Свободный груз в разгоняющемся вагоне
Включи ускорение вагона и сравни положение груза для двух наблюдателей.
Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.
В начальный момент вагон и груз покоятся. Горизонтальных сил на груз нет, пол идеально гладкий; вертикальные силы компенсированы. Размер вагона условный.
Взаимодействие: кто действует на тело
Сила — количественная характеристика взаимодействия тел. Она имеет модуль, направление и точку приложения. Чтобы составить схему сил, сначала выдели одно тело, затем перечисли взаимодействия: с Землёй, опорой, нитью, воздухом и другими объектами.
На книге на столе действуют сила тяжести вниз и реакция опоры вверх. Это силы, приложенные к книге. Сила давления книги на стол относится к другому телу и не входит в сумму сил для книги. Одно контактное взаимодействие иногда удобно разделять на нормальную силу и трение.
Выбрать тело
Что рассматриваем как систему?
Найти взаимодействия
Какие другие тела действуют?
Нарисовать силы
Каждую приложить к выбранному телу
В сумму сил для тела включают только силы, действующие на это тело.
Почему нельзя считать силы только по числу нарисованных стрелок?
Стрелки могут изображать составляющие одной силы или силы на разных телах. Нужно установить физический смысл каждой.
Инерция: скорость без изменения
Если результирующая сил равна нулю, скорость тела в инерциальной системе остаётся постоянной. Тело может покоиться или двигаться равномерно и прямолинейно. Для поддержания уже имеющейся скорости не требуется ненулевая результирующая.
В реальности движущаяся тележка часто замедляется из-за трения и сопротивления. Толкание с постоянной скоростью означает, что приложенная сила компенсирует сопротивление. Прекращение толкания оставляет сопротивление нескомпенсированным.
| Результирующая | Возможное движение в ИСО |
|---|---|
| Равна нулю | Покой или постоянная скорость |
| Не равна нулю | Скорость изменяется |
| Тяга равна сопротивлению | Равномерное прямолинейное движение |
Нулевая результирующая означает постоянную скорость, а не обязательно покой.
Почему шайба на льду движется дольше, чем на ковре?
Сопротивление на льду обычно меньше, поэтому скорость изменяется медленнее. Это приближает опыт к движению по инерции.
Грузовой поезд в Южной Австралии
Равномерно движущийся вагон и разгоняющийся вагон задают разные по свойствам системы отсчёта.
Tomoyn · CC BY 4.0 · Источник фотографии.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Международная космическая станция над Землёй
Орбитальная станция постоянно ускоряется к Земле. Невесомость внутри не означает отсутствия тяготения.
NASA · Общественное достояние · Источник фотографии.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Система: где выполняется закон
Инерциальной называют систему, в которой свободное тело покоится или движется равномерно и прямолинейно. Первый закон Ньютона утверждает существование таких систем. Система, движущаяся относительно инерциальной равномерно и прямолинейно без вращения, тоже инерциальна.
Разгоняющийся автомобиль и вращающаяся карусель — неинерциальные системы. Относительно них свободное тело может иметь ускорение даже при отсутствии результирующей реальных сил. Земную лабораторию часто считают приближённо инерциальной, когда влиянием вращения Земли можно пренебречь.
ИСО
Свободное тело сохраняет скорость
Равномерный перенос без вращения
Сохраняет инерциальность
Разгон или вращение системы
Обычно нарушает инерциальность
Первый закон Ньютона относится к инерциальным системам отсчёта.
Является ли равномерно вращающаяся система инерциальной?
Нет. Постоянство частоты вращения не устраняет изменение направления движения её точек.
Опыт: свободный груз и вагон
Представим свободный груз на очень гладком полу. Относительно земли он сохраняет скорость, если горизонтальных сил нет. Если вагон разгоняется, относительно вагона груз смещается назад; при торможении — вперёд.
Это не означает, что на груз обязательно действует реальная сила назад или вперёд. Изменяется движение самого наблюдателя. В модели сравниваются координаты груза относительно земли и разгоняющейся системы; вертикальные силы считаются скомпенсированными.
Груз без горизонтальной силы
Сохраняет скорость относительно земли
Вагон меняет скорость
Его начало координат движется иначе
Наблюдение из вагона
Появляется относительное ускорение
Кажущееся ускорение может быть следствием ускоренного движения системы отсчёта.
Почему при торможении нужен ремень безопасности?
Тело стремится сохранить прежнюю скорость относительно дороги. Ремень прикладывает силу, необходимую для изменения этой скорости вместе с автомобилем.
Шесть выводов
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе
Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.
Учебный источник и иллюстрации
Основа: предоставленный учебник «Физика, 9 класс», § 15. Тема и содержание сверены с файлом «9 класс. Физика — § 15. Инерциальные системы отсчета.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.
Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.