหวก็ควรพยายามรักษาความเร็วของการเคลื่อนไหวนี้ และถ้ามันอยู่นิ่ง มันก็จะพยายามรักษาสภาวะสงบเอาไว้

ความเฉื่อย - นี้ คุณสมบัติร่างกายรักษาสภาวะการเคลื่อนไหวคุณสมบัติของความเฉื่อยนั้นมีลักษณะเฉพาะด้วยปริมาณเช่นมวล น้ำหนัก – การวัดความเฉื่อยของร่างกาย. ยิ่งร่างกายหนักเท่าไร การขยับหรือหยุดมันก็จะยิ่งยากขึ้นเท่านั้น

โปรดทราบว่าแนวคิดเหล่านี้เกี่ยวข้องโดยตรงกับแนวคิดของ " กรอบอ้างอิงเฉื่อย“(ISO) ซึ่งจะกล่าวถึงด้านล่าง

ขอให้เราพิจารณาการเคลื่อนไหวของร่างกาย (หรือสภาวะสงบ) ในกรณีที่ร่างกายไม่ได้ถูกกระทำโดยร่างกายอื่น ข้อสรุปว่าร่างกายจะมีพฤติกรรมอย่างไรในกรณีที่ไม่มีการกระทำของวัตถุอื่นๆ ได้รับการเสนอครั้งแรกโดย Rene Descartes (รูปที่ 2) และดำเนินการต่อในการทดลองของกาลิเลโอ (รูปที่ 3)

ข้าว. 2. เรเน่ เดการ์ตส์

ข้าว. 3.กาลิเลโอ กาลิเลอี

หากร่างกายเคลื่อนไหวและร่างกายอื่นไม่กระทำการใดๆ การเคลื่อนไหวก็จะยังคงอยู่ โดยยังคงเป็นเส้นตรงและสม่ำเสมอ หากร่างกายอื่นไม่กระทำการต่อร่างกาย และร่างกายได้พัก สถานะของการพักผ่อนก็จะคงอยู่ แต่เป็นที่ทราบกันดีว่าสภาวะที่เหลือนั้นสัมพันธ์กับระบบอ้างอิง: ในกรอบอ้างอิงหนึ่งร่างกายจะพักอยู่และในอีกกรอบหนึ่งจะเคลื่อนที่ได้ค่อนข้างสำเร็จและในอัตราเร่ง ผลการทดลองและการให้เหตุผลนำไปสู่ข้อสรุปว่า ไม่ใช่ว่าในระบบอ้างอิงทั้งหมด ร่างกายจะเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงและสม่ำเสมอ หรืออยู่นิ่งโดยไม่มีการกระทำของวัตถุอื่นบนนั้น

ดังนั้น ในการแก้ปัญหาหลักของกลศาสตร์ สิ่งสำคัญคือต้องเลือกระบบการรายงานที่ยังคงเป็นไปตามกฎความเฉื่อย โดยที่เหตุผลที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในการเคลื่อนไหวของร่างกายมีความชัดเจน หากร่างกายเคลื่อนไหวเป็นเส้นตรงและสม่ำเสมอโดยไม่มีการกระทำของวัตถุอื่น กรอบอ้างอิงดังกล่าวจะเหมาะกว่าสำหรับเรา และจะเรียกว่า ระบบอ้างอิงเฉื่อย(ไอเอสโอ)

มุมมองของอริสโตเติลเกี่ยวกับสาเหตุของการเคลื่อนไหว

กรอบอ้างอิงเฉื่อยเป็นแบบจำลองที่สะดวกสำหรับการอธิบายการเคลื่อนที่ของวัตถุและสาเหตุที่ทำให้เกิดการเคลื่อนไหวดังกล่าว แนวคิดนี้ปรากฏขึ้นครั้งแรกโดยไอแซก นิวตัน (รูปที่ 5)

ข้าว. 5. ไอแซก นิวตัน (1643-1727)

ชาวกรีกโบราณจินตนาการถึงการเคลื่อนไหวที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง เราจะมาทำความคุ้นเคยกับมุมมองของอริสโตเติลเกี่ยวกับการเคลื่อนไหว (รูปที่ 6)

ข้าว. 6. อริสโตเติล

ตามที่อริสโตเติลกล่าวไว้ มีกรอบอ้างอิงเฉื่อยเพียงกรอบเดียวเท่านั้น นั่นคือกรอบอ้างอิงที่เกี่ยวข้องกับโลก ระบบอ้างอิงอื่นๆ ทั้งหมดตามที่อริสโตเติลกล่าวไว้ถือเป็นระบบรอง ดังนั้นการเคลื่อนไหวทั้งหมดสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: 1) การเคลื่อนไหวตามธรรมชาตินั่นคือการเคลื่อนไหวที่โลกสื่อสาร; 2) บังคับนั่นคือคนอื่น ๆ

ตัวอย่างที่ง่ายที่สุดของการเคลื่อนที่ตามธรรมชาติคือการที่วัตถุตกลงสู่พื้นโลกอย่างอิสระ เนื่องจากในกรณีนี้โลกจะให้ความเร็วแก่ร่างกาย

ลองดูตัวอย่างการบังคับเคลื่อนไหว นี่คือสถานการณ์รถม้าลากเกวียน ขณะที่ม้าออกแรง เกวียนก็กำลังเคลื่อนที่ (รูปที่ 7) ทันทีที่ม้าหยุด เกวียนก็หยุดด้วย ไม่มีความแรง-ไม่มีความเร็ว ตามความเห็นของอริสโตเติล พลังนั่นเองที่อธิบายการมีอยู่ของความเร็วในร่างกาย

ข้าว. 7. การบังคับเคลื่อนไหว

จนถึงขณะนี้ คนธรรมดาบางคนถือว่ามุมมองของอริสโตเติลมีความยุติธรรม ตัวอย่างเช่น พันเอกฟรีดริช เคราส์ ฟอน ซิลเลอร์กุตจาก "The Adventures of the Good Soldier Schweik ในช่วงสงครามโลกครั้งที่" พยายามอธิบายหลักการ "ไม่มีกำลัง - ไม่มีความเร็ว": "เมื่อน้ำมันหมด" พันเอกกล่าว " รถถูกบังคับให้หยุด ฉันเห็นสิ่งนี้ด้วยตัวเองเมื่อวานนี้ และหลังจากนั้นพวกเขาก็ยังพูดถึงความเฉื่อยสุภาพบุรุษ มันไม่ไป มันยืนตรงนั้น มันไม่ขยับ ไม่มีน้ำมัน! มันไม่ตลกเหรอ?”

เช่นเดียวกับธุรกิจการแสดงสมัยใหม่ที่มีแฟนย่อมต้องมีการวิพากษ์วิจารณ์อยู่เสมอ อริสโตเติลก็มีคำวิจารณ์เช่นกัน พวกเขาแนะนำให้เขาทำการทดลองต่อไปนี้: ปล่อยศพ แล้วมันจะตกอยู่ใต้จุดที่เราปล่อยมันพอดี ให้เรายกตัวอย่างการวิพากษ์วิจารณ์ทฤษฎีของอริสโตเติลซึ่งคล้ายกับตัวอย่างของคนรุ่นเดียวกัน ลองนึกภาพเครื่องบินกำลังขว้างระเบิด (รูปที่ 8) ระเบิดจะตกตรงจุดที่เราปล่อยหรือเปล่า?

ข้าว. 8. ตัวอย่างภาพประกอบ

ไม่แน่นอน แต่นี่คือ การเคลื่อนไหวตามธรรมชาติ- การเคลื่อนไหวที่รายงานโดยโลก แล้วอะไรทำให้ระเบิดลูกนี้ก้าวไปข้างหน้า? อริสโตเติลตอบเช่นนี้: ความจริงก็คือการเคลื่อนไหวตามธรรมชาติที่โลกส่งมานั้นกำลังตกลงมาตรงๆ แต่เมื่อเคลื่อนที่ไปในอากาศ ระเบิดจะถูกพัดพาไปด้วยความปั่นป่วน และความปั่นป่วนเหล่านี้ดูเหมือนจะผลักระเบิดไปข้างหน้า

จะเกิดอะไรขึ้นหากอากาศถูกกำจัดออกไปและสร้างสุญญากาศ? ท้ายที่สุดแล้วหากไม่มีอากาศตามที่อริสโตเติลกล่าวไว้ ระเบิดควรจะตกลงไปตรงตำแหน่งที่มันถูกโยนออกไป อริสโตเติลแย้งว่าหากไม่มีอากาศ สถานการณ์เช่นนี้ก็เป็นไปได้ แต่ในความเป็นจริงแล้ว ไม่มีความว่างเปล่า ไม่มีสุญญากาศ และถ้าไม่มีสุญญากาศก็ไม่มีปัญหา

และมีเพียงกาลิเลโอกาลิเลอีเท่านั้นที่สร้างหลักการของความเฉื่อยในรูปแบบที่เราคุ้นเคย สาเหตุของการเปลี่ยนแปลงความเร็วคือการกระทำของวัตถุอื่นในร่างกาย หากวัตถุอื่นไม่กระทำต่อร่างกายหรือการกระทำนี้ได้รับการชดเชย ความเร็วของร่างกายจะไม่เปลี่ยนแปลง

ข้อควรพิจารณาต่อไปนี้สามารถกระทำได้เกี่ยวกับกรอบอ้างอิงเฉื่อย ลองนึกภาพสถานการณ์ที่รถเคลื่อนที่ จากนั้นคนขับจะดับเครื่องยนต์ จากนั้นรถจะเคลื่อนที่ด้วยความเฉื่อย (รูปที่ 9) แต่นี่เป็นข้อความที่ไม่ถูกต้องด้วยเหตุผลง่ายๆ ที่เมื่อเวลาผ่านไปรถจะหยุดอันเป็นผลมาจากแรงเสียดทาน ดังนั้นในกรณีนี้จะไม่มี การเคลื่อนไหวสม่ำเสมอ- ขาดเงื่อนไขข้อใดข้อหนึ่ง

ข้าว. 9. ความเร็วของรถเปลี่ยนไปอันเป็นผลมาจากแรงเสียดทาน

ลองพิจารณาอีกกรณีหนึ่ง: รถแทรกเตอร์ขนาดใหญ่กำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ในขณะที่ด้านหน้ากำลังลากของหนักด้วยถัง การเคลื่อนไหวดังกล่าวถือได้ว่าเป็นเส้นตรงและสม่ำเสมอเพราะในกรณีนี้แรงทั้งหมดที่กระทำต่อร่างกายจะได้รับการชดเชยและปรับสมดุลซึ่งกันและกัน (รูปที่ 10) ซึ่งหมายความว่ากรอบอ้างอิงที่เกี่ยวข้องกับวัตถุนี้สามารถพิจารณาได้ว่ามีความเฉื่อย

ข้าว. 10. รถแทรกเตอร์เคลื่อนที่อย่างสม่ำเสมอและเป็นเส้นตรง การทำงานของร่างกายทั้งหมดได้รับการชดเชย

สามารถมีระบบอ้างอิงเฉื่อยได้มากมาย ในความเป็นจริง ระบบอ้างอิงดังกล่าวยังคงเป็นอุดมคติ เนื่องจากเมื่อตรวจสอบอย่างใกล้ชิดแล้ว ไม่มีระบบอ้างอิงดังกล่าวในความหมายที่สมบูรณ์ ISO เป็นอุดมคติชนิดหนึ่งที่ช่วยให้คุณสามารถจำลองกระบวนการทางกายภาพจริงได้อย่างมีประสิทธิภาพ

สำหรับระบบอ้างอิงเฉื่อย สูตรการเพิ่มความเร็วของกาลิเลโอนั้นใช้ได้ นอกจากนี้เรายังสังเกตด้วยว่าระบบอ้างอิงทั้งหมดที่เราพูดถึงก่อนหน้านี้สามารถพิจารณาได้ว่าเป็นระบบเฉื่อยของการประมาณค่าบางอย่าง

กฎหมายที่อุทิศให้กับ ISO ได้รับการกำหนดขึ้นครั้งแรกโดย Isaac Newton ข้อดีของนิวตันอยู่ที่ว่าเขาเป็นคนแรกที่แสดงให้เห็นทางวิทยาศาสตร์ว่าความเร็วของวัตถุที่เคลื่อนไหวไม่ได้เปลี่ยนแปลงทันที แต่เป็นผลจากการกระทำบางอย่างเมื่อเวลาผ่านไป ข้อเท็จจริงนี้เป็นพื้นฐานสำหรับการสร้างกฎที่เราเรียกว่ากฎข้อที่หนึ่งของนิวตัน

กฎข้อแรกของนิวตัน : มีระบบอ้างอิงที่ร่างกายเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงและสม่ำเสมอหรืออยู่นิ่งหากไม่มีแรงที่กระทำต่อร่างกายหรือแรงทั้งหมดที่กระทำต่อร่างกายได้รับการชดเชย ระบบอ้างอิงดังกล่าวเรียกว่าระบบเฉื่อย

ในอีกทางหนึ่ง บางครั้งพวกเขาก็พูดแบบนี้: กรอบอ้างอิงเฉื่อยคือระบบที่เป็นไปตามกฎของนิวตัน

เหตุใดโลกจึงเป็น CO ที่ไม่เฉื่อย? ลูกตุ้มฟูโกต์

ในปัญหาจำนวนมาก จำเป็นต้องพิจารณาการเคลื่อนที่ของวัตถุสัมพันธ์กับโลก ในขณะที่เราถือว่าโลกเป็นกรอบอ้างอิงเฉื่อย ปรากฎว่าข้อความนี้ไม่เป็นความจริงเสมอไป หากเราพิจารณาการเคลื่อนที่ของโลกสัมพันธ์กับแกนของมันหรือสัมพันธ์กับดวงดาว การเคลื่อนที่นี้จะเกิดขึ้นด้วยความเร่งเล็กน้อย CO ซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร่งระดับหนึ่ง ไม่ถือเป็นแรงเฉื่อยในความหมายที่สมบูรณ์

โลกหมุนรอบแกนของมัน ซึ่งหมายความว่าทุกจุดที่อยู่บนพื้นผิวจะเปลี่ยนทิศทางของความเร็วอย่างต่อเนื่อง ความเร็วเป็นปริมาณเวกเตอร์ หากทิศทางเปลี่ยนไป ความเร่งจะปรากฏขึ้น ดังนั้นโลกจึงไม่สามารถเป็น ISO ที่ถูกต้องได้ หากเราคำนวณความเร่งนี้สำหรับจุดที่อยู่บนเส้นศูนย์สูตร (จุดที่มีความเร่งสูงสุดสัมพันธ์กับจุดที่ตั้งอยู่ใกล้กับขั้วมากกว่า) ค่าของมันจะเป็น ดัชนีแสดงว่าความเร่งเป็นจุดศูนย์กลาง เมื่อเปรียบเทียบกับความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง ความเร่งสามารถละเลยได้ และโลกก็ถือเป็นกรอบอ้างอิงเฉื่อย

อย่างไรก็ตาม ในระหว่างการสังเกตระยะยาว เราไม่อาจลืมเกี่ยวกับการหมุนของโลกได้ สิ่งนี้แสดงให้เห็นอย่างน่าเชื่อโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส Jean Bernard Leon Foucault (รูปที่ 11)

ข้าว. 11. ฌอง เบอร์นาร์ด ลีออน ฟูโกต์ (1819-1868)

ลูกตุ้มฟูโกต์(รูปที่ 12) - มันเป็นน้ำหนักมหาศาลที่ห้อยลงมาจากด้ายที่ยาวมาก

ข้าว. 12. แบบจำลองลูกตุ้มฟูโกต์

หากลูกตุ้มฟูโกต์ถูกนำออกจากสมดุล มันจะอธิบายวิถีต่อไปนี้นอกเหนือจากเส้นตรง (รูปที่ 13) การเคลื่อนตัวของลูกตุ้มเกิดจากการหมุนของโลก

ข้าว. 13. การแกว่งของลูกตุ้มฟูโกต์ มุมมองจากด้านบน

การหมุนของโลกมีสาเหตุหลายประการ ข้อเท็จจริงที่น่าสนใจ. ตัวอย่างเช่น ในแม่น้ำทางซีกโลกเหนือ ตามกฎแล้วฝั่งขวาจะชันกว่าและฝั่งซ้ายจะราบเรียบกว่า ในแม่น้ำทางซีกโลกใต้จะกลับกัน ทั้งหมดนี้เกิดจากการหมุนของโลกและแรงโบลิทาร์ที่เกิดขึ้นอย่างแม่นยำ

ในประเด็นเรื่องการกำหนดกฎข้อที่หนึ่งของนิวตัน

กฎข้อแรกของนิวตัน: หากไม่มีร่างกายใดกระทำต่อร่างกายหรือการกระทำของพวกมันสมดุลกัน (ชดเชย) ร่างกายนี้ก็จะอยู่นิ่งหรือเคลื่อนไหวสม่ำเสมอและเป็นเส้นตรง

ลองพิจารณาสถานการณ์ที่จะแจ้งให้เราทราบว่ากฎข้อที่หนึ่งของนิวตันนี้จำเป็นต้องได้รับการแก้ไข ลองนึกภาพรถไฟที่มีม่านหน้าต่าง ในรถไฟดังกล่าว ผู้โดยสารไม่สามารถระบุได้ว่ารถไฟกำลังเคลื่อนที่หรือไม่โดยดูจากวัตถุภายนอก ลองพิจารณาระบบอ้างอิงสองระบบ: FR ที่เกี่ยวข้องกับผู้โดยสาร Volodya และ FR ที่เกี่ยวข้องกับผู้สังเกตการณ์บนแพลตฟอร์ม Katya รถไฟเริ่มเร่งความเร็ว ความเร็วของมันเพิ่มขึ้น จะเกิดอะไรขึ้นกับแอปเปิ้ลที่อยู่บนโต๊ะ? มันจะหมุนไปในทิศทางตรงกันข้ามด้วยความเฉื่อย สำหรับ Katya จะเห็นได้ชัดว่าแอปเปิ้ลเคลื่อนที่ด้วยความเฉื่อย แต่สำหรับ Volodya จะไม่สามารถเข้าใจได้ เขาไม่เห็นว่ารถไฟเริ่มเคลื่อนตัวแล้ว และทันใดนั้นก็มีแอปเปิ้ลวางอยู่บนโต๊ะก็เริ่มกลิ้งมาหาเขา เป็นไปได้ยังไง? ตามกฎข้อแรกของนิวตัน แอปเปิ้ลจะต้องอยู่นิ่งๆ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องปรับปรุงคำจำกัดความของกฎข้อที่หนึ่งของนิวตัน

ข้าว. 14. ตัวอย่างภาพประกอบ

สูตรที่ถูกต้องของกฎข้อที่หนึ่งของนิวตันเสียงเช่นนี้ มีระบบอ้างอิงที่ร่างกายเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงและสม่ำเสมอ หรืออยู่นิ่งหากไม่มีแรงที่กระทำต่อร่างกายหรือแรงทั้งหมดที่กระทำต่อร่างกายได้รับการชดเชย

Volodya อยู่ในกรอบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อย และ Katya อยู่ในกรอบอ้างอิงเฉื่อย

ระบบส่วนใหญ่ซึ่งเป็นระบบอ้างอิงที่แท้จริงนั้นไม่ใช่ระบบเฉื่อย ลองพิจารณาตัวอย่างง่ายๆ: ขณะนั่งอยู่บนรถไฟ คุณวางร่างกายบางส่วน (เช่น แอปเปิ้ล) ไว้บนโต๊ะ เมื่อรถไฟเริ่มเคลื่อนที่เราจะสังเกตภาพที่น่าสนใจดังนี้ แอปเปิ้ลจะเคลื่อนที่ หมุนไปในทิศทางตรงกันข้ามกับการเคลื่อนที่ของรถไฟ (รูปที่ 15) ในกรณีนี้ เราจะไม่สามารถระบุได้ว่าร่างกายใดทำหน้าที่และทำให้แอปเปิลเคลื่อนไหว ในกรณีนี้ระบบจะกล่าวว่าไม่มีความเฉื่อย แต่คุณสามารถออกจากสถานการณ์นี้ได้โดยเข้าไป แรงเฉื่อย.

ข้าว. 15. ตัวอย่าง FR ที่ไม่เฉื่อย

อีกตัวอย่างหนึ่ง: เมื่อร่างกายเคลื่อนที่ไปตามถนนโค้ง (รูปที่ 16) จะมีแรงเกิดขึ้นทำให้ร่างกายเบี่ยงเบนไปจากทิศทางการเคลื่อนที่ที่เป็นเส้นตรง ในกรณีนี้เราต้องพิจารณาด้วย กรอบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อยแต่เช่นเดียวกับในกรณีก่อนหน้านี้ เราสามารถออกจากสถานการณ์ได้ด้วยการแนะนำสิ่งที่เรียกว่า แรงเฉื่อย.

ข้าว. 16. แรงเฉื่อยเมื่อเคลื่อนที่ไปตามเส้นทางโค้งมน

บทสรุป

มีระบบอ้างอิงอยู่ ชุดอนันต์แต่ในหมู่พวกเขาส่วนใหญ่คือสิ่งที่เราไม่สามารถพิจารณาว่าเป็นระบบอ้างอิงเฉื่อยได้ หน้าต่างอ้างอิงเฉื่อยเป็นแบบจำลองในอุดมคติ อย่างไรก็ตาม ด้วยระบบอ้างอิงดังกล่าว เราจึงสามารถยอมรับระบบอ้างอิงที่เกี่ยวข้องกับโลกหรือวัตถุที่อยู่ไกลออกไปได้ (เช่น กับดวงดาว)

บรรณานุกรม

1. คิโคอิน ไอ.เค. คิโคอิน เอ.เค. ฟิสิกส์: หนังสือเรียนชั้นประถมศึกษาปีที่ 9 มัธยม. - ม.: การตรัสรู้.
2. Peryshkin A.V., Gutnik E.M. ฟิสิกส์. ชั้นประถมศึกษาปีที่ 9: หนังสือเรียนเพื่อการศึกษาทั่วไป สถาบัน / A. V. Peryshkin, E. M. Gutnik - ฉบับที่ 14 แบบเหมารวม. - ม.: อีแร้ง, 2552. - 300.
3. Sokolovich Yu.A., Bogdanova G.S. ฟิสิกส์: หนังสืออ้างอิงพร้อมตัวอย่างการแก้ปัญหา - ฉบับพิมพ์ครั้งที่ 2 ฉบับแก้ไข - X.: Vesta: สำนักพิมพ์ระนก, 2548. - 464 น.

1. พอร์ทัลอินเทอร์เน็ต "physics.ru" ()
2. พอร์ทัลอินเทอร์เน็ต "ens.tpu.ru" ()
3. พอร์ทัลอินเทอร์เน็ต "prosto-o-slognom.ru" ()

การบ้าน

1. กำหนดคำจำกัดความของระบบอ้างอิงเฉื่อยและไม่เฉื่อย ยกตัวอย่างระบบดังกล่าว
2. ระบุกฎข้อแรกของนิวตัน
3. ใน ISO ร่างกายจะได้พัก พิจารณาว่าค่าของความเร็วใน ISO เป็นเท่าใด ซึ่งจะเคลื่อนที่สัมพันธ์กับหน้าต่างอ้างอิงแรกด้วยความเร็ว โวลต์?

วัตถุใดๆ ก็ตามสามารถได้รับอิทธิพลจากวัตถุอื่นที่อยู่รอบๆ ได้ ซึ่งเป็นผลให้สถานะการเคลื่อนไหว (ส่วนที่เหลือ) ของร่างกายที่สังเกตสามารถเปลี่ยนแปลงได้ ในขณะเดียวกันผลกระทบดังกล่าวก็สามารถชดเชยได้ (สมดุล) และไม่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงดังกล่าว เมื่อพวกเขากล่าวว่าการกระทำของสองวัตถุขึ้นไปชดเชยซึ่งกันและกัน นั่นหมายความว่าผลของการกระทำร่วมกันนั้นเหมือนกับว่าร่างกายเหล่านี้ไม่มีอยู่จริงเลย หากอิทธิพลของวัตถุอื่นในร่างกายได้รับการชดเชย สัมพันธ์กับโลกร่างกายจะอยู่นิ่งหรือเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงและสม่ำเสมอ

ดังนั้นเราจึงมาถึงกฎพื้นฐานของกลศาสตร์ข้อหนึ่งซึ่งเรียกว่ากฎข้อที่หนึ่งของนิวตัน

กฎข้อที่ 1 ของนิวตัน (กฎความเฉื่อย)

มีระบบอ้างอิงที่วัตถุที่เคลื่อนไหวแบบแปลนอยู่ในสถานะพักหรือเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงสม่ำเสมอ (การเคลื่อนที่โดยความเฉื่อย) จนกระทั่งอิทธิพลจากวัตถุอื่นพาวัตถุออกจากสถานะนี้

จากสิ่งที่กล่าวมาข้างต้น การเปลี่ยนแปลงความเร็วของร่างกาย (เช่น ความเร่ง) มักจะเกิดจากอิทธิพลของวัตถุอื่นในร่างกายนี้เสมอ

กฎข้อที่ 1 ของนิวตันเป็นไปตามกรอบอ้างอิงเฉื่อยเท่านั้น

คำนิยาม

กรอบอ้างอิงสัมพันธ์กับวัตถุซึ่งไม่ได้รับผลกระทบจากวัตถุอื่น อยู่นิ่งหรือเคลื่อนที่สม่ำเสมอและเป็นเส้นตรงเรียกว่าเฉื่อย

ตรวจสอบว่า ระบบนี้การอ้างอิงความเฉื่อยสามารถทำได้โดยการทดลองเท่านั้น ในกรณีส่วนใหญ่ ระบบอ้างอิงที่เกี่ยวข้องกับโลกหรือวัตถุอ้างอิงที่เคลื่อนที่สม่ำเสมอและเป็นเส้นตรงเมื่อเทียบกับพื้นผิวโลกสามารถพิจารณาได้ว่าเป็นระบบเฉื่อย

รูปที่ 1 กรอบอ้างอิงเฉื่อย

ขณะนี้ได้รับการยืนยันจากการทดลองแล้วว่าระบบอ้างอิงเฮลิโอเซนตริกที่เกี่ยวข้องกับศูนย์กลางของดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์ที่ "คงที่" สามดวงนั้นเป็นระบบเฉื่อยในทางปฏิบัติ

ระบบอ้างอิงอื่นๆ ที่เคลื่อนที่สม่ำเสมอและเป็นเส้นตรงสัมพันธ์กับระบบอ้างอิงเฉื่อย ก็คือระบบอ้างอิงเฉื่อยนั่นเอง

กาลิเลโอกำหนดว่าไม่มีการทดลองทางกลใดๆ ที่เกิดขึ้นภายในระบบอ้างอิงเฉื่อยสามารถระบุได้ว่าระบบนี้หยุดนิ่งหรือเคลื่อนที่สม่ำเสมอและเป็นเส้นตรง ข้อความนี้เรียกว่าหลักการสัมพัทธภาพของกาลิเลโอหรือหลักการสัมพัทธภาพทางกล

หลักการนี้ได้รับการพัฒนาในเวลาต่อมาโดย A. Einstein และเป็นหนึ่งในหลักการของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ISO เล่นเฉพาะในวิชาฟิสิกส์ บทบาทสำคัญเนื่องจากตามหลักการสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ การแสดงออกทางคณิตศาสตร์กฎฟิสิกส์ใดๆ ก็มีรูปแบบเดียวกันในแต่ละ ISO

หากวัตถุอ้างอิงเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง หน้าต่างอ้างอิงที่เกี่ยวข้องกับวัตถุนั้นจะไม่มีความเฉื่อย และกฎข้อที่ 1 ของนิวตันจะใช้ไม่ได้

คุณสมบัติของวัตถุในการรักษาสถานะไว้เมื่อเวลาผ่านไป (ความเร็วของการเคลื่อนไหว, ทิศทางของการเคลื่อนไหว, สภาวะที่เหลือ ฯลฯ ) เรียกว่าความเฉื่อย ปรากฏการณ์ของการรักษาความเร็วโดยร่างกายที่เคลื่อนไหวโดยไม่มีอิทธิพลจากภายนอกเรียกว่าความเฉื่อย

รูปที่ 2 การแสดงความเฉื่อยในรถบัสเมื่อเริ่มเคลื่อนที่และเบรก

เรามักพบกับอาการความเฉื่อยของร่างกายในชีวิตประจำวัน เมื่อรถบัสเร่งความเร็วอย่างรวดเร็ว ผู้โดยสารบนรถจะเอนตัวไปด้านหลัง (รูปที่ 2, a) และเมื่อรถบัสเบรกกระทันหัน ผู้โดยสารจะโน้มตัวไปข้างหน้า (รูปที่ 2, b) และเมื่อรถบัสหันไปทางขวา พวกเขาก็โน้มตัวไปทาง ผนังด้านซ้ายของมัน เมื่อเครื่องบินบินขึ้นด้วยความเร่งสูง ร่างกายของนักบินพยายามรักษาสภาพเดิมของการพัก และกดลงบนเบาะ

ความเฉื่อยของวัตถุปรากฏชัดเจนเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วในการเร่งความเร็วของวัตถุของระบบเมื่อกรอบอ้างอิงเฉื่อยถูกแทนที่ด้วยกรอบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อยและในทางกลับกัน

ความเฉื่อยของร่างกายมักจะมีลักษณะเฉพาะด้วยมวลของมัน (มวลเฉื่อย)

แรงที่กระทำต่อวัตถุจากกรอบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อยเรียกว่าแรงเฉื่อย

ถ้าแรงหลายแรงกระทำต่อวัตถุพร้อมๆ กันในกรอบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อย ซึ่งบางแรงเป็นแรง "ธรรมดา" และแรงอื่นๆ เป็นแรงเฉื่อย จากนั้นวัตถุจะประสบกับแรงผลลัพธ์หนึ่งแรง ซึ่งเป็นผลรวมเวกเตอร์ของแรงทั้งหมดที่กระทำ บนนั้น แรงลัพธ์นี้ไม่ใช่แรงเฉื่อย แรงเฉื่อยเป็นเพียงส่วนประกอบของแรงลัพธ์เท่านั้น

หากแท่งไม้ที่ห้อยด้วยด้ายบางๆ สองเส้นถูกดึงอย่างช้าๆ ด้วยเชือกที่ติดอยู่ตรงกลาง แล้ว:

1. ไม้จะหัก;
2. สายไฟขาด
3. เธรดตัวใดตัวหนึ่งขาด
4. มีตัวเลือกใดก็ได้ ขึ้นอยู่กับแรงที่ใช้

รูปที่ 4

ใช้แรงกดที่ตรงกลางของไม้ซึ่งเชือกห้อยอยู่ เนื่องจากตามกฎข้อที่ 1 ของนิวตัน ร่างกายทุกส่วนมีความเฉื่อย ส่วนหนึ่งของแท่ง ณ จุดที่เชือกแขวนอยู่จะเคลื่อนที่ภายใต้การกระทำของแรงที่กระทำ และส่วนอื่นๆ ของแท่งไม้ที่ไม่ได้รับผลกระทบจากแรงจะยังคงอยู่ ในส่วนที่เหลือ. ดังนั้นไม้จะหักที่จุดช่วงล่าง

คำตอบ. คำตอบที่ถูกต้อง 1.

ชายคนหนึ่งดึงเลื่อนสองอันที่เชื่อมต่อกันโดยใช้แรงที่มุม 300 กับแนวนอน ค้นหาแรงนี้หากคุณรู้ว่าเลื่อนมีการเคลื่อนที่สม่ำเสมอ น้ำหนักของเลื่อนคือ 40 กก. ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน 0.3

$t_1$ = $t_2$ = $m$ = 40 กก

$(\คณิตศาสตร์ \mu )$ = 0.3

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

$g$ = 9.8 ม./วินาที2

รูปที่ 5

เนื่องจากเลื่อนเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ ตามกฎข้อที่หนึ่งของนิวตัน ผลรวมของแรงที่กระทำต่อเลื่อนจะเป็นศูนย์ ลองเขียนกฎข้อแรกของนิวตันสำหรับแต่ละวัตถุทันทีบนเส้นโครงบนแกน และเพิ่มกฎแรงเสียดทานแห้งของคูลอมบ์สำหรับเลื่อน:

แกน OX แกน 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(อาร์เรย์) \right.\]

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

กฎข้อที่หนึ่งของกลศาสตร์หรือกฎความเฉื่อย ( ความเฉื่อย- นี่เป็นคุณสมบัติของวัตถุในการรักษาความเร็วโดยไม่มีการกระทำของวัตถุอื่น ) ตามที่มักเรียกกันว่าก่อตั้งโดยกาลิเลโอ แต่นิวตันได้กำหนดกฎข้อนี้ไว้อย่างเข้มงวดและรวมไว้ในกฎพื้นฐานของกลศาสตร์ด้วย กฎความเฉื่อยใช้กับ กรณีง่ายๆการเคลื่อนไหว - การเคลื่อนไหวของร่างกายที่ไม่ได้รับอิทธิพลจากร่างกายอื่น วัตถุดังกล่าวเรียกว่าวัตถุอิสระ

เป็นไปไม่ได้ที่จะตอบคำถามที่ว่าร่างกายอิสระเคลื่อนไหวอย่างไรโดยไม่ต้องอ้างอิงถึงประสบการณ์ อย่างไรก็ตาม มันเป็นไปไม่ได้ที่จะทำการทดลองเพียงครั้งเดียวที่จะแสดงให้เห็นในรูปแบบที่บริสุทธิ์ว่าร่างกายที่ไม่มีปฏิสัมพันธ์กับการเคลื่อนไหวใดๆ เนื่องจากไม่มีร่างกายดังกล่าว จะเป็นอย่างไร?

มีทางออกทางเดียวเท่านั้น มีความจำเป็นต้องสร้างเงื่อนไขให้กับร่างกายซึ่งจะทำให้อิทธิพลของอิทธิพลภายนอกน้อยลงเรื่อยๆ และสังเกตว่าสิ่งนี้นำไปสู่อะไร ตัวอย่างเช่น คุณสามารถสังเกตการเคลื่อนที่ของหินเรียบได้ พื้นผิวแนวนอนหลังจากได้รับความเร็วระดับหนึ่งแล้ว (แรงดึงดูดของหินกับพื้นจะสมดุลโดยการกระทำของพื้นผิวที่หินวางอยู่ และความเร็วของการเคลื่อนที่จะได้รับผลกระทบจากการเสียดสีเท่านั้น) สังเกตได้ง่ายว่ายิ่งพื้นผิวเรียบเท่าไร หินก็จะยิ่งช้าเท่านั้น ความเร็วของหินจะลดลง บน น้ำแข็งเรียบหินเลื่อนเป็นเวลานานมากโดยไม่เปลี่ยนความเร็วอย่างเห็นได้ชัด แรงเสียดทานสามารถลดลงให้เหลือน้อยที่สุดได้โดยใช้เบาะลม ซึ่งเป็นไอพ่นของอากาศที่รองรับร่างกายเหนือพื้นผิวแข็งตามที่มีการเคลื่อนไหวเกิดขึ้น หลักการนี้ใช้ในการขนส่งทางน้ำ (เรือบน เบาะลม). จากการสังเกตดังกล่าว เราสามารถสรุปได้ว่า: หากพื้นผิวเรียบอย่างสมบูรณ์ หากไม่มีแรงต้านอากาศ (ในสุญญากาศ) หินก็จะไม่เปลี่ยนความเร็วเลย กาลิเลโอมาถึงข้อสรุปนี้เป็นครั้งแรก

ในทางกลับกัน สังเกตได้ง่ายว่าเมื่อความเร็วของวัตถุเปลี่ยนแปลง อิทธิพลของวัตถุอื่นที่มีต่อวัตถุนั้นจะถูกตรวจจับอยู่เสมอ จากนี้เราก็ได้ข้อสรุปว่า วัตถุที่อยู่ห่างจากวัตถุอื่นเพียงพอและด้วยเหตุนี้จึงไม่โต้ตอบกับวัตถุเหล่านั้นจึงเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่.

การเคลื่อนไหวนั้นสัมพันธ์กัน ดังนั้นจึงสมเหตุสมผลที่จะพูดถึงเฉพาะการเคลื่อนไหวของร่างกายโดยสัมพันธ์กับกรอบอ้างอิงที่เกี่ยวข้องกับวัตถุอื่น คำถามเกิดขึ้นทันที: วัตถุอิสระจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่เมื่อเทียบกับวัตถุอื่นหรือไม่? แน่นอนว่าคำตอบนั้นเป็นเชิงลบ ดังนั้น หากสัมพันธ์กับโลก วัตถุอิสระเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงและสม่ำเสมอ ดังนั้น เมื่อสัมพันธ์กับวงล้อหมุน วัตถุจะไม่เคลื่อนที่ในลักษณะนี้อย่างแน่นอน

การสังเกตการเคลื่อนไหวของวัตถุและการสะท้อนถึงธรรมชาติของการเคลื่อนไหวเหล่านี้ทำให้เราสรุปได้ว่าวัตถุอิสระเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ อย่างน้อยก็สัมพันธ์กับวัตถุบางตัวและกรอบอ้างอิงที่เกี่ยวข้อง เช่น สัมพันธ์กับโลก นี่คือเนื้อหาหลักของกฎความเฉื่อย

นั่นเป็นเหตุผล กฎข้อแรกของนิวตัน สามารถกำหนดได้ดังนี้:

มีระบบอ้างอิงดังกล่าวสัมพันธ์กับที่วัตถุ (จุดวัสดุ) ในกรณีที่ไม่มีอิทธิพลจากภายนอก (หรือด้วยการชดเชยซึ่งกันและกัน) จะคงสภาพของการพักผ่อนหรือการเคลื่อนไหวเป็นเส้นตรงสม่ำเสมอ

กรอบอ้างอิงเฉื่อย

กฎข้อแรกของนิวตัน ยืนยัน (สามารถตรวจสอบได้ด้วยการทดลองด้วยระดับความแม่นยำที่แตกต่างกัน) ว่าระบบเฉื่อยมีอยู่จริง กฎกลศาสตร์นี้กำหนดให้ระบบอ้างอิงเฉื่อยอยู่ในตำแหน่งพิเศษที่มีสิทธิพิเศษ

ระบบอ้างอิงซึ่งเป็นไปตามกฎข้อแรกของนิวตัน เรียกว่าเฉื่อย.

ระบบอ้างอิงเฉื่อย- สิ่งเหล่านี้คือระบบที่สัมพันธ์กับจุดสำคัญซึ่งอยู่นิ่งหรือเคลื่อนที่สม่ำเสมอและเป็นเส้นตรงโดยไม่มีอิทธิพลจากภายนอกหรือการชดเชยร่วมกัน

มีระบบเฉื่อยจำนวนอนันต์ ระบบอ้างอิงที่เกี่ยวข้องกับรถไฟที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ตามแนวตรงของรางรถไฟก็เป็นระบบเฉื่อย (โดยประมาณ) เช่นเดียวกับระบบที่เกี่ยวข้องกับโลก กรอบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมดจะสร้างชั้นของระบบที่เคลื่อนที่โดยสัมพันธ์กันอย่างสม่ำเสมอและเป็นเส้นตรง ความเร่งของวัตถุใดๆ ในระบบเฉื่อยที่ต่างกันจะเท่ากัน

จะพิสูจน์ได้อย่างไรว่าระบบอ้างอิงที่กำหนดนั้นเป็นระบบเฉื่อย? สามารถทำได้ผ่านประสบการณ์เท่านั้น การสังเกตแสดงให้เห็นว่า ด้วยความแม่นยำระดับสูงมาก ระบบเฮลิโอเซนตริกถือได้ว่าเป็นระบบอ้างอิงเฉื่อย โดยที่ต้นกำเนิดของพิกัดสัมพันธ์กับดวงอาทิตย์ และแกนนั้นมุ่งตรงไปยังดวงดาวที่ "คงที่" บางดวง ระบบอ้างอิงที่เชื่อมต่ออย่างเหนียวแน่นกับพื้นผิวโลก พูดอย่างเคร่งครัดนั้นไม่ใช่ระบบเฉื่อย เนื่องจากโลกเคลื่อนที่ในวงโคจรรอบดวงอาทิตย์และในเวลาเดียวกันก็หมุนรอบแกนของมัน อย่างไรก็ตาม เมื่ออธิบายการเคลื่อนไหวที่ไม่มีมาตราส่วนทั่วโลก (เช่น ทั่วโลก) ระบบอ้างอิงที่เกี่ยวข้องกับโลกสามารถพิจารณาได้ว่ามีความเฉื่อยและมีความแม่นยำเพียงพอ

ระบบอ้างอิงเฉื่อยคือระบบที่เคลื่อนที่สม่ำเสมอและเป็นเส้นตรงสัมพันธ์กับกรอบอ้างอิงเฉื่อยบางกรอบ.

กาลิเลโอพบว่า ไม่มีการทดลองทางกลใดๆ ที่ดำเนินการภายในระบบอ้างอิงเฉื่อยสามารถระบุได้ว่าระบบนี้อยู่นิ่งหรือเคลื่อนที่สม่ำเสมอและเป็นเส้นตรง. คำสั่งนี้เรียกว่า หลักสัมพัทธภาพของกาลิเลโอ หรือ หลักการสัมพัทธภาพทางกล.

หลักการนี้ได้รับการพัฒนาในเวลาต่อมาโดย A. Einstein และเป็นหนึ่งในหลักการของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ กรอบอ้างอิงเฉื่อยมีบทบาทสำคัญในฟิสิกส์ เนื่องจากตามหลักการสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ การแสดงออกทางคณิตศาสตร์ของกฎฟิสิกส์ใดๆ มีรูปแบบเดียวกันในกรอบอ้างอิงเฉื่อยแต่ละกรอบ ต่อไปนี้เราจะใช้เฉพาะระบบเฉื่อยเท่านั้น (โดยไม่ต้องกล่าวถึงทุกครั้ง)

กรอบอ้างอิงซึ่งไม่มีกฎข้อแรกของนิวตันเรียกว่ากรอบอ้างอิง ไม่ใช่เฉื่อยและ.

ระบบดังกล่าวรวมถึงระบบอ้างอิงใดๆ ที่เคลื่อนที่ด้วยความเร่งสัมพันธ์กับระบบอ้างอิงเฉื่อย

ในกลศาสตร์ของนิวตัน กฎอันตรกิริยาของวัตถุได้รับการกำหนดขึ้นสำหรับระบบอ้างอิงเฉื่อยประเภทหนึ่ง

ตัวอย่างของการทดลองทางกลที่แสดงความไม่เฉื่อยของระบบที่เกี่ยวข้องกับโลกคือพฤติกรรม ลูกตุ้มฟูโกต์. นี่คือชื่อของลูกบอลขนาดใหญ่ที่แขวนอยู่บนเส้นด้ายที่ค่อนข้างยาว และมีการแกว่งเล็กน้อยรอบๆ ตำแหน่งสมดุล ถ้าระบบที่เกี่ยวข้องกับโลกเป็นแบบเฉื่อย ระนาบการแกว่งของลูกตุ้มฟูโกต์จะยังคงไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเทียบกับโลก ในความเป็นจริง ระนาบการแกว่งของลูกตุ้มหมุนเนื่องจากการหมุนของโลก และการฉายวิถีของลูกตุ้มลงบนพื้นผิวโลกมีรูปร่างของดอกกุหลาบ (รูปที่ 1) ข้าว. 2

วรรณกรรม

1. เปิดฟิสิกส์ 2.5 (http://college.ru/physics/)
2. ฟิสิกส์: กลศาสตร์. ชั้นประถมศึกษาปีที่ 10: หนังสือเรียน เพื่อศึกษาฟิสิกส์เชิงลึก / ม.ม. บาลาชอฟ, A.I. โกโมโนวา, เอ.บี. Dolitsky และคนอื่น ๆ ; เอ็ด G.Ya. ไมยากิเชวา. – อ.: อีแร้ง, 2545. – 496 หน้า