Учебник для 10 класса

ФИЗИКА

§ 1.29. Относительность движения

Еще в § 1.2 при первом знакомстве с механическим движением мы подчеркивали необходимость выбора системы отсчета. Настала пора проанализировать выводы о движении, полученные наблюдателями, находящимися в разных системах отсчета, и сравнить результаты их наблюдений.

В начале изучения кинематики для описания движения тела мы ввели понятие системы отсчета. Дело в том, что не имеют определенного смысла слова «тело движется». Нужно сказать, по отношению к каким телам или относительно какой системы отсчета это движение рассматривается. В этом мы неоднократно убеждались. Приведем еще несколько примеров.

Пассажиры движущегося поезда неподвижны относительно стен вагона. И те же пассажиры движутся в системе отсчета, связанной с Землей. Поднимается лифт. Стоящий на его полу чемодан покоится относительно стен лифта и человека, находящегося в лифте. Но он движется относительно Земли и дома.

Еще пример: соревнуются мотоциклисты. Вот они поравнялись и начали двигаться относительно Земли с одинаковыми скоростями. Расстояние между ними не изменяется, они не обгоняют друг друга. Друг относительно друга мотоциклисты покоятся, но движутся относительно Земли.

Этих примеров достаточно, чтобы убедиться в относительности движения и, в частности, относительности понятия скорости. Скорость одного и того же тела различна в разных системах отсчета.

При решении конкретной задачи мы можем выбрать ту или иную систему отсчета. Но среди этих систем отсчета находятся одна-две наиболее удобные, в которых движение выглядит проще. Особенно важен выбор системы отсчета в космонавтике. Стыковку космических кораблей рассматривают в системе отсчета, связанной с одним из кораблей. При выводе корабля на орбиту удобнее система отсчета, связанная с Землей (геоцентрическая система). Полет межпланетных станций изучают в гелиоцентрической системе отсчета (связанной с Солнцем). Оси координат этой системы направлены на неподвижные звезды, а начало координат совмещено с центром Солнца.

Наблюдатели, находящиеся в разных системах отсчета, должны хорошо понимать друг друга. Космонавты в орбитальной станции и люди в Центре управления полетом должны представлять движение с точки зрения Земли и корабля, уметь быстро определять характеристики движения в любой из систем, если известно, как оно происходит в одной из них.

"Об относительности движения люди догадывались давно. Наиболее четко понятие относительности движения было сформулировано Коперником и Галилеем. В своем знаменитом труде «О вращении небесных сфер» Коперник писал: «Так при движении корабля в тихую погоду все находящееся вне представляется мореплавателям движущимся, асами наблюдатели, наоборот, считают себя в покое со всем с ними находящимся. Это же, без сомнения, может происходить при движении Земли, так что мы думаем, будто вокруг нее вращается вся Вселенная».

Относительна не только скорость, но и форма траектории, пройденный телом путь. Катится, к примеру, колесо по поверхности Земли (рис. 1.90, а). Точка А обода колеса относительно системы координат X₁O₁Y₁ движется по окружности, проходя за время одного оборота колеса путь, равный длине окружности. Но относительно системы координат XOY (рис. 1.90, б), связанной с поверхностью Земли, траекторией точки А является более сложная кривая А₁А_₁А₃, называемая циклоидой. За тот же интервал времени точка А проходит путь, равный длине этой кривой.

Рис. 1.90

Представьте себе пассажира в движущемся равномерно относительно поверхности Земли вагоне, выпускающего из рук мяч. Он видит, как мяч падает относительно вагона вертикально вниз с ускорением . Свяжем с вагоном систему координат X₁O₁Y₁ (рис. 1.91). В этой системе координат за время падения мяч пройдет путь AD = h, и пассажир отметит, что мяч упал на пол со скоростью ₁ направленной вертикально вниз.

Ну а что увидит наблюдатель, находящийся на неподвижной платформе, с которой связана система координат XOY? Он заметит (представим себе, что стены вагона прозрачны), что траекторией мяча является парабола AD, и мяч упал на пол со скоростью ₂, направленной под углом к горизонту (см. рис. 1.91).

Рис. 1.91

Итак, мы отмечаем, что наблюдатели в системах координат X₁O₁Y₁ и XOY обнаруживают различные по форме траектории, скорости и пройденные пути при движении одного тела — мяча.

Надо отчетливо представлять себе, что все кинематические понятия: траектория, координаты, путь, перемещение, скорость имеют определенную форму или численные значения в одной выбранной системе отсчета. При переходе от одной системы отсчета к другой указанные величины могут измениться. В этом и состоит относительность движения, ив этом смысле механическое движение всегда относительно.

Длительное время изучая кинематику точки, мы ограничивались выбором одной системы отсчета. В этом есть определенный смысл. Не так уж просто было приобрести навыки в обращении с множеством вводимых понятий и их приложениями к количественным расчетам. Надо было научиться описывать движение точки хотя бы в одной системе отсчета.

Важным вопросом кинематики является установление связи между кинематическими величинами, характеризующими механическое движение в двух различных системах отсчета, движущихся друг относительно друга.

Вопросы для самопроверки

По реке плывет плот. Человек переходит из одной точки плота в другую в направлении, перпендикулярном течению реки. Начертите перемещение человека относительно плота, относительно берега, а также перемещение плота относительно берега.