Учебник для 10 класса

ФИЗИКА

§ 4.1. Неинерциальные системы отсчета

• Во второй главе было введено понятие инерциалъной системы отсчета. Там же было показано, что законы Ньютона правильно описывают движение только в инерциалъных системах отсчета. Как проверить, является ли данная система отсчета инерциалъной?

Для этого достаточно рассмотреть в ней хотя бы простейший вид движения и выяснить, происходит ли оно в соответствии со вторым законом движения Ньютона.

Мы уже знаем (см. § 2.3), что систему координат, связанную с Землей, приближенно можно рассматривать как инерциальную.

Предположим, что мы сидим в вагоне поезда, который набирает скорость, т. е. движется с ускорением _п.

Представим себе, что перед нами горизонтальный столик, поверхность которого настолько гладкая, что предметы, например шашки или шахматные фигуры, могут скользить по нему без трения. В этом случае фигуры не остаются неподвижными относительно вагона, а движутся в сторону, противоположную ускорению движения поезда, с ускорением _от = -_п.

Попробуем описать это движение, используя второй закон Ньютона:

где — равнодействующая сил, приложенных к шашке или шахматной фигуре, а _а — ускорение относительно Земли.

Систему координат свяжем с вагоном.

Направим ось X в направлении движения поезда, а ось Z перпендикулярно поверхности стола (рис. 4.1). Рассмотрим силы, действующие на шашку.

Рис. 4.1

Вдоль оси Z действуют две силы: сила притяжения к Земле и сила реакции со стороны стола. Они равны по модулю и направлены в противоположные стороны. Вследствие этого F_z = 0 и а_az = 0.

Вдоль оси X силы не действуют. Действительно, по условию сила трения равна нулю, а других сил нет.

В результате из уравнения (4.1.1) следует

F_x = 0, а_ax = 0

т. е. тело должно двигаться равномерно и прямолинейно или покоиться.

Этот вывод, однако, противоречит тому, что мы видим, находясь в вагоне: шашка движется с ускорением относительно вагона.

Таким образом, если система координат связана с телом, которое само движется с ускорением (вагоном в рассмотренном случае), то первый и второй законы Ньютона в форме (4.1.1) не могут быть использованы для описания движения тел.

Как же надо изменить уравнение движения (4.1.1), чтобы его можно было использовать для описания движения в не-инерциальных системах отсчета? Решение этой задачи позволит нам, в частности, ответить на вопрос о том, при каких условиях неинерциальную систему отсчета приближенно можно рассматривать как инерциальную.

В неинерциальных системах отсчета нельзя пользоваться для описания движения законами Ньютона.