Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 1. Механика (1111909), страница 17

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 17)

Можно ввести систему отсчета, свободно падающую в таком однородном гравитационном поле. На явлениях, происходящих в такой системе отсчета, наличие этого однородного 66 ЗАкОны ньютонА [гл, и гравитационного поля никак не сказывается. Здесь все происходит в точности так же, как в кабине космического корабля, свободно движущегося в космическом пространстве. В такой кабине космонавты не чувствуют наличия поля тяготения (невесомость). Переменные же гравитационные поля (гравитационные волны) слишком слабы. Попытки их экспериментального обнаружения стали предприниматься лишь в последнее время. Однако из-за малости ожидаемых эффектов гравитационные волны еще не обнаружены экспериментально.

Ограничимся здесь этими замечаниями, откладывая подробный разбор вопроса до гл. [Х. 2. В кинематике выбор системы отсчета не был существенным. Все системы отсчета кинематически эквивалентны. Не так обстоит дело в динамике. Уже закон инерции с особой остротой ставит вопрос о выборе системы отсчета. Одно и то же движение выглядит по-разному в разных системах отсчета. Если в какой-либо системе отсчета тело движется прямолинейно и равномерно, то в системе отсчета, движущейся относительно первой ускоренно, этого уже не будет. Отсюда следует, что закон инерции не может быть справедлив во всех системах отсчета.

Без указания системы отсчета он просто теряет смысл. Классическая механика постулирует, что существует система отсчета, в которой все свободные тела движутся прямолинейно и равномерно. Такая система называется инерциальной системой отсчета. Содержание закона инерции, в сущности, сводится к утверждению, что существует по крайней мере одна инерциальная система отсчета. Это утверждение является обобщением громадной совокупности опытных фактов. Точно так же только опытным путем можно установить, какие системы отсчета являются инерциальными, а какие— не инерциальными.

Допустим, например, что речь идет о движении звезд и других астрономических объектов в доступной нашему наблюдению части Вселенной. Тогда можно утверждать, что система отсчета, в которой Земля принимается неподвижной (такую систему мы будем называть земной), не будет инерциальной. Действительно, в такой системе звезды совершают суточные вращения на небесном своде. Так как расстояния до звезд очень велики, то прн этом раз- ' виваются очень большие центростремительные ускорения, направленные к Земле. Между тем каждая звезда, ввиду ее громадной удаленности от других небесных тел, практически является свободной. Свободное движение звезды в земной системе отсчета совершается по кругу, а не по прямой линии.

Оно не подчиняется закону инерции, а потому земная система отсчета не будет инерциальной. Надо испытать на инерциальность другие системы отсчета. Попробуем взять гелиог(ентрическую сиспыму отсчета, иначе называемую системой Коперника. Это есть координатная система, начало которой помещено в центре Солнца (точнее, в центре масс Солнечной системы), а координатные оси являются прямыми, направленными э 9] ЗАКОН ИНЕРЦИИ ИНЕРЦИАЛЬНАЯ СИСТЕМА ОТСЧЕТА 67 на три удаленные звезды и не лежащими в одной плоскости. Материальными объектами, с помощью которых реализуются эти оси, являются световые лучи, приходящие от звезд в Солнечную систему.

Благодаря относительному движению звезд углы между координатными осями в системе Коперника не остаются постояннылли, а медленно изменяются с течением времени. Однако ввиду колос- сальности расстояний до звезд изменения направлений координатных осей происходят настолько медленно, что, как правило, их можно не принимать во внимание.

Система Коперника практически является инерциальной системой по крайней мере при изучении движений, происходяших в масштабе нашей планетной системы, а также всякой другой системы, размеры которой малы по сравнению с расстояниями до тех трех звезд, которые в системе Коперника выбраны в качестве опорных. Зто доказывается опытами, болыпинство из которых являются косвенными. Некоторые прямые опыты (маятник Фуко и пр.) будут рассмотрены в гл. 1Х.

Зти же опыты доказывают неинерциальность земной системы отсчета. 3. Неинерциальность земной системы отсчета объясняется тем, что Земля вращается вокруг собственной оси и вокруг Солнца, т. е. движется ускоренно относительно системы Коперника. Впрочем, оба эти врашения происходят медленно '). Поэтому по отношению к громадному кругу явлений земная система отсчета ведет себя практически как инерциальная система. Обычные, сравнительно грубые наблюдения и опыты над движением тел не позволяют обнаружить отступления от инерциальности земной системы отсчета.

Для этого требуются более точные и тонкие опыты. Вот почему прп установлении основных законов динамики можно начать с изучения движения тел относительно Земли, отвлекаясь от ее вращения, т. е. принять Землю за приблизителвно инерциальную систему отсчета. 4. Если три звезды, используемые в системе Коперника для фиксирования направлений координатных осей, принадлежат нашей Галактике, то, разумеется, такая система может играть роль няерциальной или, точнее, приблизительно инерциальной системы отсчета только тогда, когда речь идет о движении объектов, малых по сравнению с размерами Галактики, например, о движении Солнечной системы или ее частей.

Но при рассмотрении движений всей Галактики или нескольких галактик это будет уже не так. Тогда для построения (приблизительно) инерциальной системы отсчета можно использовать какие-либо другие четыре астрономических объекта, расстояния между которыми весьма велики по сравнению с размерами области пространства, внутри которой совершается движение рассматриваемых тел.

Центр одного из этих *) В каком смысле следует понимать медленность вращения — это выяснится в тл. 1Х. 1гл. и зАкОны ньютонА астрономических объектов можно принять за начало координат, а остальные три объекта использовать для фиксирования направлений координатных осей. При изучении движения тел мы будем сначала предполагать, что движение отнесено к инерциальной системе отсчета. После этого в гл. 1Х мы изучим, как изменится форма законов движения, когда оно рассматривается относительно неинерциальных систем отсчета. й 1О, Масса. Закон сохранения импульса 1. Всякое тело оказывает сопротивление при попытках привести его в движение или изменить величину или направление его скорости.

Это свойство тел называется инертностью. У разных тел оно проявляется в разной степени. Так, сообщить одно и то же ускорение большому камню значительно труднее, чем маленькому мячику. Мера инертности тела называется массой Для точного количественного определения массы введем понятие изолированной или замкнутой системы. Так называют систему тел, настолько удаленных от всех остальных тел, что они практически не оказывают никакого действия на рассматриваемую систему. Тела системы могут взаимодействовать только между собой.

Рассмотрим теперь изолированную систему, состоящую из двух материальных точек. Скорости точек должны быть малы по сравнению со скоростью света. В результате взаимодействия материальных точек их скорости меняются. Пусть е, — скорость точки 1, 222— скорость точки 2, а Лег и Ле, — приращения этих скоростей за один и тот же промежуток времени Лй Величины Л22, и Ле, имеют противоположные направления и связаны между собои соотношением гп1 Л2~1 т2 Л~~2 (10.1) где величины т, и т, постоянны и имеют одинаковые знаки.

Они совершенно не зависят от характера взаимодействия между материальными точками 1 и 2. Например, взаимодействие может происходить путем столкновения материальных точек между собой. Его можно осуществить, сообщив материальным точкам электрические заряды или поместив между ними маленькую пружинку и т. д. Продолжительность времени Л1 можно менять произвольным образом. Векторы Л22„и Л222 при этом будут меняться. Однако коэффициенты т, и т„точнее, их отношение, останутся одними и теми же. Эти результаты надо рассматривать как опытные факты, подтвержденные бесчисленным множеством примеров. Коэффициенты т, и т, могут зависеть только от самих материальных пючек системы.

Они называются массами или, точнее, инертными массами материальных точек 1 и 2. Таким образом, по определению, отношение масс двух материальных точек равно взятому с противоположным знаком отношению МАССА. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ИМПУЛЬСА $10] приращений скоростей этих точек в результате взаимодействия между ними. При этом предполагается, что рассматриваемые точки образуют изолированную систему и движутся с нерелятивистскнми скоростями.

Характеристики

Список файлов книги