Раздел 1. Физические основы механики.

Глава 1. Кинематика.

§1.1. Инерциальные системы отсчета. Принцип относительности.

Всякое движение есть изменение состояния физического объекта. Механическим движением называется перемещение тел или частей тела друг относительно друга. Для его описания необходимо выбрать систему отсчета. Она состоит из тела отсчета и способа отсчета времени (неподвижных относительно этого тела «часов»). Система отсчета есть выражение фундаментального свойства природы: движение относительно и происходит в пространстве и во времени. Поскольку пространство и время всегда рассматриваются в конкретной системе отсчета, то пространство и время относительны, как относительно движение.

Преимуществом в физике пользуется инерциальная система отсчета. Она связана со свободным телом. Свободным называется тело, настолько удаленное от всех прочих, что их воздействием на движение данного тела можно пренебречь. Закон природы, отраженный в принципе инерции Галилея (он же является первым законом Ньютона) гласит: в инерциальной системе отсчета свободное тело покоится или движется равномерно и прямолинейно. Следовательно, любая система отсчета, покоящаяся или движущаяся равномерно и прямолинейно относительно инерциальной, также является инерциальной. Другими словами, никакими опытами, проводимыми внутри инерциальной системы отсчета, нельзя определить, покоится она или движется равномерно и прямолинейно, так что понятие абсолютного покоя лишено смысла, и инерциальных систем отсчета бесконечно много. К инерциальным системам отсчета применим еще один универсальный закон природы - принцип относительности. Он гласит: все законы физики имеют одинаковый вид во всех инерциальных системах отсчета. Физические законы выражаются математическими формулами, так что принцип относительности формулируется еще так: физические законы инвариантны относительно перехода от одной инерциальной системы отсчета к другой. Инвариантность означает неизменность вида уравнений при каких-либо преобразованиях, в частности, в любых инерциальных системах отсчета один и тот же закон природы выражает одна и та же формула. Принцип относительности проявляется в совпадении результатов опытов (их воспроизводимости), проведенных разными исследователями в разное время и в разных местах при одинаковых условиях. Следствием этого является накопление знаний и технический прогресс.

Опыт показывает, что инерциальной является система отсчета, образованная Солнцем с неподвижными относительно него часами. Она называется гелиоцентрической. На практике чаще всего движения тел рассматривают относительно земли, и тогда систему отсчета удобно связывать с землей. Такая система называется геоцентрической. Однако эта система неинерциальная, потому что она движется относительно гелиоцентрической системы с ускорением в силу двух причин: Земля движется вокруг Солнца (смена времен года), и Земля вращается вокруг собственной оси (смена времени суток). Центростремительное ускорение Земли при ее вращении вокруг Солнца составляет около 6^.10^-3 м/с², центростремительное ускорение при суточном вращении Земли около 3^.10^-2 м/с². В задачах, где требуемая точность позволяет пренебречь этими численными значениями по сравнению с численным значением ускорения свободного падения g = 9,8 м/с², Землю можно считать инерциальной системой отсчета. Доказательством неинерциальности Земли является маятник Фуко. Его плоскость качания, сохраняя неименную ориентацию относительно Солнца, поворачивается относительно Земли за сутки на 360⁰.