คำจำกัดความของระบบเฉื่อย กรอบอ้างอิงเฉื่อย: กฎข้อที่หนึ่งของนิวตัน

กฎข้อที่หนึ่งของนิวตันระบุไว้ดังนี้: ร่างกายที่ไม่ได้รับอิทธิพลจากภายนอกจะอยู่นิ่งหรือเคลื่อนไหวเป็นเส้นตรงและสม่ำเสมอ- กายอย่างนี้เรียกว่า ฟรีและการเคลื่อนที่ของมันคือการเคลื่อนที่อย่างอิสระหรือการเคลื่อนไหวโดยความเฉื่อย คุณสมบัติของร่างกายเพื่อรักษาสภาพการพักผ่อนหรือเครื่องแบบ การเคลื่อนไหวเป็นเส้นตรงในกรณีที่ไม่มีอิทธิพลจากวัตถุอื่นจึงเรียกว่า ความเฉื่อย- ดังนั้นกฎข้อแรกของนิวตันจึงเรียกว่ากฎความเฉื่อย ร่างกายที่เป็นอิสระพูดอย่างเคร่งครัดไม่มีอยู่จริง อย่างไรก็ตาม เป็นเรื่องปกติที่จะสรุปได้ว่ายิ่งอนุภาคอยู่ห่างจากวัตถุวัตถุอื่นๆ มากเท่าใด ผลกระทบต่ออนุภาคก็จะน้อยลงเท่านั้น เมื่อจินตนาการว่าอิทธิพลเหล่านี้ลดลง ในที่สุดเราก็มาถึงแนวคิดเรื่องร่างกายที่เป็นอิสระและการเคลื่อนไหวอย่างอิสระ

เป็นไปไม่ได้ที่จะตรวจสอบสมมติฐานเกี่ยวกับธรรมชาติของการเคลื่อนที่ของอนุภาคอิสระโดยการทดลองเนื่องจากเป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างข้อเท็จจริงของการไม่มีปฏิสัมพันธ์ได้อย่างน่าเชื่อถืออย่างแน่นอน คุณสามารถสร้างแบบจำลองด้วยความแม่นยำระดับหนึ่งเท่านั้น สถานการณ์นี้โดยใช้ข้อเท็จจริงเชิงทดลองเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ที่ลดลงระหว่างวัตถุที่อยู่ห่างไกล ลักษณะทั่วไปของข้อเท็จจริงเชิงทดลองจำนวนหนึ่ง ตลอดจนความบังเอิญของผลที่ตามมาที่เกิดจากกฎหมายพร้อมข้อมูลการทดลองพิสูจน์ความถูกต้อง เมื่อเคลื่อนที่ ร่างกายจะรักษาความเร็วไว้นานขึ้น ผลกระทบของวัตถุอื่นที่มีต่อร่างกายก็จะยิ่งอ่อนลง ตัวอย่างเช่น หินที่เลื่อนไปตามพื้นผิวจะเคลื่อนที่นานขึ้น พื้นผิวนี้ก็จะยิ่งเรียบมากขึ้นเท่านั้น นั่นก็คือ ผลกระทบที่พื้นผิวนี้มีต่อหินก็จะน้อยลงเท่านั้น

การเคลื่อนไหวทางกลค่อนข้างและลักษณะของมันขึ้นอยู่กับกรอบอ้างอิง ในทางจลนศาสตร์ การเลือกระบบอ้างอิงไม่มีนัยสำคัญ นี่ไม่ใช่กรณีในไดนามิก หากในระบบอ้างอิงใดๆ วัตถุเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงและสม่ำเสมอ จากนั้นในระบบอ้างอิงเคลื่อนที่ด้วยความเร่งสัมพันธ์กับวัตถุแรก สิ่งนี้จะไม่เป็นเช่นนั้นอีกต่อไป เป็นไปตามที่ว่ากฎความเฉื่อยไม่สามารถใช้ได้ในทุกระบบอ้างอิง กลศาสตร์คลาสสิกยืนยันว่าทุกสิ่งมีกรอบอ้างอิง ร่างกายฟรีเคลื่อนที่ตรงและสม่ำเสมอ ระบบอ้างอิงดังกล่าวเรียกว่าระบบอ้างอิงเฉื่อย (IRS) โดยพื้นฐานแล้วเนื้อหาของกฎความเฉื่อยลงมาที่ข้อความว่ามีระบบอ้างอิงดังกล่าวซึ่งร่างกายซึ่งไม่อยู่ภายใต้อิทธิพลจากภายนอกเคลื่อนไหวอย่างสม่ำเสมอและเป็นเส้นตรงหรืออยู่นิ่ง

เป็นไปได้ที่จะระบุได้ว่าระบบอ้างอิงใดเป็นแบบเฉื่อยและระบบอ้างอิงใดที่ไม่เฉื่อยในการทดลองเท่านั้น ตัวอย่างเช่น สมมติว่าเรากำลังพูดถึงการเคลื่อนที่ของดวงดาวและวัตถุทางดาราศาสตร์อื่นๆ ในส่วนของจักรวาลที่เราสังเกตการณ์ได้ ให้เราเลือกระบบอ้างอิงที่ถือว่าโลกไม่เคลื่อนที่ (เราจะเรียกระบบดังกล่าวว่าภาคพื้นดิน) มันจะเป็นเฉื่อยหรือไม่?

คุณสามารถเลือกดาวเป็นตัวอิสระได้ แท้จริงแล้วดาวแต่ละดวงนั้นเนื่องมาจากมันอยู่ห่างจากดวงอื่นอย่างมหาศาล เทห์ฟากฟ้าถือเป็นร่างกายที่เป็นอิสระอย่างแท้จริง อย่างไรก็ตาม ในกรอบอ้างอิงของโลก ดวงดาวจะโคจรรอบตัวเองในท้องฟ้าทุกวัน และด้วยเหตุนี้จึงเคลื่อนที่ด้วยความเร่งมุ่งสู่ศูนย์กลางโลก ดังนั้น การเคลื่อนที่ของวัตถุอิสระ (ดวงดาว) ในกรอบอ้างอิงของโลกจึงเกิดขึ้นเป็นวงกลม ไม่ใช่เป็นเส้นตรง มันไม่เป็นไปตามกฎความเฉื่อย ดังนั้น กรอบอ้างอิงของโลกจึงไม่มีความเฉื่อย

ดังนั้น ในการแก้ปัญหา จำเป็นต้องตรวจสอบระบบอ้างอิงอื่นๆ เพื่อดูความเฉื่อย ให้เราเลือกดวงอาทิตย์เป็นตัวอ้างอิง ระบบอ้างอิงนี้เรียกว่าระบบอ้างอิงเฮลิโอเซนตริกหรือระบบโคเปอร์นิคัส แกนพิกัดของระบบพิกัดที่เกี่ยวข้องนั้นเป็นเส้นตรงที่มุ่งไปยังดาวฤกษ์ที่อยู่ไกลออกไปสามดวงซึ่งไม่อยู่ในระนาบเดียวกัน (รูปที่ 2.1)

ดังนั้นเมื่อศึกษาการเคลื่อนที่ที่เกิดขึ้นตามมาตราส่วนของระบบดาวเคราะห์ของเราตลอดจนระบบอื่นใดซึ่งมีมิติที่เล็กเมื่อเทียบกับระยะห่างของดาวทั้งสามดวงนั้นที่ได้รับเลือกให้เป็นดาวอ้างอิงในระบบโคเปอร์นิคัส ระบบโคเปอร์นิกัน ในทางปฏิบัติแล้วเป็นระบบอ้างอิงเฉื่อย

ตัวอย่าง

การไม่เฉื่อยของระบบอ้างอิงของโลกอธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าโลกหมุนรอบแกนของมันเองและรอบดวงอาทิตย์ กล่าวคือ มันเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร่งที่สัมพันธ์กับระบบโคเปอร์นิกัน เนื่องจากการหมุนทั้งสองครั้งนี้เกิดขึ้นอย่างช้าๆ เมื่อสัมพันธ์กับปรากฏการณ์ต่างๆ มากมาย ระบบภาคพื้นดินจึงมีพฤติกรรมเหมือนกับระบบเฉื่อย นั่นคือเหตุผลที่ว่าทำไมการสร้างกฎพื้นฐานของพลศาสตร์สามารถเริ่มต้นได้โดยการศึกษาการเคลื่อนที่ของวัตถุที่สัมพันธ์กับโลก โดยสรุปจากการหมุนของมัน นั่นคือ กำหนดให้โลกมีค่าประมาณ ISO

พลัง. น้ำหนักตัว

ตามประสบการณ์แสดงให้เห็น การเปลี่ยนแปลงความเร็วของร่างกายเกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของวัตถุอื่น ในกลศาสตร์ กระบวนการเปลี่ยนธรรมชาติของการเคลื่อนไหวภายใต้อิทธิพลของวัตถุอื่นเรียกว่าปฏิสัมพันธ์ของวัตถุ ในการอธิบายลักษณะความเข้มข้นของปฏิสัมพันธ์นี้ในเชิงปริมาณ นิวตันได้แนะนำแนวคิดเรื่องแรง แรงไม่เพียงแต่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความเร็วของวัตถุเท่านั้น แต่ยังทำให้เกิดการเสียรูปด้วย ดังนั้น แนวคิดเรื่องแรงจึงสามารถให้คำจำกัดความได้ดังนี้ แรง – การวัดเชิงปริมาณปฏิสัมพันธ์ของวัตถุอย่างน้อยสองชิ้นทำให้ร่างกายเร่งหรือเปลี่ยนรูปร่างหรือทั้งสองอย่าง

ตัวอย่างของการเสียรูปของร่างกายภายใต้อิทธิพลของแรงคือสปริงที่ถูกบีบอัดหรือยืดออก ใช้เป็นมาตรฐานของแรงได้ง่าย หน่วยของแรงคือ แรงยืดหยุ่นที่กระทำในสปริง ยืดหรือบีบอัดในระดับหนึ่ง เมื่อใช้มาตรฐานดังกล่าว คุณสามารถเปรียบเทียบแรงและศึกษาคุณสมบัติของพวกมันได้ กองกำลังมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้

ü แรงเป็นปริมาณเวกเตอร์และมีคุณลักษณะเฉพาะด้วยทิศทาง ขนาด (ค่าตัวเลข) และจุดใช้งาน แรงที่กระทำต่อวัตถุหนึ่งจะรวมกันตามกฎรูปสี่เหลี่ยมด้านขนาน

ü แรงเป็นสาเหตุของความเร่ง ทิศทางของเวกเตอร์ความเร่งขนานกับเวกเตอร์แรง

ü พลังงานมีต้นกำเนิดจากวัตถุ ไม่มีวัตถุ - ไม่มีแรง

ü ผลกระทบของแรงไม่ได้ขึ้นอยู่กับว่าร่างกายอยู่นิ่งหรือเคลื่อนไหว

ü เมื่อแรงหลายแรงกระทำพร้อมกัน ร่างกายจะได้รับความเร่งเดียวกันกับที่ร่างกายจะได้รับภายใต้การกระทำของแรงลัพธ์

ข้อความสุดท้ายประกอบด้วยเนื้อหาของหลักการซ้อนทับของกองกำลัง หลักการของการซ้อนทับนั้นขึ้นอยู่กับแนวคิดเรื่องความเป็นอิสระของการกระทำของกองกำลัง: แรงแต่ละแรงให้ความเร่งเดียวกันกับร่างกายที่เป็นปัญหาโดยไม่คำนึงว่ามันจะทำหน้าที่เท่านั้นหรือไม่ ฉัน- แหล่งที่มาของกำลังหรือแหล่งที่มาทั้งหมดพร้อมกัน สิ่งนี้สามารถกำหนดได้แตกต่างกัน แรงที่อนุภาคหนึ่งกระทำต่ออีกอนุภาคหนึ่งขึ้นอยู่กับเวกเตอร์รัศมีและความเร็วของอนุภาคทั้งสองนี้เท่านั้น การมีอยู่ของอนุภาคอื่นไม่ส่งผลต่อแรงนี้ คุณสมบัตินี้มีชื่อว่า กฎหมายอิสรภาพการกระทำของแรงหรือกฎปฏิสัมพันธ์คู่ ขอบเขตของการบังคับใช้กฎหมายนี้ครอบคลุมถึงกลศาสตร์คลาสสิกทั้งหมด

ในทางกลับกัน เพื่อแก้ไขปัญหาต่างๆ มากมาย อาจจำเป็นต้องค้นหากองกำลังหลายตัวที่จะมาแทนที่กำลังหนึ่งที่ได้รับจากการกระทำร่วมกันของพวกมันได้ การดำเนินการนี้เรียกว่าการสลายตัวของแรงที่กำหนดให้เป็นส่วนประกอบ

จากประสบการณ์เป็นที่ทราบกันดีว่าภายใต้ปฏิสัมพันธ์เดียวกัน ร่างกายที่แตกต่างกันจะเปลี่ยนความเร็วในการเคลื่อนที่ต่างกัน ธรรมชาติของการเปลี่ยนแปลงความเร็วในการเคลื่อนที่ไม่เพียงขึ้นอยู่กับขนาดของแรงและเวลาของการกระทำเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของร่างกายด้วย ดังที่ประสบการณ์แสดงให้เห็น สำหรับวัตถุที่กำหนด อัตราส่วนของแรงแต่ละแรงที่กระทำต่อแรงนี้ต่อความเร่งที่เกิดจากแรงนี้จะมีค่าคงที่ - อัตราส่วนนี้ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของตัวเร่งและเรียกว่า มวลเฉื่อยร่างกาย ดังนั้น มวลของร่างกายจึงถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนของแรงที่กระทำต่อร่างกายต่อความเร่งที่เกิดจากแรงนี้ ยิ่งมีมวลมากเท่าใด แรงที่จำเป็นในการเพิ่มความเร่งให้กับร่างกายก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ดูเหมือนว่าร่างกายจะต่อต้านความพยายามที่จะเปลี่ยนความเร็ว

คุณสมบัติของวัตถุซึ่งแสดงออกมาในความสามารถในการรักษาสถานะไว้เมื่อเวลาผ่านไป (ความเร็วของการเคลื่อนไหว ทิศทางของการเคลื่อนไหว หรือสถานะที่เหลือ) เรียกว่าความเฉื่อย การวัดความเฉื่อยของร่างกายคือมวลเฉื่อยของมัน ภายใต้อิทธิพลเดียวกันจากวัตถุโดยรอบ วัตถุหนึ่งสามารถเปลี่ยนความเร็วได้อย่างรวดเร็ว ในขณะที่อีกวัตถุหนึ่งสามารถเปลี่ยนได้ช้ากว่ามากภายใต้สภาวะเดียวกัน (รูปที่ 2.2) เป็นเรื่องปกติที่จะกล่าวว่าวัตถุชิ้นที่สองจากทั้งสองชิ้นนี้มีความเฉื่อยมากกว่า หรืออีกนัยหนึ่ง วัตถุชิ้นที่สองมีมวลมากกว่า ในระบบสากล หน่วย (SI) น้ำหนักตัวมีหน่วยวัดเป็นกิโลกรัม (กก.) แนวคิดเรื่องมวลไม่สามารถลดลงเป็นแนวคิดที่เรียบง่ายกว่านี้ได้ ยิ่งมวลของร่างกายมากขึ้น ความเร่งก็จะน้อยลงภายใต้อิทธิพลของแรงเดียวกัน ยิ่งมีความแข็งแกร่งมากเท่าไรอัตราเร่งสูง และอื่นๆ อีกมากมายความเร็วเทอร์มินัล

ร่างกายจะเคลื่อนไหว หน่วย SI ของแรงคือ N (นิวตัน) หนึ่ง N (นิวตัน) เป็นตัวเลขเท่ากับแรงที่ส่งให้กับวัตถุที่มีมวล = 1 มกก

การเร่งความเร็ว

ความคิดเห็น

ความสัมพันธ์จะใช้ได้เฉพาะที่ความเร็วต่ำเพียงพอเท่านั้น เมื่อความเร็วเพิ่มขึ้น อัตราส่วนนี้จะเปลี่ยนแปลง โดยเพิ่มขึ้นตามความเร็ว

กฎข้อที่สองของนิวตัน

จากประสบการณ์พบว่าในระบบอ้างอิงเฉื่อย ความเร่งของวัตถุจะเป็นสัดส่วนกับผลรวมเวกเตอร์ของแรงทั้งหมดที่กระทำต่อวัตถุ และเป็นสัดส่วนผกผันกับมวลของวัตถุ:

กฎข้อที่สองของนิวตันแสดงความสัมพันธ์ระหว่างผลลัพธ์ของแรงทั้งหมดและความเร่งที่เกิดขึ้น: นี่คือการเปลี่ยนแปลงของโมเมนตัมจุดวัสดุ

เป็นเวลา ให้เรากำหนดช่วงเวลาเป็นศูนย์:

	ในบรรดาความบันเทิงประเภทสุดขั้วการกระโดดบันจี้จัมพ์หรือบันจี้จัมพ์ก็เป็นสถานที่พิเศษ ในเมืองเจฟฟรีย์เบย์มี "บันจี้จัม" ที่ใหญ่ที่สุดที่บันทึกไว้ - 221 ม. มีการระบุไว้ใน Guinness Book of Records ด้วยซ้ำ คำนวณความยาวของเชือกเพื่อที่ว่าเมื่อมีคนกระโดดลงมา เขาจะหยุดที่ขอบน้ำหรือเพียงแค่สัมผัสมัน ผู้กระโดดจะถูกรั้งไว้ด้วยแรงยืดหยุ่นของเชือกที่ผิดรูป โดยปกติแล้วสายเคเบิลจะประกอบด้วยเส้นยางหลายเส้นที่ถักเข้าด้วยกัน ดังนั้นเมื่อล้ม สายเคเบิลจะสปริงกลับ ป้องกันไม่ให้ขาของจัมเปอร์หลุดออก และเพิ่มความรู้สึกในการกระโดด ตามกฎข้อที่สองของนิวตัน การเพิ่มเวลาปฏิสัมพันธ์ระหว่างจัมเปอร์กับเชือกจะทำให้แรงที่กระทำต่อบุคคลจากเชือกลดลง
	ในการรับลูกบอลที่บินด้วยความเร็วสูงเมื่อเล่นวอลเลย์บอลคุณต้องขยับมือไปในทิศทางที่ลูกบอลเคลื่อนที่ ในเวลาเดียวกัน เวลาโต้ตอบกับลูกบอลจะเพิ่มขึ้น ดังนั้นตามกฎข้อที่สองของนิวตันโดยสมบูรณ์ ขนาดของแรงที่กระทำบนเข็มนาฬิกาจะลดลง

กฎข้อที่สองของนิวตันนำเสนอในรูปแบบนี้ประกอบด้วยกฎใหม่ ปริมาณทางกายภาพ– แรงกระตุ้น ที่ความเร็วใกล้กับความเร็วแสงในสุญญากาศ โมเมนตัมจะกลายเป็นปริมาณหลักที่วัดได้ในการทดลอง ดังนั้น สมการ (2.2) จึงเป็นลักษณะทั่วไปของสมการการเคลื่อนที่กับความเร็วสัมพัทธภาพ

ดังที่เห็นได้จากสมการ (2.2) ถ้า แล้ว คงที่ตามมาว่ามันคงที่ กล่าวคือ แรงกระตุ้น และความเร็วของจุดวัตถุที่เคลื่อนที่อย่างอิสระจะคงที่ ดังนั้น อย่างเป็นทางการ กฎข้อแรกของนิวตันจึงเป็นผลมาจากกฎข้อที่สอง เหตุใดจึงโดดเด่นในฐานะกฎหมายอิสระ? ความจริงก็คือสมการที่แสดงกฎข้อที่สองของนิวตันจะสมเหตุสมผลเมื่อมีการระบุระบบอ้างอิงที่ถูกต้องเท่านั้น กฎข้อแรกของนิวตันช่วยให้เราสามารถเลือกระบบอ้างอิงดังกล่าวได้ เขาอ้างว่ามีกรอบอ้างอิงซึ่งจุดวัสดุอิสระเคลื่อนที่โดยไม่มีความเร่ง ในระบบอ้างอิงดังกล่าว การเคลื่อนที่ของจุดวัสดุใดๆ จะเป็นไปตามสมการการเคลื่อนที่ของนิวตัน ดังนั้นโดยพื้นฐานแล้ว กฎข้อแรกจึงไม่สามารถพิจารณาได้ว่าเป็นผลเชิงตรรกะอย่างง่าย ๆ ของกฎข้อที่สอง ความเชื่อมโยงระหว่างกฎหมายเหล่านี้ลึกซึ้งยิ่งขึ้น

จากสมการ (2.2) เป็นไปตามนั้น นั่นคือการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมที่น้อยที่สุดในช่วงเวลาที่น้อยที่สุดจะเท่ากับผลคูณที่เรียกว่า แรงกระตุ้นแห่งอำนาจยิ่งแรงกระตุ้นมากเท่าใด โมเมนตัมก็จะยิ่งเปลี่ยนแปลงมากขึ้นเท่านั้น

ประเภทของกองกำลัง

ปฏิสัมพันธ์ที่หลากหลายที่มีอยู่ในธรรมชาติมีสี่ประเภท: แรงโน้มถ่วง แม่เหล็กไฟฟ้า แรงและอ่อน แข็งแกร่งและ ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอมีนัยสำคัญในระยะทางสั้นๆ เมื่อกฎกลศาสตร์ของนิวตันใช้ไม่ได้อีกต่อไป ปรากฏการณ์ขนาดมหภาคทั้งหมดในโลกรอบตัวเราถูกกำหนดโดยปฏิสัมพันธ์ระหว่างแรงโน้มถ่วงและแม่เหล็กไฟฟ้า เฉพาะการโต้ตอบประเภทนี้เท่านั้นที่สามารถใช้แนวคิดเรื่องแรงในความหมายของกลศาสตร์นิวตันได้ แรงโน้มถ่วงมีความสำคัญมากที่สุดเมื่อมีมวลขนาดใหญ่มาปะทะกัน อาการ แรงแม่เหล็กไฟฟ้ามีความหลากหลายมาก แรงเสียดทานและแรงยืดหยุ่นที่รู้จักกันดีนั้นมีลักษณะเป็นแม่เหล็กไฟฟ้า เนื่องจากกฎข้อที่สองของนิวตันกำหนดความเร่งของร่างกายโดยไม่คำนึงถึงลักษณะของแรงที่ให้ความเร่ง ในอนาคตเราจะใช้วิธีการที่เรียกว่าปรากฏการณ์วิทยา: เราจะสร้างกฎเชิงปริมาณสำหรับแรงเหล่านี้โดยอาศัยประสบการณ์

แรงยืดหยุ่นแรงยืดหยุ่นเกิดขึ้นในร่างกายที่ประสบกับอิทธิพลของวัตถุหรือสนามอื่นๆ และสัมพันธ์กับการเสียรูปของร่างกาย การเสียรูปเป็นการเคลื่อนไหวประเภทพิเศษ กล่าวคือ การเคลื่อนไหวของส่วนต่างๆ ของร่างกายสัมพันธ์กันภายใต้อิทธิพลของแรงภายนอก เมื่อร่างกายมีรูปร่างผิดปกติ รูปร่างและปริมาตรจะเปลี่ยนไป สำหรับของแข็ง การเสียรูปมีข้อจำกัดอยู่ 2 กรณี: ยืดหยุ่นและพลาสติก การเสียรูปเรียกว่าความยืดหยุ่นหากหายไปอย่างสมบูรณ์หลังจากการกระทำของการเปลี่ยนรูปสิ้นสุดลง ในระหว่างการเสียรูปแบบพลาสติก (ไม่ยืดหยุ่น) ตัวเครื่องจะคงรูปร่างที่เปลี่ยนแปลงไปบางส่วนหลังจากถอดโหลดออกแล้ว

การเสียรูปแบบยืดหยุ่นของร่างกายมีความหลากหลาย ภายใต้อิทธิพลของแรงภายนอก ร่างกายสามารถยืดและบีบอัด งอ บิด ฯลฯ การกระจัดนี้ถูกตอบโต้โดยแรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคของวัตถุที่เป็นของแข็ง ซึ่งทำให้อนุภาคเหล่านี้อยู่ห่างจากกัน ดังนั้นเมื่อมีการเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่นทุกประเภท แรงภายในจึงเกิดขึ้นในร่างกายเพื่อป้องกันการเสียรูป แรงที่เกิดขึ้นในร่างกายระหว่างการเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่นและพุ่งตรงต่อทิศทางของการกระจัดของอนุภาคของร่างกายที่เกิดจากการเสียรูปเรียกว่าแรงยืดหยุ่น แรงยืดหยุ่นจะกระทำต่อส่วนต่างๆ ของร่างกายที่ผิดรูป เช่นเดียวกับจุดที่สัมผัสกับร่างกายซึ่งทำให้เกิดการเสียรูป

ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าสำหรับการเสียรูปแบบยืดหยุ่นเล็กน้อย ขนาดของการเปลี่ยนรูปนั้นแปรผันตามแรงที่ทำให้เกิด (รูปที่ 2.3) ข้อความนี้เรียกว่ากฎหมาย ฮุค.

โรเบิร์ต ฮุค, 1635–1702

นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ เกิดที่เมืองน้ำจืดบนเกาะไวท์ ในครอบครัวนักบวช เขาสำเร็จการศึกษาจากมหาวิทยาลัยอ็อกซ์ฟอร์ด ขณะที่ยังอยู่ที่มหาวิทยาลัย เขาทำงานเป็นผู้ช่วยในห้องทดลองของ Robert Boyle โดยช่วยสร้างปั๊มสุญญากาศสำหรับการติดตั้งซึ่งมีการค้นพบกฎ Boyle–Mariotte ด้วยความร่วมสมัยของไอแซกนิวตันเขาจึงมีส่วนร่วมอย่างแข็งขันในงานของ Royal Society และในปี 1677 เขาก็เข้ารับตำแหน่งเลขาธิการวิทยาศาสตร์ที่นั่น เช่นเดียวกับนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ในสมัยของเขา Robert Hooke มีความสนใจในสาขาต่างๆ มากมาย วิทยาศาสตร์ธรรมชาติและมีส่วนช่วยในการพัฒนาหลายๆอย่าง ในเอกสารของเขาเรื่อง "Micrography" เขาได้ตีพิมพ์ภาพร่างโครงสร้างจุลภาคของเนื้อเยื่อสิ่งมีชีวิตและตัวอย่างทางชีววิทยาอื่น ๆ หลายภาพ และเป็นครั้งแรกที่มีการนำเสนอ แนวคิดที่ทันสมัย « เซลล์ที่มีชีวิต- ในด้านธรณีวิทยา เขาเป็นคนแรกที่ตระหนักถึงความสำคัญของชั้นทางธรณีวิทยา และเป็นคนแรกในประวัติศาสตร์ที่มีส่วนร่วมในการศึกษาทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับภัยพิบัติทางธรรมชาติ เขาเป็นหนึ่งในคนกลุ่มแรกๆ ที่ตั้งสมมุติฐานว่าแรงดึงดูดแรงโน้มถ่วงระหว่างวัตถุลดลงตามสัดส่วนกำลังสองของระยะห่างระหว่างวัตถุทั้งสอง และเพื่อนร่วมชาติและผู้ร่วมสมัยสองคนคือฮุคและนิวตัน จนกระทั่งสิ้นสุดชีวิตของพวกเขาได้ท้าทายซึ่งกันและกันเพื่อสิทธิ เรียกว่าเป็นผู้ค้นพบกฎแรงโน้มถ่วงสากล ฮุคได้พัฒนาและสร้างเครื่องมือวัดทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญจำนวนหนึ่งเป็นการส่วนตัว โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เขาเป็นคนแรกที่เสนอให้วางเป้าเล็งที่ทำจากด้ายบางๆ สองเส้นในช่องมองภาพของกล้องจุลทรรศน์ และเป็นคนแรกที่เสนอแนะให้ใช้อุณหภูมิเยือกแข็งของน้ำเป็นศูนย์ ระดับอุณหภูมิและยังได้คิดค้นข้อต่อสากล (universal joint)

การแสดงออกทางคณิตศาสตร์ของกฎของฮุคสำหรับการเปลี่ยนรูปแบบความตึงเครียดฝ่ายเดียว (การบีบอัด) มีรูปแบบ:

แรงยืดหยุ่นอยู่ที่ไหน – การเปลี่ยนแปลงความยาว (ความผิดปกติ) ของร่างกาย; – ค่าสัมประสิทธิ์สัดส่วนขึ้นอยู่กับขนาดและวัสดุของร่างกายเรียกว่าความแข็งแกร่ง หน่วย SI ของความแข็งคือ นิวตันต่อเมตร (N/m) ในกรณีของแรงดึงหรือแรงอัดข้างเดียว แรงยืดหยุ่นจะพุ่งไปตามแนวเส้นตรงที่แรงภายนอกกระทำ ส่งผลให้ร่างกายเสียรูป ตรงข้ามกับทิศทางของแรงนี้และตั้งฉากกับพื้นผิวของร่างกาย แรงยืดหยุ่นจะมุ่งตรงไปยังตำแหน่งสมดุลเสมอ แรงยืดหยุ่นที่กระทำต่อร่างกายจากด้านข้างของส่วนรองรับหรือช่วงล่างเรียกว่าแรงปฏิกิริยารองรับหรือแรงดึงของระบบกันสะเทือน

ที่ . ในกรณีนี้. ดังนั้น โมดูลัสของยังจึงเท่ากับตัวเลขของความเครียดปกติที่ควรจะเกิดขึ้นในร่างกายเมื่อความยาวของมันเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า (หากกฎของฮุคเป็นที่พอใจสำหรับการเสียรูปครั้งใหญ่เช่นนี้) จาก (2.3) เป็นที่ชัดเจนว่าในระบบ SI ของหน่วย โมดูลัสของ Young วัดเป็นปาสคาล () สำหรับวัสดุที่แตกต่างกัน โมดูลัสของ Young จะแตกต่างกันอย่างมาก ตัวอย่างเช่น สำหรับเหล็ก และสำหรับยางโดยประมาณ นั่นคือ น้อยกว่าห้าคำสั่งขนาด

แน่นอนว่ากฎของฮุคแม้จะอยู่ในรูปแบบที่จุงได้รับการปรับปรุง แต่ก็ไม่ได้อธิบายทุกสิ่งที่เกิดขึ้นกับของแข็งภายใต้อิทธิพลของพลังภายนอก ลองนึกภาพหนังยาง หากคุณไม่ยืดมากเกินไป ยางรัดจะดึงแรงยืดหยุ่นกลับคืนมา และทันทีที่คุณปล่อย ยางจะรวมตัวกันทันทีและกลับเป็นรูปร่างเดิม หากคุณยืดหนังยางออกไปอีกไม่ช้าก็เร็วยางก็จะสูญเสียความยืดหยุ่นและคุณจะรู้สึกว่าความต้านทานแรงดึงลดลง ซึ่งหมายความว่าคุณได้ข้ามขีดจำกัดความยืดหยุ่นของวัสดุแล้ว หากคุณดึงยางออกไปอีกครู่หนึ่งยางจะแตกหักหมดและการต้านทานจะหายไปอย่างสมบูรณ์ ซึ่งหมายความว่าจุดแตกหักที่เรียกว่าได้ผ่านไปแล้ว กล่าวอีกนัยหนึ่ง กฎของฮุคใช้กับการกดหรือยืดเส้นที่มีขนาดค่อนข้างน้อยเท่านั้น

กรอบอ้างอิงเฉื่อย

ระบบอ้างอิงเฉื่อย(ISO) - กรอบอ้างอิงซึ่งกฎข้อที่หนึ่งของนิวตัน (กฎความเฉื่อย) ใช้ได้: วัตถุอิสระทั้งหมด (นั่นคือ วัตถุที่แรงภายนอกไม่ได้กระทำหรือชดเชยการกระทำของแรงเหล่านี้) เคลื่อนที่ในแนวตรงและสม่ำเสมอ หรือ อยู่ในช่วงพักผ่อน สูตรที่เทียบเท่ามีดังต่อไปนี้ สะดวกสำหรับการใช้งานในกลศาสตร์เชิงทฤษฎี:

คุณสมบัติของระบบอ้างอิงเฉื่อย

ระบบอ้างอิงใดๆ ที่เคลื่อนที่สัมพันธ์กับ ISO สม่ำเสมอและเป็นเส้นตรงก็ถือเป็น ISO เช่นกัน ตามหลักการสัมพัทธภาพ ISO ทั้งหมดมีความเท่าเทียมกัน และกฎทางฟิสิกส์ทั้งหมดไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเทียบกับการเปลี่ยนจาก ISO หนึ่งไปยังอีก ISO หนึ่ง ซึ่งหมายความว่าการปรากฏของกฎฟิสิกส์ในกฎเหล่านั้นดูเหมือนกัน และบันทึกของกฎเหล่านี้ก็มีรูปแบบเดียวกันใน ISO ที่แตกต่างกัน

ข้อสันนิษฐานของการมีอยู่ของ IFR อย่างน้อยหนึ่งรายการในพื้นที่ไอโซโทรปิกนำไปสู่ข้อสรุปเกี่ยวกับการดำรงอยู่ จำนวนอนันต์ระบบดังกล่าวเคลื่อนที่สัมพันธ์กันด้วยความเร็วคงที่ที่เป็นไปได้ทั้งหมด หากมี ISO อยู่ พื้นที่จะเป็นเนื้อเดียวกันและไอโซโทรปิก และเวลาจะเป็นเนื้อเดียวกัน ตามทฤษฎีบทของ Noether ความสม่ำเสมอของอวกาศในส่วนที่เกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงจะให้กฎการอนุรักษ์โมเมนตัม ไอโซโทรปีจะนำไปสู่การอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม และความสม่ำเสมอของเวลาจะนำไปสู่การอนุรักษ์พลังงานของวัตถุที่เคลื่อนไหว

หากความเร็วของการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ของ ISO ที่เกิดขึ้นจากวัตถุจริงสามารถรับค่าใดๆ ก็ได้ การเชื่อมต่อระหว่างพิกัดและช่วงเวลาของ "เหตุการณ์" ใดๆ ใน ISO ต่างๆ จะดำเนินการโดยการแปลงแบบกาลิเลียน

การสื่อสารกับระบบอ้างอิงจริง

ระบบเฉื่อยอย่างแน่นอนนั้นเป็นนามธรรมทางคณิตศาสตร์ที่ไม่มีอยู่ในธรรมชาติโดยธรรมชาติ อย่างไรก็ตาม มีระบบอ้างอิงที่ความเร่งสัมพัทธ์ของวัตถุอยู่ห่างจากกันพอสมควร (วัดโดยปรากฏการณ์ดอปเปลอร์) ไม่เกิน 10 −10 m/s² ตัวอย่างเช่น ระบบพิกัดท้องฟ้าระหว่างประเทศร่วมกับเวลาไดนามิกแบรีเซนตริกจะให้ ระบบที่มีความเร่งสัมพัทธ์ไม่เกิน 1.5·10 −10 m/s² (ที่ระดับ 1σ) ความแม่นยำของการทดลองที่วิเคราะห์เวลาที่พัลส์มาถึงจากพัลซาร์และการวัดทางดาราศาสตร์ในเร็วๆ นี้ จะทำให้ในอนาคตอันใกล้นี้ความเร่งของระบบสุริยะในขณะที่มันเคลื่อนที่ในสนามโน้มถ่วงของดาราจักร ซึ่งประมาณไว้เป็นเมตร/วินาที² ควรจะวัด

ด้วยระดับความแม่นยำที่แตกต่างกันและขึ้นอยู่กับพื้นที่ใช้งาน ระบบเฉื่อยถือได้ว่าเป็นระบบอ้างอิงที่เกี่ยวข้องกับ: โลก, ดวงอาทิตย์, นิ่งซึ่งสัมพันธ์กับดวงดาว

ระบบพิกัดเฉื่อยเชิงภูมิศาสตร์

การใช้โลกเป็น ISO แม้จะมีลักษณะโดยประมาณ แต่ก็แพร่หลายในการนำทาง ระบบพิกัดเฉื่อยซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของ ISO ถูกสร้างขึ้นตามอัลกอริทึมต่อไปนี้ จุดศูนย์กลางของโลกถูกเลือกให้เป็นจุดกำเนิด O ตามแบบจำลองที่นำมาใช้ แกน z เกิดขึ้นพร้อมกับแกนการหมุนของโลก แกน x และ y อยู่ในระนาบเส้นศูนย์สูตร ควรสังเกตว่าระบบดังกล่าวไม่มีส่วนร่วมในการหมุนของโลก

หมายเหตุ

ดูเพิ่มเติม

มูลนิธิวิกิมีเดีย

2010.

ดูว่า "ระบบอ้างอิงเฉื่อย" ในพจนานุกรมอื่นๆ คืออะไร: ระบบอ้างอิงที่ใช้กฎความเฉื่อยได้: เมตเตอร์ จุดที่ไม่มีแรงกระทำต่อวัตถุนั้น (หรือแรงที่สมดุลซึ่งกันและกันกระทำต่อวัตถุนั้น) อยู่ในสภาวะหยุดนิ่งหรือเคลื่อนที่เชิงเส้นสม่ำเสมอ กรอบอ้างอิงใดๆ...

ระบบอ้างอิงแรงเฉื่อย ดู ระบบอ้างอิง... สารานุกรมสมัยใหม่

กรอบอ้างอิงเฉื่อย- ระบบอ้างอิงเฉื่อย ดูระบบอ้างอิง - พจนานุกรมสารานุกรมภาพประกอบ

กรอบอ้างอิงเฉื่อย- inercinė atskaitos sistema statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. กรอบอ้างอิงแบบกาลิลี ระบบอ้างอิงเฉื่อย vok ความเฉื่อย Bezugssystem, n; ระบบเฉื่อย, n; Trägheitssystem, n rus. กรอบอ้างอิงเฉื่อย, f pranc.… … ปลายทาง Fizikos žodynas

ระบบอ้างอิงที่กฎความเฉื่อยใช้ได้: จุดวัสดุเมื่อไม่มีแรงกระทำต่อจุดนั้น (หรือแรงที่สมดุลร่วมกันกระทำต่อจุดนั้น) จะอยู่ในสถานะหยุดนิ่งหรือเคลื่อนที่เชิงเส้นสม่ำเสมอ ใดๆ... ... สารานุกรมผู้ยิ่งใหญ่แห่งสหภาพโซเวียต

ระบบอ้างอิงที่กฎความเฉื่อยใช้ได้ กล่าวคือ วัตถุที่ปราศจากอิทธิพลจากวัตถุอื่น จะรักษาความเร็วไว้ไม่เปลี่ยนแปลง (ในค่าสัมบูรณ์และทิศทาง) เป็น. โอ เป็นกรอบอ้างอิงถึงสวรรค์เช่นนั้น (และเท่านั้น) ... ... พจนานุกรมโพลีเทคนิคสารานุกรมขนาดใหญ่

ระบบอ้างอิงที่กฎความเฉื่อยใช้ได้: จุดวัสดุที่ไม่มีแรงกระทำ จะอยู่ในสภาวะหยุดนิ่งหรือเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงสม่ำเสมอ โอ เรื่อยๆ... วิทยาศาสตร์ธรรมชาติ พจนานุกรมสารานุกรม

กรอบอ้างอิงเฉื่อย- ระบบอ้างอิงที่เกี่ยวข้องกับจุดวัสดุที่แยกเดี่ยวอยู่นิ่งหรือเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงและสม่ำเสมอ... พจนานุกรมอธิบายคำศัพท์โพลีเทคนิค

ระบบอ้างอิงที่ใช้กฎความเฉื่อยได้: จุดวัสดุที่ไม่มีแรงกระทำจะอยู่ในสถานะหยุดนิ่งหรือเคลื่อนที่เชิงเส้นสม่ำเสมอ ระบบอ้างอิงใดๆ ที่เคลื่อนที่สัมพันธ์กับแรงเฉื่อย... ... พจนานุกรมสารานุกรม

ระบบอ้างอิงเฉื่อย- ระบบอ้างอิงซึ่งกฎความเฉื่อยใช้ได้: จุดวัตถุเมื่อไม่มีแรงกระทำใดๆ (หรือแรงที่สมดุลร่วมกันกระทำ) จะอยู่ในสภาวะหยุดนิ่งหรือเคลื่อนที่เชิงเส้นสม่ำเสมอ ทุกระบบ...... แนวความคิดของวิทยาศาสตร์ธรรมชาติสมัยใหม่ อภิธานคำศัพท์พื้นฐาน

วิชาฟิสิกส์ทั่วไป

การแนะนำ.

ฟิสิกส์ (กรีก จากฟิสิกส์ - ธรรมชาติ) ศาสตร์แห่งธรรมชาติ ศึกษาสิ่งที่ง่ายที่สุดและในเวลาเดียวกันมากที่สุด คุณสมบัติทั่วไปโลกวัตถุ (รูปแบบของปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ คุณสมบัติและโครงสร้างของสสาร และกฎการเคลื่อนที่ของสสาร) แนวคิดเรื่องฟิสิกส์และกฎของมันรองรับวิทยาศาสตร์ธรรมชาติทั้งหมด ฟิสิกส์เป็นของวิทยาศาสตร์ที่แน่นอนและศึกษากฎเชิงปริมาณของปรากฏการณ์ ดังนั้นโดยธรรมชาติแล้ว ภาษาของฟิสิกส์จึงเป็นคณิตศาสตร์

สสารสามารถมีอยู่ได้สองรูปแบบหลัก: สสารและสนาม พวกเขาเชื่อมต่อถึงกัน

ตัวอย่าง: B มากกว่า – ของแข็ง, ของเหลว, พลาสมา, โมเลกุล, อะตอม, อนุภาคมูลฐาน ฯลฯ

สนาม– สนามแม่เหล็กไฟฟ้า (ควอนตัม (บางส่วน) ของสนาม – โฟตอน)

สนามโน้มถ่วง (สนามควอนต้า - กราวิตอน)

ความสัมพันธ์ระหว่างสสารและสนาม– การทำลายล้างคู่อิเล็กตรอน-โพซิตรอน

ฟิสิกส์เป็นวิทยาศาสตร์โลกทัศน์อย่างแน่นอน และความรู้พื้นฐานเป็นองค์ประกอบที่จำเป็นของการศึกษาและวัฒนธรรมของมนุษย์ยุคใหม่

ในขณะเดียวกัน ฟิสิกส์ก็มีความสำคัญอย่างมากในการประยุกต์ สำหรับเธอแล้ว ความสำเร็จทางเทคนิค ข้อมูล และการสื่อสารส่วนใหญ่ของมนุษยชาติเป็นหนี้บุญคุณ

นอกจากนี้ในทศวรรษที่ผ่านมา วิธีการทางกายภาพการวิจัยมีการใช้มากขึ้นในวิทยาศาสตร์ที่ดูเหมือนห่างไกลจากฟิสิกส์ เช่น สังคมวิทยาและเศรษฐศาสตร์

กลศาสตร์คลาสสิก

กลศาสตร์เป็นสาขาวิชาฟิสิกส์ที่ศึกษา รูปแบบที่ง่ายที่สุดการเคลื่อนที่ของสสาร – การเคลื่อนที่ของวัตถุในอวกาศและเวลา

ในขั้นต้นหลักการพื้นฐาน (กฎ) ของกลศาสตร์ในฐานะวิทยาศาสตร์ถูกกำหนดโดย I. นิวตันในรูปแบบของกฎสามข้อซึ่งได้รับชื่อของเขา

เมื่อใช้วิธีการอธิบายแบบเวกเตอร์ ความเร็วสามารถกำหนดเป็นอนุพันธ์ของเวกเตอร์รัศมีของจุดหรือวัตถุได้ และมวลทำหน้าที่เป็นสัมประสิทธิ์ของสัดส่วน

1. เมื่อวัตถุสองชิ้นมีปฏิสัมพันธ์กัน แต่ละวัตถุจะกระทำต่ออีกวัตถุหนึ่งด้วยแรงที่มีมูลค่าเท่ากัน แต่มีทิศทางตรงกันข้าม

กฎหมายเหล่านี้มาจากประสบการณ์ กลไกแบบคลาสสิกทั้งหมดสร้างขึ้นจากกลไกเหล่านั้น เป็นเวลานานเชื่อกันว่าปรากฏการณ์ที่สังเกตได้ทั้งหมดสามารถอธิบายได้ด้วยกฎเหล่านี้ อย่างไรก็ตาม เมื่อเวลาผ่านไป ขอบเขตก็ขยายออกไป ความสามารถของมนุษย์และประสบการณ์ได้แสดงให้เห็นว่ากฎของนิวตันไม่ถูกต้องเสมอไป และด้วยเหตุนี้ กลศาสตร์แบบคลาสสิกจึงมีข้อจำกัดบางประการในการบังคับใช้

นอกจากนี้ อีกไม่นานเราจะหันไปใช้กลศาสตร์คลาสสิกจากมุมที่แตกต่างกันเล็กน้อย ตามกฎการอนุรักษ์ ซึ่งในแง่หนึ่งเป็นกฎฟิสิกส์ทั่วไปมากกว่ากฎของนิวตัน

1.2. ขีดจำกัดของการบังคับใช้กลศาสตร์คลาสสิก

ข้อจำกัดแรกเกี่ยวข้องกับความเร็วของวัตถุที่ต้องการ ประสบการณ์ได้แสดงให้เห็นว่ากฎของนิวตันยังคงใช้ได้ก็ต่อเมื่อ โดยที่ความเร็วแสงในสุญญากาศ ( - ที่ความเร็วเหล่านี้ สเกลเชิงเส้นและช่วงเวลาจะไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อย้ายจากระบบอ้างอิงหนึ่งไปยังอีกระบบหนึ่ง นั่นเป็นเหตุผล พื้นที่และเวลาเป็นสิ่งที่แน่นอนในกลศาสตร์คลาสสิก

ดังนั้น กลศาสตร์คลาสสิกจึงอธิบายการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสัมพัทธ์ต่ำ เช่น นี่คือฟิสิกส์ที่ไม่สัมพันธ์กัน ข้อจำกัดจากความเร็วสูงเป็นข้อจำกัดแรกของการประยุกต์ใช้กลศาสตร์นิวตันแบบคลาสสิก

นอกจากนี้ ประสบการณ์ยังแสดงให้เห็นว่าการประยุกต์ใช้กฎของกลศาสตร์ของนิวตันไม่เหมาะสมกับคำอธิบายของวัตถุขนาดเล็ก: โมเลกุล อะตอม นิวเคลียส อนุภาคมูลฐานฯลฯ เริ่มจากขนาด

() ผู้อื่นให้คำอธิบายที่เพียงพอเกี่ยวกับปรากฏการณ์ที่สังเกตได้

กฎหมาย - ควอนตัม- เป็นปริมาณที่จำเป็นต้องใช้เมื่อปริมาณลักษณะเฉพาะที่อธิบายระบบและมีมิติ , เปรียบเทียบเพื่อที่จะ ค่าคงตัวของพลังค์สมมติว่าสำหรับอิเล็กตรอนที่อยู่ในอะตอม เรามี ดังนั้น ปริมาณที่มีมิติโมเมนตัมเชิงมุมจะเท่ากับ:

ปรากฏการณ์ทางกายภาพใดๆ ก็ตาม ลำดับเหตุการณ์. เหตุการณ์เรียกว่าสิ่งที่เกิดขึ้น ณ จุดที่กำหนดในอวกาศ ในขณะนี้เวลา.

หากต้องการอธิบายเหตุการณ์ ให้ป้อน พื้นที่และเวลา– หมวดหมู่ที่แสดงถึงรูปแบบหลักของการดำรงอยู่ของสสาร อวกาศเป็นการแสดงออกถึงลำดับการดำรงอยู่ของวัตถุแต่ละชิ้น และเวลาเป็นการแสดงออกถึงลำดับการเปลี่ยนแปลงของปรากฏการณ์ ต้องทำเครื่องหมายพื้นที่และเวลาไว้ การมาร์กทำได้โดยการใส่ส่วนอ้างอิงและส่วนอ้างอิง (สเกล)

กรอบอ้างอิง ระบบเฉื่อยนับถอยหลัง

เพื่ออธิบายการเคลื่อนไหวของร่างกายหรือแบบจำลองที่ใช้ - จุดวัสดุ - สามารถนำมาใช้ได้ วิธีเวกเตอร์คำอธิบายเมื่อระบุตำแหน่งของวัตถุที่เราสนใจโดยใช้เวกเตอร์รัศมี ส่วนที่กำหนดจากเนื้อหาอ้างอิงไปยังจุดสนใจของเรา ซึ่งตำแหน่งในอวกาศสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตลอดเวลา เรียกว่าตำแหน่งทางเรขาคณิตของส่วนปลายของเวกเตอร์รัศมี วิถีจุดเคลื่อนที่

2.1. ระบบพิกัด.

วิธีอธิบายการเคลื่อนไหวของร่างกายอีกวิธีหนึ่งก็คือ ประสานงานซึ่งระบบพิกัดบางอย่างสัมพันธ์กับส่วนอ้างอิงอย่างเหนียวแน่น

ในด้านกลศาสตร์และฟิสิกส์โดยทั่วไปนั้นสะดวกต่อการใช้งานในงานต่างๆ ระบบต่างๆพิกัด ที่ใช้กันมากที่สุดคือสิ่งที่เรียกว่า คาร์ทีเซียน ทรงกระบอก และทรงกลมระบบพิกัด

1) ระบบพิกัดคาร์ทีเซียน: มีการป้อนแกนตั้งฉากซึ่งกันและกันสามแกนด้วยสเกลที่ระบุตลอดทั้งสามแกน (ไม้บรรทัด) จุดอ้างอิงสำหรับแกนทั้งหมดนำมาจากส่วนอ้างอิง ขีดจำกัดของการเปลี่ยนแปลงสำหรับแต่ละพิกัดตั้งแต่ ถึง

เวกเตอร์รัศมีที่กำหนดตำแหน่งของจุดจะถูกกำหนดผ่านพิกัดของมัน เช่น

. (2.1)

ปริมาณน้อยในระบบคาร์ทีเซียน:

,

หรือเพิ่มขึ้นทีละน้อย:

(2.2)

2) ระบบพิกัดทรงกระบอก: ตัวแปรที่เลือก ได้แก่ ระยะห่างจากแกน มุมการหมุนจากแกน x และความสูงตามแนวแกนจากตัววัตถุอ้างอิง

3) ระบบพิกัดทรงกลม: ป้อนระยะห่างจากตัวอ้างอิงถึงจุดสนใจและมุม

การหมุน และ วัดจากแกน และ ตามลำดับ

รัศมีเวกเตอร์ – ฟังก์ชันของตัวแปร

,

ขีดจำกัดของการเปลี่ยนแปลงพิกัด:

พิกัดคาร์ทีเซียนสัมพันธ์กับพิกัดทรงกลมโดยมีความสัมพันธ์ดังต่อไปนี้

(2.6)

องค์ประกอบปริมาตรในพิกัดทรงกลม:

(2.7)

2.2. ระบบอ้างอิง.

ในการสร้างระบบอ้างอิง ระบบพิกัดที่เชื่อมต่อกับส่วนอ้างอิงอย่างแน่นหนาจะต้องเสริมด้วยนาฬิกา นาฬิกาสามารถตั้งอยู่ในจุดต่างๆ ในอวกาศได้ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องซิงโครไนซ์นาฬิกาเหล่านั้น การซิงโครไนซ์นาฬิกาทำได้โดยใช้สัญญาณ ให้เวลาการแพร่กระจายสัญญาณจากจุดที่เกิดเหตุการณ์ไปยังจุดสังเกตมีค่าเท่ากับ นาฬิกาของเราควรจะแสดงเวลา ณ เวลาที่สัญญาณปรากฏขึ้น หากนาฬิกา ณ จุดที่เกิดเหตุการณ์ ณ เวลาที่เกิดเหตุนั้นแสดงเวลา เราจะถือว่านาฬิกาดังกล่าวซิงโครไนซ์

ถ้าระยะห่างจากจุดในอวกาศที่เหตุการณ์เกิดขึ้นถึงจุดสังเกตคือ และความเร็วในการส่งสัญญาณคือ ดังนั้น - ในกลศาสตร์คลาสสิก เป็นที่ยอมรับกันว่าความเร็วของการแพร่กระจายสัญญาณ - ดังนั้นจึงมีการใช้นาฬิกาหนึ่งเรือนทั่วทั้งพื้นที่

จำนวนทั้งสิ้น วัตถุอ้างอิง ระบบพิกัด และนาฬิการูปร่าง กรอบอ้างอิง(ดังนั้น).

มีระบบอ้างอิงจำนวนอนันต์ ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าความเร็วยังน้อยเมื่อเทียบกับความเร็วแสง , สเกลเชิงเส้นและช่วงเวลาไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อย้ายจากระบบอ้างอิงหนึ่งไปยังอีกระบบหนึ่ง

กล่าวอีกนัยหนึ่ง ในกลศาสตร์คลาสสิก อวกาศและเวลาเป็นสิ่งที่แน่นอน.

ถ้า จากนั้นมาตราส่วนและช่วงเวลาจะขึ้นอยู่กับตัวเลือกข้อมูลอ้างอิง เช่น พื้นที่และเวลากลายเป็นแนวคิดที่เกี่ยวข้องกัน นี่เป็นพื้นที่อยู่แล้ว กลศาสตร์สัมพัทธภาพ.

2.3.ระบบอ้างอิงเฉื่อย(ไอเอสโอ)

ดังนั้นเราจึงต้องเผชิญกับทางเลือกของระบบอ้างอิงที่เราสามารถแก้ไขปัญหาของกลไกได้ (อธิบายการเคลื่อนไหวของวัตถุและกำหนดสาเหตุที่ทำให้เกิดสิ่งนั้น) ปรากฎว่าระบบอ้างอิงบางระบบไม่เท่ากัน ไม่เพียงแต่ในการอธิบายปัญหาอย่างเป็นทางการเท่านั้น แต่สิ่งที่สำคัญกว่านั้นคือระบบเหล่านี้แสดงถึงสาเหตุที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในสถานะของร่างกายแตกต่างกันออกไป

กรอบอ้างอิงซึ่งมีการกำหนดกฎของกลศาสตร์มากที่สุดเพียงช่วยให้เราสามารถกำหนดกฎข้อที่หนึ่งของนิวตันซึ่งยืนยันการดำรงอยู่ ระบบอ้างอิงเฉื่อย– ไอเอสโอ.

กฎข้อที่หนึ่งของกลศาสตร์คลาสสิก - กฎความเฉื่อยของกาลิเลโอ-นิวตัน.

มีระบบอ้างอิงที่จุดวัสดุจะเคลื่อนที่ตามความเฉื่อยหากเราไม่รวมอันตรกิริยาของมันกับวัตถุอื่นๆ ทั้งหมด เช่น รักษาสภาวะการพักหรือการเคลื่อนที่เชิงเส้นสม่ำเสมอ

นี่คือระบบอ้างอิงเฉื่อย (IRS)

ใน ISO การเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่ของจุดวัสดุ (ความเร่ง) เกิดจากการมีปฏิสัมพันธ์กับส่วนอื่นๆ เท่านั้น แต่ไม่ได้ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของระบบอ้างอิงเอง

วัตถุใดๆ ก็ตามสามารถได้รับอิทธิพลจากวัตถุอื่นที่อยู่รอบๆ ได้ ซึ่งเป็นผลให้สถานะการเคลื่อนไหว (ส่วนที่เหลือ) ของร่างกายที่สังเกตสามารถเปลี่ยนแปลงได้ ในขณะเดียวกันผลกระทบดังกล่าวก็สามารถชดเชยได้ (สมดุล) และไม่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงดังกล่าว เมื่อพวกเขากล่าวว่าการกระทำของสองวัตถุขึ้นไปชดเชยซึ่งกันและกัน นั่นหมายความว่าผลของการกระทำร่วมกันนั้นเหมือนกับว่าร่างกายเหล่านี้ไม่มีอยู่จริงเลย หากอิทธิพลของวัตถุอื่นในร่างกายได้รับการชดเชย สัมพันธ์กับโลกร่างกายจะอยู่นิ่งหรือเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงและสม่ำเสมอ

ดังนั้นเราจึงมาถึงกฎพื้นฐานของกลศาสตร์ข้อหนึ่งซึ่งเรียกว่ากฎข้อที่หนึ่งของนิวตัน

กฎข้อที่ 1 ของนิวตัน (กฎความเฉื่อย)

มีระบบอ้างอิงดังกล่าวที่วัตถุที่เคลื่อนไหวแบบแปลนอยู่ในสถานะหยุดนิ่งหรือเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงสม่ำเสมอ (การเคลื่อนที่โดยความเฉื่อย) จนกระทั่งอิทธิพลจากวัตถุอื่นพามันออกจากสถานะนี้

จากที่กล่าวมาข้างต้น การเปลี่ยนแปลงความเร็วของร่างกาย (เช่น ความเร่ง) มักเกิดจากอิทธิพลของวัตถุอื่นในร่างกายนี้เสมอ

กฎข้อที่ 1 ของนิวตันเป็นไปตามกรอบอ้างอิงเฉื่อยเท่านั้น

คำนิยาม

กรอบอ้างอิงสัมพันธ์กับวัตถุซึ่งไม่ได้รับผลกระทบจากวัตถุอื่น อยู่นิ่งหรือเคลื่อนที่สม่ำเสมอและเป็นเส้นตรงเรียกว่าเฉื่อย

พิจารณาว่า ระบบนี้การอ้างอิงความเฉื่อยสามารถทำได้โดยการทดลองเท่านั้น ในกรณีส่วนใหญ่ ระบบอ้างอิงที่เกี่ยวข้องกับโลกหรือวัตถุอ้างอิงที่เกี่ยวข้อง พื้นผิวโลกเคลื่อนที่สม่ำเสมอและเป็นเส้นตรง

รูปที่ 1 กรอบอ้างอิงเฉื่อย

ขณะนี้ได้รับการยืนยันจากการทดลองแล้วว่าระบบอ้างอิงเฮลิโอเซนตริกที่เกี่ยวข้องกับศูนย์กลางของดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์ "คงที่" สามดวงนั้นเป็นแรงเฉื่อยในทางปฏิบัติ

ระบบอ้างอิงอื่นๆ ที่เคลื่อนที่สม่ำเสมอและเป็นเส้นตรงสัมพันธ์กับระบบอ้างอิงเฉื่อย ก็คือระบบอ้างอิงเฉื่อยนั่นเอง

กาลิเลโอกำหนดว่าไม่มีการทดลองทางกลใดๆ ที่ดำเนินการภายในระบบอ้างอิงเฉื่อยสามารถระบุได้ว่าระบบนี้หยุดนิ่งหรือเคลื่อนที่สม่ำเสมอและเป็นเส้นตรง ข้อความนี้เรียกว่าหลักการสัมพัทธภาพของกาลิเลโอหรือหลักการสัมพัทธภาพทางกล

หลักการนี้ได้รับการพัฒนาในเวลาต่อมาโดย A. Einstein และเป็นหนึ่งในหลักการของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ISO มีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในวิชาฟิสิกส์ เนื่องจากตามหลักการสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ การแสดงออกทางคณิตศาสตร์ของกฎฟิสิกส์ใดๆ ก็ตามจะมีรูปแบบเดียวกันในแต่ละ ISO

หากวัตถุอ้างอิงเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง หน้าต่างอ้างอิงที่เกี่ยวข้องกับวัตถุนั้นจะไม่มีความเฉื่อย และกฎข้อที่ 1 ของนิวตันจะใช้ไม่ได้

คุณสมบัติของวัตถุในการรักษาสถานะไว้เมื่อเวลาผ่านไป (ความเร็วของการเคลื่อนไหว, ทิศทางของการเคลื่อนไหว, สภาวะที่เหลือ ฯลฯ ) เรียกว่าความเฉื่อย ปรากฏการณ์ของการรักษาความเร็วโดยร่างกายที่เคลื่อนไหวโดยไม่มีอิทธิพลจากภายนอกเรียกว่าความเฉื่อย

รูปที่ 2 การแสดงความเฉื่อยในรถบัสเมื่อเริ่มเคลื่อนที่และเบรก

เรามักพบกับอาการความเฉื่อยของร่างกายในชีวิตประจำวัน เมื่อรถบัสเร่งความเร็วอย่างรวดเร็ว ผู้โดยสารบนรถจะเอนตัวไปด้านหลัง (รูปที่ 2, a) และเมื่อรถบัสเบรกกระทันหัน ผู้โดยสารจะโน้มตัวไปข้างหน้า (รูปที่ 2, b) และเมื่อรถบัสหันไปทางขวา พวกเขาก็โน้มไปทาง ผนังด้านซ้าย เมื่อเครื่องบินบินขึ้นด้วยความเร่งสูง ร่างกายของนักบินพยายามรักษาสภาพเดิมของการพัก และกดลงบนเบาะ

ความเฉื่อยของวัตถุปรากฏชัดเจนเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วในการเร่งความเร็วของวัตถุของระบบเมื่อกรอบอ้างอิงเฉื่อยถูกแทนที่ด้วยกรอบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อยและในทางกลับกัน

ความเฉื่อยของร่างกายมักจะมีลักษณะเฉพาะด้วยมวลของมัน (มวลเฉื่อย)

แรงที่กระทำต่อวัตถุจากกรอบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อยเรียกว่าแรงเฉื่อย

ถ้าแรงหลายแรงกระทำต่อวัตถุพร้อมๆ กันในกรอบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อย ซึ่งบางแรงเป็นแรง "ธรรมดา" และแรงอื่นๆ เป็นแรงเฉื่อย จากนั้นวัตถุจะประสบกับแรงผลลัพธ์หนึ่งแรง ซึ่งเป็นผลรวมเวกเตอร์ของแรงทั้งหมดที่กระทำ บนนั้น แรงลัพธ์นี้ไม่ใช่แรงเฉื่อย แรงเฉื่อยเป็นเพียงส่วนประกอบของแรงลัพธ์เท่านั้น

หากแท่งไม้ที่ห้อยด้วยด้ายบางๆ สองเส้นถูกดึงอย่างช้าๆ ด้วยเชือกที่ติดอยู่ตรงกลาง แล้ว:

1. ไม้จะหัก;
2. สายไฟขาด
3. เธรดตัวใดตัวหนึ่งขาด
4. มีตัวเลือกใดก็ได้ ขึ้นอยู่กับแรงที่ใช้

รูปที่ 4

ใช้แรงกดที่ตรงกลางของไม้ซึ่งเชือกห้อยอยู่ เนื่องจากตามกฎข้อที่ 1 ของนิวตัน ร่างกายทุกส่วนมีความเฉื่อย ส่วนหนึ่งของแท่ง ณ จุดที่เชือกแขวนอยู่จะเคลื่อนที่ภายใต้การกระทำของแรงที่กระทำ และส่วนอื่นๆ ของแท่งไม้ที่ไม่ได้รับผลกระทบจากแรงจะยังคงอยู่ ที่เหลือ ดังนั้นไม้จะหักที่จุดช่วงล่าง

คำตอบ. คำตอบที่ถูกต้อง 1.

ชายคนหนึ่งดึงเลื่อนสองอันที่เชื่อมต่อกันโดยใช้แรงที่มุม 300 กับแนวนอน ค้นหาแรงนี้หากคุณรู้ว่าเลื่อนมีการเคลื่อนที่สม่ำเสมอ น้ำหนักของเลื่อนคือ 40 กก. ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน 0.3

$t_1$ = $t_2$ = $m$ = 40 กก

$(\คณิตศาสตร์ \mu )$ = 0.3

$(\mathbf \alpha )$=$30^(\circ)$

$g$ = 9.8 ม./วินาที2

รูปที่ 5

เนื่องจากเลื่อนเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ ตามกฎข้อที่หนึ่งของนิวตัน ผลรวมของแรงที่กระทำต่อเลื่อนจะเป็นศูนย์ ลองเขียนกฎข้อแรกของนิวตันสำหรับแต่ละวัตถุทันทีบนเส้นโครงบนแกน และเพิ่มกฎแรงเสียดทานแห้งของคูลอมบ์สำหรับเลื่อน:

แกน OX แกน OY

\[\left\( \begin(array)(c) T-F_(tr1)=0 \\ F_(tr1)=\mu N_1 \\ F_(tr2)=\mu N_2 \\ F(cos \alpha - \ )F_(tr2)-T=0 \end(array) \right. \left\( \begin(array)(c) N_1-mg=0 \\ N_2+F(sin \alpha \ )-mg=0 \end(อาร์เรย์) \right.\]

$F=\frac(2\mu mg)((cos \alpha \ )+\mu (sin \alpha \ ))=\ \frac(2\cdot 0.3\cdot 40\cdot 9.8)((cos 30() ^\circ \ )+0.3\cdot (บาป 30()^\circ \ ))=231.5\ H$

สูตรต่อไปนี้ซึ่งสะดวกสำหรับการใช้งานในกลศาสตร์เชิงทฤษฎีนั้นเทียบเท่ากัน: “ระบบอ้างอิงเรียกว่าเฉื่อย ซึ่งสัมพันธ์กับปริภูมิที่เป็นเนื้อเดียวกันและไอโซโทรปิก และเวลาเป็นเนื้อเดียวกัน” กฎของนิวตัน เช่นเดียวกับสัจพจน์อื่นๆ ทั้งหมดของพลศาสตร์ในกลศาสตร์คลาสสิก ได้รับการกำหนดขึ้นโดยสัมพันธ์กับระบบอ้างอิงเฉื่อย

คำว่า "ระบบเฉื่อย" (เยอรมัน: Inertialsystem) ถูกเสนอในปี พ.ศ. 2428 ลุดวิก ลังเงอ?!และหมายถึงระบบพิกัดที่กฎของนิวตันใช้ได้ ตามคำกล่าวของ Lange คำนี้ควรจะแทนที่แนวคิดเรื่องอวกาศสัมบูรณ์ ซึ่งถูกวิพากษ์วิจารณ์อย่างรุนแรงในช่วงเวลานี้ ด้วยการถือกำเนิดของทฤษฎีสัมพัทธภาพ แนวคิดนี้จึงถูกสรุปเป็น "กรอบอ้างอิงเฉื่อย"

YouTube สารานุกรม

1 / 3

, ระบบอ้างอิงเฉื่อย กฎข้อแรกของนิวตัน | ฟิสิกส์ ชั้นประถมศึกษาปีที่ 9 #10 | บทเรียนข้อมูล

, กรอบอ้างอิงเฉื่อยของนิวตันคืออะไร?

, ระบบอ้างอิงเฉื่อยและไม่เฉื่อย (1)

คำบรรยาย

คุณสมบัติของระบบอ้างอิงเฉื่อย

ระบบอ้างอิงใดๆ ที่เคลื่อนที่สัมพันธ์กับ ISO สม่ำเสมอ เป็นเส้นตรง และไม่มีการหมุน ถือเป็น ISO เช่นกัน ตามหลักการสัมพัทธภาพ ISO ทั้งหมดมีความเท่าเทียมกัน และกฎทางฟิสิกส์ทั้งหมดไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเทียบกับการเปลี่ยนจาก ISO หนึ่งไปยังอีก ISO หนึ่ง ซึ่งหมายความว่าการปรากฏของกฎฟิสิกส์ในกฎเหล่านั้นดูเหมือนกัน และบันทึกของกฎเหล่านี้ก็มีรูปแบบเดียวกันใน ISO ที่แตกต่างกัน

ข้อสันนิษฐานของการมีอยู่ของ ISO อย่างน้อยหนึ่งรายการในพื้นที่ไอโซโทรปิกนำไปสู่ข้อสรุปว่าระบบดังกล่าวมีจำนวนอนันต์ที่เคลื่อนที่สัมพันธ์กันโดยสม่ำเสมอ เป็นเส้นตรง และแปลผ่านความเร็วที่เป็นไปได้ทั้งหมด หากมี ISO อยู่ พื้นที่จะเป็นเนื้อเดียวกันและไอโซโทรปิก และเวลาจะเป็นเนื้อเดียวกัน ตามทฤษฎีบทของ Noether ความสม่ำเสมอของอวกาศในส่วนที่เกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงจะให้กฎการอนุรักษ์โมเมนตัม ไอโซโทรปีจะนำไปสู่การอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม และความสม่ำเสมอของเวลาจะนำไปสู่การอนุรักษ์พลังงานของวัตถุที่เคลื่อนไหว

ถ้าความเร็วของการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ของ ISO ที่เกิดขึ้นจากวัตถุจริงสามารถเกิดขึ้นกับค่าใดๆ ก็ได้ การเชื่อมต่อระหว่างพิกัดและช่วงเวลาของ "เหตุการณ์" ใดๆ ใน ISO ต่างๆ จะดำเนินการโดยการแปลงแบบกาลิเลียน

การสื่อสารกับระบบอ้างอิงจริง

ระบบเฉื่อยโดยสิ้นเชิงถือเป็นนามธรรมทางคณิตศาสตร์และไม่มีอยู่ในธรรมชาติ อย่างไรก็ตาม มีระบบอ้างอิงที่ความเร่งสัมพัทธ์ของวัตถุอยู่ห่างจากกันเพียงพอ (วัดโดยปรากฏการณ์ดอปเปลอร์) ไม่เกิน 10−10 m/s² ตัวอย่างเช่น