Інерціальні системи відліку

Володіючи початковими даними, для будь-якого рухомого тіла можна розрахувати значення його прискорення, швидкості, розташування (координат) та ін. Усі подібні розрахунки виконуються в рамках кінематики. Однак даний розділ науки не вивчає самих процесів, що виникають при механічному переміщенні. Відповісти на питання про характеристики руху, причини імпульсу прискорення може динаміка.

Візьмемо коробок з одним сірником всередині і почнемо його переміщати по столу в одному напрямку з однією і тією ж швидкістю. Що відбувається із сірником? Вона покоїться або переміщається? Все залежить від того, яку систему відліку ми виберемо основний. По відношенню до коробку сірник спочиває, а от якщо подивитися на події з боку (наприклад, того ж столу), то переміщається. Загальне в обох випадках те, що швидкість сірники постійна. Для її зміни необхідно надати на коробок і сірник зовнішній вплив, наприклад, зіштовхнути зі столу. Саме цим характеризуються інерціальні системи відліку. Припустимо, що ми знаходимося в коробці поруч із сірником. Так як зовнішній вплив неочевидно, то в момент падіння можна подумати, ніби сірник сама по собі прийшла в рух, придбавши імпульс прискорення. А от якщо подивитися на події, перебуваючи на столі, то поведінка сірники легко пояснюється зміною швидкості руху коробка. Фактично, ми описали інерціальні і неінерціальні системи відліку. Для перших характерно дію сторонніх сил, а для других отримане прискорення зовнішніми силами пояснити не можна. У даному прикладі інерціальні системи відліку пов`язані з поверхнею столу і будь-яким іншим предметом поза коробка, оскільки очевидно зовнішній вплив на досліджуваний об`єкт. Проблемою систем відліку цікавилися такі видатні вчені старовини, як Галілей і Арістотель. Лише в 17 столітті І. Ньютон на основі їхніх робіт сформулював своє перше правило інерції, більш відоме як Перший закон Ньютона.

Він говорить, що припустимо існування таких систем відліку, при яких на тіло не виявляється зовнішнього впливу з боку інших тіл, а швидкість руху не змінюється ні за значенням, ні за спрямованістю. Якщо впливів кілька, але вони врівноважуються, то діє те ж правило, яке використовують інерціальні системи відліку (ІСО). Якщо розглядати одну систему відліку відносно іншої, при незмінних модулі та значенні швидкості, то можна стверджувати, що в природі існує величезна кількість ІСО. Отже, інерціальні системи відліку оточують нас всюди.

Набагато простіше зрозуміти Перший закон Ньютона, якщо ознайомитися з висновками його попередників - Аристотеля і Галілея.

Аристотель стверджував, що якщо на тіло не виявляється будь-якого стороннього впливу, то природне його стан - спокій. У разі ж переміщення тіла з постійною швидкістю має бути присутня зовнішня сила.

Галілей доповнив ці висновки: відсутність зовнішнього впливу зовсім не означає, що тіло не може рухатися рівномірно і без зміни напрямку. Сама ж сила, що надає дію, розтрачується на компенсацію тяжіння, тертя та ін.

Інерціальна система повністю заснована на Першому законі, згідно з яким будь-яке тіло покоїться або рівномірно рухається до тих пір, поки зовнішня сила не змінює його стану. Важлива особливість: цей закон можна виконується не у всіх можливих системах відліку.

Інерціальна система блискуче підтверджується і активно використовується в небесній механіці і космонавтиці (Геліоцентрична система). При цьому слід застерегти, що не існує такої системи відліку, яка б була інерціальної для всіх можливих процесів даної системи.