Инерциальные системы отсчета. Закон инерции

В кинематике, где речь идет лишь об описании движений и не затрагивается вопрос о причинах, вызывающих эти движения, никакой принципиальной разницы между различными системами отсчета нет, и все они в этом отношении равноправны. Совершенно иначе обстоит дело в динамике — при изучении законов движения. Здесь обнаруживается существенное различие между разными системами отсчета.

В принципе можно взять любую из бесчисленного множества систем отсчета. Однако законы механики в разных системах отсчета имеют, вообще говоря, различный вид и может оказаться, что в произвольной системе отсчета законы даже совсем простых явлений будут весьма сложными. Естественно, возникает задача отыскания такой системы отсчета, в которой законы механики были бы возможно более простыми. Такая система отсчета, очевидно, наиболее удобна для описания механических явлений.

Для решения этой задачи рассмотрим ускорение материальной точки относительно некоторой произвольной системы отсчета. Какова причина этого ускорения? Опыт показывает, что этой причиной могут быть как действие на данную точку каких-то определенных тел, так и свойства самой системы отсчета (действительно, относительно разных систем отсчета ускорение в общем случае будет различным).

Можно, однако, предположить, что существует такая система отсчета, в которой ускорение материальной точки целиком обусловлено только взаимодействием ее с другими телами. Свободная материальная точка, не подверженная действию никаких других тел, движется относительно такой системы отсчета прямолинейно и равномерно, или, как говорят, по инерции. Такую систему отсчета называют инерциальной.

Утверждение, что инерциальные системы отсчета существуют, составляет содержание первого законамеханики– закона инерции Галилея—Ньютона.

Существование инерциальных систем отсчета подтверждается опытом. Первоначальными опытами было установлено, что такой системой отсчета является Земля. Последующие более точные опыты (опыт Фуко и все аналогичные ему) показали, что эта система отсчета не совсем инерциальная. В ней были обнаружены ускорения, существование которых нельзя объяснить действием каких-либо определенных тел. В то же время, наблюдения над ускорениями планет показали инерциальность гелиоцентрической системы отсчета, связанной с центром Солнца и «неподвижными звездами». В настоящее время инерциальность гелиоцентрической системы отсчета подтверждается всей совокупностью опытов. Однако, с большой степенью точности в задачах, которые мы в дальнейшем будем рассматривать, систему отсчета, связанную с Землей, можно полагать инерциальной

Любая другая система отсчета, движущаяся равномерно и прямолинейно относительно инерциальной системы, является также инерциальной.

Таким образом, существует не одна, а бесчисленное множество инерциальных систем отсчета, движущихся друг относительно друга прямолинейно и равномерно. Системы отсчета, движущиеся с ускорением относительно инерциальных систем, называют неинерциальными.

О свойствах симметрии пространства и времени.Важной особенностью инерциальных систем отсчета является то, что по отношению к ним пространство и время обладают определенными свойствами симметрии. А именно: опыт убеждает, что в этих системах отсчета пространство однородно и изотропно, а время однородно.

Однородность и изотропность пространства заключаются в том, что свойства пространства одинаковы в различных точках (однородность), а в каждой точке одинаковы во всех направлениях (изотропность).

Однородность времени заключается в том, что протекание физических явлений (в одних и тех же условиях) в разное время их наблюдения одинаково. Иначе говоря, различные моменты времени эквивалентны друг другу по своим физическим свойствам.

Заметим, что по отношению к неинерциальным системам отсчета пространство является неоднородным и неизотропным. Это значит, что если какое-либо тело не взаимодействует ни с какими другими телами, то, тем не менее его различные положения в пространстве и его различные ориентации в механическом отношении не эквивалентны. То же самое относится в общем случае и ко времени, которое будет неоднородным (в неинерциальных системах), т. е. его различные моменты не эквивалентны. Ясно, что такие свойства пространства и времени вносили бы большие усложнения в описание механических явлений. Так, например, тело, не подверженное действию со стороны других тел, не могло бы покоиться: если его скорость в некоторый момент времени и равна нулю, то уже в следующий момент тело начало бы двигаться в определенном направлении.