פילוסופים עתיקים ניסו להבין את מהות התנועה, לחשוף את השפעת הכוכבים והשמש על אדם. בנוסף, אנשים תמיד ניסו לזהות את הכוחות הפועלים על נקודה חומרית בתהליך תנועתה, כמו גם ברגע של מנוחה.
אריסטו האמין שבהעדר תנועה, הגוף אינו מושפע מכוחות כלשהם. בואו ננסה לברר אילו מסגרות ייחוס נקראות אינרציאליות, ניתן דוגמאות שלהן.
מצב מנוחה
בחיי היומיום קשה לזהות מצב כזה. כמעט בכל סוגי התנועה המכנית, ההנחה היא נוכחות של כוחות זרים. הסיבה היא כוח החיכוך, שאינו מאפשר לחפצים רבים לעזוב את מיקומם המקורי, לצאת ממצב המנוחה.
בהתחשב בדוגמאות של מערכות ייחוס אינרציאליות, נציין שכולן תואמות את החוק הראשון של ניוטון. רק לאחר גילויו ניתן היה להסביר את מצב המנוחה, לציין את הכוחות הפועלים במצב זה על הגוף.
ניסוח החוק הראשון של ניוטון
בפרשנות המודרנית הוא מסביר את קיומן של מערכות קואורדינטות, שביחס אליהן ניתן לשקול את היעדר כוחות חיצוניים הפועלים על נקודה חומרית. מנקודת מבטו של ניוטון, מערכות ייחוס נקראות אינרציאליות, המאפשרות לנו לשקול את שימור מהירות הגוף לאורך זמן.
הגדרות
אילו מסגרות התייחסות הן אינרציאליות? דוגמאות מהם נלמדות בקורס פיסיקה של בית הספר. מערכות ייחוס אינרציאליות נחשבות לאלו שלגביהן נעה נקודת החומר במהירות קבועה. ניוטון הבהיר שכל גוף יכול להיות במצב דומה כל עוד אין צורך להפעיל עליו כוחות שיכולים לשנות מצב כזה.
במציאות, חוק האינרציה לא מתקיים בכל המקרים. ניתוח דוגמאות של מסגרות ייחוס אינרציאליות ובלתי אינרציאליות, שקול אדם האוחז במעקות הרכב בתנועה. כאשר מכונית בולמת בחדות, אדם זז באופן אוטומטי ביחס לרכב, למרות היעדר כוח חיצוני.
מסתבר שלא כל הדוגמאות של מסגרת ייחוס אינרציאלית תואמות את הניסוח של חוק ניוטון 1. כדי להבהיר את חוק האינרציה, הוצגה הגדרה מעודנת של מערכות התייחסות שבה היא מתממשת ללא דופי.
סוגי מערכות התייחסות
אילו מערכות ייחוס נקראות אינרציאליות? זה יתברר בקרוב. "תן דוגמאות למערכות ייחוס אינרציאליות שבהן מתקיים חוק ניוטון 1" -משימה דומה מוצעת לתלמידי בית ספר שבחרו בפיזיקה כבחינה בכיתה ט'. על מנת להתמודד עם המשימה, יש צורך לקבל רעיון לגבי מסגרות ייחוס אינרציאליות ולא אינרציאליות.
אינרציה כרוכה בשימור מנוחה או תנועה ישרה אחידה של הגוף כל עוד הגוף נמצא בבידוד. גופים "מבודדים" הם אלו שאינם מחוברים, אינם מקיימים אינטראקציה, מוסרים זה מזה.
בואו נשקול כמה דוגמאות למסגרת התייחסות אינרציאלית. בהנחה שכוכב בגלקסיה הוא מסגרת התייחסות, במקום אוטובוס נע, יישום חוק האינרציה עבור נוסעים האוחזים במסילות יהיה ללא רבב.
במהלך בלימה, רכב זה ימשיך לנוע בצורה אחידה בקו ישר עד שהוא יושפע מגופים אחרים.
אילו דוגמאות למסגרת התייחסות אינרציאלית תוכל לתת? לא צריך להיות להם קשר עם הגוף המנותח, להשפיע על האינרציה שלו.
למערכות כאלה מתקיים החוק הראשון של ניוטון. בחיים האמיתיים, קשה להתייחס לתנועה של גוף ביחס למסגרות ייחוס אינרציאליות. אי אפשר להגיע לכוכב רחוק כדי לערוך ממנו ניסויים יבשתיים.
כדור הארץ מקובל כמערכות ייחוס מותנות, למרות העובדה שהוא משויך לחפצים המונחים עליו.
אפשר לחשב את התאוצה במסגרת הייחוס האינרציאלית אם ניקח בחשבון את פני כדור הארץ כמסגרת הייחוס. בפיזיקה, אין תיעוד מתמטי של החוק הראשון של ניוטון, אבל הוא זה שהוא הבסיסגזירה של הגדרות ומונחים פיזיקליים רבים.
דוגמאות למסגרות ייחוס אינרציאליות
תלמידי בית ספר מתקשים לפעמים להבין תופעות פיזיות. לתלמידי כיתות ט' מוצעת המשימה של התכנים הבאים: אילו מסגרות התייחסות נקראות אינרציאליות? תן דוגמאות למערכות כאלה. נניח שהעגלה עם הכדור נעה בתחילה על משטח שטוח במהירות קבועה. לאחר מכן הוא נע לאורך החול, כתוצאה מכך, הכדור נכנס לתנועה מואצת, למרות העובדה שלא פועלים עליו כוחות אחרים (ההשפעה הכוללת שלהם היא אפס).
את המהות של המתרחש ניתן להסביר על ידי העובדה שבזמן שנעה על משטח חולי, המערכת מפסיקה להיות אינרציאלית, יש לה מהירות קבועה. דוגמאות למסגרות ייחוס אינרציאליות ולא אינרציאליות מצביעות על כך שהמעבר שלהן מתרחש בפרק זמן מסוים.
כשהגוף מאיץ, לתאוצה שלו יש ערך חיובי, ובבלימה נתון זה הופך לשלילי.
תנועה עקומה
יחסית לכוכבים ולשמש, תנועת כדור הארץ מתבצעת לאורך מסלול עקום, בעל צורה של אליפסה. מסגרת ייחוס זו, שבה המרכז מיושר עם השמש, והצירים מכוונים לכוכבים מסוימים, תיחשב אינרציאלית.
שימו לב שכל מסגרת התייחסות שתנוע בקו ישר ובאופן אחיד ביחס להליוצנטריתהמערכת היא אינרציאלית. תנועה עקמומית מתבצעת בהאצה מסוימת.
בהתחשב בעובדה שכדור הארץ נע סביב צירו, מסגרת ההתייחסות, הקשורה לפני השטח שלו, ביחס למהלכים ההליוצנטריים, נעה בתאוצה מסוימת. במצב כזה, ניתן להסיק שמסגרת הייחוס, הקשורה לפני השטח של כדור הארץ, נעה בתאוצה ביחס להליוצנטרית, ולכן היא לא יכולה להיחשב אינרציאלית. אבל הערך של האצה של מערכת כזו כל כך קטן שבמקרים רבים היא משפיעה באופן משמעותי על הספציפיות של התופעות המכניות הנחשבות ביחס אליה.
כדי לפתור בעיות מעשיות בעלות אופי טכני, נהוג להתייחס כאינרציאלית למסגרת הייחוס המחוברת בצורה נוקשה עם פני כדור הארץ.
יחסות גלילית
לכל מסגרות ההתייחסות האינרטיות יש תכונה חשובה, שמתוארת על ידי עקרון היחסות. מהותו נעוצה בעובדה שכל תופעה מכנית באותם תנאים ראשוניים מתבצעת באותו אופן, ללא קשר למסגרת הייחוס שנבחרה.
שוויון של ISO לפי עקרון היחסות בא לידי ביטוי בהוראות הבאות:
- במערכות כאלה, חוקי המכניקה זהים, ולכן כל משוואה שמתוארת על ידם, מבוטאת במונחים של קואורדינטות וזמן, נשארת ללא שינוי.
- התוצאות של ניסויים מכניים מתמשכים מאפשרות לקבוע אם מסגרת ההתייחסות תהיה במצב מנוחה, או שמא היא עושהתנועה אחידה ישר. כל מערכת יכולה להיות מוכרת כנייחת אם המערכת השנייה זזה בו-זמנית ביחס אליה במהירות מסוימת.
- משוואות המכניקה נשארות ללא שינוי ביחס לתמורות קואורדינטות במקרה של מעבר ממערכת אחת לאחרת. אפשר לתאר את אותה תופעה במערכות שונות, אבל האופי הפיזי שלהן לא ישתנה.
פתרון בעיות
דוגמה ראשונה.
קבע אם מסגרת הייחוס האינרציאלית היא: א) לוויין מלאכותי של כדור הארץ; ב) אטרקציה לילדים.
תשובה. במקרה הראשון, לא מדובר במערכת ייחוס אינרציאלית, שכן הלוויין נע במסלול בהשפעת כוח הכבידה, לכן, התנועה מתרחשת בתאוצה מסוימת.
המשיכה גם לא יכולה להיחשב כמערכת אינרציאלית, מכיוון שהתנועה הסיבובית שלה מתרחשת בתאוצה מסוימת.
דוגמה שנייה.
מערכת הדיווח מחוברת היטב למעלית. באילו מצבים אפשר לקרוא לזה אינרציאלי? אם המעלית: א) נופלת למטה; ב) נע באופן שווה למעלה; ג) עולה במהירות ד) מכוון באופן שווה כלפי מטה.
תשובה. א) בנפילה חופשית מופיעה תאוצה, כך שמסגרת הייחוס המשויכת למעלית לא תהיה אינרציאלית.
b) עם תנועה אחידה של המעלית, המערכת היא אינרציאלית.
c) כאשר נעים עם תאוצה מסוימת, מסגרת הייחוס נחשבת לאינרציאלית.
d) המעלית נעה לאט, יש לה תאוצה שלילית, אז אתה לא יכולקרא למסגרת ההתייחסות אינרציאלית.
מסקנה
לאורך כל תקופת קיומו, האנושות ניסתה להבין את התופעות המתרחשות בטבע. ניסיונות להסביר את יחסיות התנועה נעשו על ידי גלילאו גליליי. אייזק ניוטון הצליח לגזור את חוק האינרציה, שהחל לשמש כהנחה העיקרית בחישובים במכניקה.
כיום, מערכת זיהוי תנוחת הגוף כוללת את הגוף, את המכשיר לקביעת השעה וכן את מערכת הקואורדינטות. תלוי אם הגוף נע או נייח, ניתן לאפיין את מיקומו של חפץ מסוים בפרק הזמן הרצוי.
