การวัดการเคลื่อนที่ในกรอบอ้างอิงเฉื่อยต่างๆ ระบบอ้างอิงใดที่เรียกว่าเฉื่อย? ตัวอย่างของหน้าต่างอ้างอิงเฉื่อย

กฎข้อแรกของนิวตันยืนยันการมีอยู่ของปรากฏการณ์เช่นความเฉื่อยของร่างกาย ดังนั้นจึงเป็นที่รู้จักในชื่อกฎความเฉื่อย ความเฉื่อย - นี่คือปรากฏการณ์ของร่างกายที่รักษาความเร็วของการเคลื่อนไหว (ทั้งขนาดและทิศทาง) เมื่อไม่มีแรงกระทำต่อร่างกาย หากต้องการเปลี่ยนความเร็วของการเคลื่อนไหว ต้องใช้แรงบางอย่างกับร่างกาย โดยธรรมชาติแล้วผลลัพธ์ของการกระทำของแรงที่มีขนาดเท่ากันต่อวัตถุต่าง ๆ จะแตกต่างกัน ดังนั้นจึงกล่าวกันว่าร่างกายมีความเฉื่อย ความเฉื่อยเป็นสมบัติของร่างกายในการต้านทานการเปลี่ยนแปลงในสถานะปัจจุบัน ปริมาณความเฉื่อยมีลักษณะตามน้ำหนักตัว

กรอบอ้างอิงเฉื่อย

กฎข้อแรกของนิวตันระบุ (ซึ่งสามารถตรวจสอบได้ในการทดลองด้วยระดับความแม่นยำที่แตกต่างกัน) ว่าระบบเฉื่อยมีอยู่จริง กฎกลศาสตร์นี้กำหนดให้ระบบอ้างอิงเฉื่อยอยู่ในตำแหน่งพิเศษที่มีสิทธิพิเศษ

กรอบอ้างอิงที่เป็นไปตามกฎข้อแรกของนิวตันเรียกว่าเฉื่อย

ระบบอ้างอิงเฉื่อย- สิ่งเหล่านี้คือระบบที่สัมพันธ์กับจุดสำคัญซึ่งอยู่นิ่งหรือเคลื่อนที่สม่ำเสมอและเป็นเส้นตรงโดยไม่มีอิทธิพลจากภายนอกหรือการชดเชยร่วมกัน

มีระบบเฉื่อยจำนวนอนันต์ ระบบอ้างอิงที่เกี่ยวข้องกับรถไฟที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ตามแนวตรงของรางรถไฟก็เป็นระบบเฉื่อย (โดยประมาณ) เช่นเดียวกับระบบที่เกี่ยวข้องกับโลก กรอบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมดจะสร้างชั้นของระบบที่เคลื่อนที่โดยสัมพันธ์กันอย่างสม่ำเสมอและเป็นเส้นตรง ความเร่งของวัตถุใดๆ ในระบบเฉื่อยที่ต่างกันจะเท่ากัน

จะพิสูจน์ได้อย่างไรว่าระบบอ้างอิงที่กำหนดนั้นเป็นระบบเฉื่อย? สามารถทำได้ผ่านประสบการณ์เท่านั้น การสังเกตแสดงให้เห็นว่า ด้วยความแม่นยำระดับสูงมาก ระบบเฮลิโอเซนตริกถือได้ว่าเป็นระบบอ้างอิงเฉื่อย โดยที่จุดกำเนิดของพิกัดนั้นสัมพันธ์กับดวงอาทิตย์ และแกนนั้นมุ่งตรงไปยังดวงดาวที่ "คงที่" บางดวง ระบบอ้างอิงที่เชื่อมต่ออย่างเหนียวแน่นกับพื้นผิวโลก พูดอย่างเคร่งครัดนั้นไม่ใช่ระบบเฉื่อย เนื่องจากโลกเคลื่อนที่ในวงโคจรรอบดวงอาทิตย์และในเวลาเดียวกันก็หมุนรอบแกนของมัน อย่างไรก็ตาม เมื่ออธิบายการเคลื่อนไหวที่ไม่มีมาตราส่วนทั่วโลก (เช่น ทั่วโลก) ระบบอ้างอิงที่เกี่ยวข้องกับโลกสามารถพิจารณาได้ว่ามีความเฉื่อยและมีความแม่นยำเพียงพอ

ระบบอ้างอิงที่เคลื่อนที่สม่ำเสมอและเป็นเส้นตรงสัมพันธ์กับจุดใดจุดหนึ่งก็เป็นระบบเฉื่อยเช่นกัน ระบบเฉื่อยนับถอยหลัง

กาลิเลโอกำหนดว่าไม่มีการทดลองทางกลใดๆ ที่ดำเนินการภายในระบบอ้างอิงเฉื่อยสามารถระบุได้ว่าระบบนี้หยุดนิ่งหรือเคลื่อนที่สม่ำเสมอและเป็นเส้นตรง ข้อความนี้เรียกว่าหลักการสัมพัทธภาพของกาลิเลโอหรือหลักการสัมพัทธภาพเชิงกล

หลักการนี้ได้รับการพัฒนาในเวลาต่อมาโดย A. Einstein และเป็นหนึ่งในหลักการของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ กรอบอ้างอิงเฉื่อยมีบทบาทสำคัญในฟิสิกส์ เนื่องจากตามหลักการสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ การแสดงออกทางคณิตศาสตร์ของกฎฟิสิกส์ใดๆ มีรูปแบบเดียวกันในกรอบอ้างอิงเฉื่อยแต่ละกรอบ ต่อไปนี้เราจะใช้เฉพาะระบบเฉื่อยเท่านั้น (โดยไม่ต้องกล่าวถึงทุกครั้ง)

กรอบอ้างอิงที่ไม่เป็นไปตามกฎข้อที่หนึ่งของนิวตันเรียกว่ากรอบไม่เฉื่อย

ระบบดังกล่าวรวมถึงระบบอ้างอิงใดๆ ที่เคลื่อนที่ด้วยความเร่งสัมพันธ์กับระบบอ้างอิงเฉื่อย

ในกลศาสตร์ของนิวตัน กฎอันตรกิริยาของวัตถุได้รับการกำหนดขึ้นสำหรับระบบอ้างอิงเฉื่อยประเภทหนึ่ง

ตัวอย่างของการทดลองทางกลที่แสดงความไม่เฉื่อยของระบบที่เกี่ยวข้องกับโลกคือพฤติกรรมของลูกตุ้มฟูโกต์ นี่คือชื่อของลูกบอลขนาดใหญ่ที่แขวนอยู่บนเส้นด้ายที่ค่อนข้างยาว และมีการแกว่งเล็กน้อยรอบๆ ตำแหน่งสมดุล ถ้าระบบที่เกี่ยวข้องกับโลกเป็นแบบเฉื่อย ระนาบการแกว่งของลูกตุ้มฟูโกต์จะยังคงไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเทียบกับโลก ในความเป็นจริง ระนาบการแกว่งของลูกตุ้มหมุนเนื่องจากการหมุนของโลก และการฉายวิถีของลูกตุ้มลงบนพื้นผิวโลกมีรูปร่างของดอกกุหลาบ (รูปที่ 1)

ความจริงที่ว่าร่างกายมีแนวโน้มที่จะรักษาไม่เพียงแค่การเคลื่อนไหวใด ๆ เท่านั้น แต่ยังมีการเคลื่อนไหวเป็นเส้นตรงด้วยประสบการณ์ต่อไปนี้ (รูปที่ 2) ลูกบอลที่เคลื่อนที่เป็นเส้นตรงไปตามพื้นผิวแนวนอนเรียบและชนกับสิ่งกีดขวางที่มีรูปร่างโค้งมน จะถูกบังคับให้เคลื่อนที่เป็นส่วนโค้งภายใต้อิทธิพลของสิ่งกีดขวางนี้ อย่างไรก็ตาม เมื่อลูกบอลถึงขอบสิ่งกีดขวาง ลูกบอลจะหยุดเคลื่อนที่เป็นเส้นโค้งและเริ่มเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงอีกครั้ง เมื่อสรุปผลลัพธ์ของการสังเกตที่กล่าวมาข้างต้น (และที่คล้ายกัน) เราสามารถสรุปได้ว่าหากวัตถุที่กำหนดไม่ถูกกระทำโดยวัตถุอื่นหรือการกระทำของพวกมันได้รับการชดเชยร่วมกัน วัตถุนี้จะหยุดนิ่งหรือความเร็วของการเคลื่อนที่ของมันยังคงไม่เปลี่ยนแปลงโดยสัมพันธ์กัน เข้ากับกรอบอ้างอิงที่เชื่อมต่ออย่างแน่นหนากับพื้นผิวโลก

คำถาม #6:

ระบบอ้างอิงทั้งหมดแบ่งออกเป็นระบบเฉื่อยและไม่เฉื่อย กรอบอ้างอิงเฉื่อยรองรับกลศาสตร์ของนิวตัน เป็นลักษณะการเคลื่อนที่เชิงเส้นสม่ำเสมอและสภาวะพักตัว หน้าต่างอ้างอิงที่ไม่เฉื่อยสัมพันธ์กับการเคลื่อนที่ด้วยความเร่งในวิถีที่แตกต่างกัน การเคลื่อนไหวนี้ถูกกำหนดโดยคำนึงถึงกรอบอ้างอิงเฉื่อย กรอบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อยสัมพันธ์กับผลกระทบต่างๆ เช่น แรงเฉื่อย แรงหนีศูนย์กลาง และแรงโบลิทาร์

กระบวนการทั้งหมดนี้เกิดขึ้นจากการเคลื่อนไหว ไม่ใช่ปฏิสัมพันธ์ระหว่างร่างกาย กฎของนิวตันมักจะใช้ไม่ได้ผลในกรอบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อย ในกรณีเช่นนี้ การแก้ไขจะถูกเพิ่มเข้าไปในกฎหมายกลศาสตร์แบบดั้งเดิม แรงที่เกิดจากการเคลื่อนที่แบบไม่เฉื่อยจะถูกนำมาพิจารณาเมื่อพัฒนาผลิตภัณฑ์และกลไกทางเทคนิค รวมถึงแรงที่มีการหมุนด้วย ในชีวิตเราพบพวกเขาขณะเคลื่อนที่ในลิฟต์ ขี่ม้าหมุน ดูสภาพอากาศและการไหลของแม่น้ำ นอกจากนี้ยังนำมาพิจารณาเมื่อคำนวณการเคลื่อนที่ของยานอวกาศ

ระบบอ้างอิงเฉื่อยและไม่เฉื่อย

ระบบอ้างอิงเฉื่อยไม่เหมาะสำหรับการอธิบายการเคลื่อนที่ของวัตถุเสมอไป ในวิชาฟิสิกส์ มีระบบอ้างอิง 2 ประเภท: ระบบอ้างอิงเฉื่อยและระบบอ้างอิงไม่เฉื่อย ตามกลศาสตร์ของนิวตัน วัตถุใดๆ ก็ตามสามารถอยู่นิ่งหรือสม่ำเสมอได้ และ การเคลื่อนไหวเป็นเส้นตรงยกเว้นกรณีที่ร่างกายได้รับอิทธิพลจากภายนอก นี้ การเคลื่อนไหวสม่ำเสมอเรียกว่าการเคลื่อนที่ด้วยความเฉื่อย

การเคลื่อนที่เฉื่อย (กรอบอ้างอิงเฉื่อย) เป็นพื้นฐานของกลศาสตร์ของนิวตันและผลงานของกาลิเลโอ หากเราถือว่าดาวฤกษ์เป็นวัตถุที่อยู่นิ่ง (ซึ่งแท้จริงแล้วไม่เป็นความจริงเลยทั้งหมด) วัตถุใดก็ตามที่เคลื่อนที่อย่างสม่ำเสมอและเป็นเส้นตรงสัมพันธ์กับพวกมันจะทำให้เกิดกรอบอ้างอิงเฉื่อย

ต่างจากระบบอ้างอิงเฉื่อย เฟรมที่ไม่เฉื่อยจะเคลื่อนที่สัมพันธ์กับเฟรมที่ระบุด้วยความเร่งที่แน่นอน นอกจากนี้ การใช้กฎของนิวตันจำเป็นต้องมีตัวแปรเพิ่มเติม มิฉะนั้น จะไม่สามารถอธิบายระบบได้อย่างเพียงพอ เพื่อตอบคำถามที่ระบบอ้างอิงใดเรียกว่าระบบไม่เฉื่อย ควรพิจารณาตัวอย่างของการเคลื่อนที่แบบไม่เฉื่อย การเคลื่อนไหวนี้คือการหมุนเวียนของดาวเคราะห์ของเราและดาวเคราะห์ดวงอื่น

การเคลื่อนที่ในกรอบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อย

โคเปอร์นิคัสเป็นคนแรกที่แสดงให้เห็นว่าการเคลื่อนไหวที่ซับซ้อนสามารถเกิดขึ้นได้อย่างไรหากมีกองกำลังหลายฝ่ายเข้ามาเกี่ยวข้อง ก่อนหน้าเขาเชื่อกันว่าโลกเคลื่อนที่ได้ด้วยตัวเองตามกฎของนิวตัน ดังนั้นการเคลื่อนที่ของมันจึงเป็นแรงเฉื่อย อย่างไรก็ตาม โคเปอร์นิคัสพิสูจน์ว่าโลกหมุนรอบดวงอาทิตย์ นั่นคือมันเกิดการเคลื่อนที่ด้วยความเร่งซึ่งสัมพันธ์กับวัตถุที่อยู่นิ่งตามเงื่อนไขซึ่งอาจเป็นดาวฤกษ์ได้

ดังนั้นจึงมีกรอบอ้างอิงที่แตกต่างกัน เฉพาะที่มีการเคลื่อนที่ด้วยความเร่งซึ่งพิจารณาจากระบบเฉื่อยเท่านั้นจึงจะเรียกว่าไม่เฉื่อย

โลกเป็นกรอบอ้างอิง

ระบบอ้างอิงแบบไม่เฉื่อย ซึ่งเป็นตัวอย่างของการมีอยู่ซึ่งสามารถพบได้เกือบทุกที่ เป็นเรื่องปกติสำหรับวัตถุที่มีวิถีการเคลื่อนที่ที่ซับซ้อน โลกหมุนรอบดวงอาทิตย์ซึ่งทำให้เกิดการเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของระบบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อย อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติในชีวิตประจำวัน ทุกสิ่งที่เราเผชิญบนโลกค่อนข้างสอดคล้องกับสมมุติฐานของนิวตัน ประเด็นก็คือการแก้ไขการเคลื่อนที่แบบไม่เฉื่อยสำหรับระบบอ้างอิงที่เกี่ยวข้องกับโลกนั้นไม่มีนัยสำคัญมากและไม่ได้มีบทบาทสำคัญสำหรับเรา และด้วยเหตุผลเดียวกัน สมการของนิวตันจึงถือว่าใช้ได้โดยทั่วไป

ลูกตุ้มฟูโกต์

อย่างไรก็ตาม ในบางกรณีไม่สามารถหลีกเลี่ยงการแก้ไขได้ ตัวอย่างเช่น ลูกตุ้ม Foucault ที่มีชื่อเสียงระดับโลกในมหาวิหารเซนต์ปีเตอร์สเบิร์กไม่เพียงแต่แกว่งเป็นเส้นตรงเท่านั้น แต่ยังหมุนช้าๆ อีกด้วย การหมุนนี้เกิดจากการเคลื่อนที่แบบไม่เฉื่อยของโลกเข้าไป นอกโลก.

สิ่งนี้เป็นที่รู้จักครั้งแรกในปี พ.ศ. 2394 หลังจากการทดลองของนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศสแอล. ฟูโกต์ การทดลองนั้นไม่ได้ดำเนินการในเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก แต่ในปารีสในห้องโถงขนาดใหญ่ น้ำหนักของลูกตุ้มประมาณ 30 กก. และความยาวของเกลียวเชื่อมต่อได้มากถึง 67 เมตร

ในกรณีที่สูตรของนิวตันสำหรับกรอบอ้างอิงเฉื่อยเพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอที่จะอธิบายการเคลื่อนที่ สิ่งที่เรียกว่าแรงเฉื่อยจะถูกเพิ่มเข้าไป

คุณสมบัติของกรอบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อย

ระบบอ้างอิงแบบไม่เฉื่อยจะทำการเคลื่อนไหวต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่แบบเฉื่อย นี่อาจเป็นการเคลื่อนไหวแบบแปล การหมุน การเคลื่อนไหวแบบผสมผสานที่ซับซ้อน ในวรรณคดีก็มีเช่นกัน ตัวอย่างที่ง่ายที่สุดกรอบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อย เช่น ลิฟต์ที่มีความเร่ง เป็นเพราะการเคลื่อนไหวที่รวดเร็วทำให้เรารู้สึกเหมือนถูกกดลงกับพื้น หรือในทางกลับกัน ความรู้สึกที่ใกล้จะไร้น้ำหนักก็เกิดขึ้น กฎกลศาสตร์ของนิวตันไม่สามารถอธิบายปรากฏการณ์นี้ได้ หากคุณติดตามนักฟิสิกส์ชื่อดัง แรงโน้มถ่วงเดียวกันก็จะกระทำกับบุคคลในลิฟต์ ซึ่งหมายความว่าความรู้สึกควรจะเหมือนกัน แต่ในความเป็นจริงแล้วทุกอย่างแตกต่างออกไป ดังนั้นจึงจำเป็นต้องเพิ่มแรงเพิ่มเติมให้กับกฎของนิวตันซึ่งเรียกว่าแรงเฉื่อย

แรงเฉื่อย

พลังแห่งความเฉื่อยเป็นพลังแอคทีฟที่แท้จริง แม้ว่ามันจะแตกต่างในธรรมชาติจากแรงที่เกี่ยวข้องกับปฏิสัมพันธ์ระหว่างวัตถุในอวกาศ นำมาพิจารณาเมื่อพัฒนาโครงสร้างและอุปกรณ์ทางเทคนิคและมีบทบาทสำคัญในการดำเนินงาน แรงเฉื่อยวัดได้หลายวิธี เช่น โดยใช้สปริงไดนาโมมิเตอร์ ระบบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อยจะไม่ปิด เนื่องจากแรงเฉื่อยถือเป็นแรงภายนอก แรงเฉื่อยมีวัตถุประสงค์ ปัจจัยทางกายภาพและไม่ขึ้นอยู่กับเจตจำนงและความคิดเห็นของผู้สังเกต

ระบบอ้างอิงเฉื่อยและไม่เฉื่อย ตัวอย่างของการสำแดงซึ่งสามารถพบได้ในตำราฟิสิกส์ ได้แก่ การกระทำของแรงเฉื่อย แรงหนีศูนย์กลาง แรงโบลิทาร์ การถ่ายโอนโมเมนตัมจากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่ง และอื่นๆ

การเคลื่อนไหวในลิฟต์

ระบบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อยและแรงเฉื่อยจะแสดงออกมาได้ดีในระหว่างการขึ้นหรือลงด้วยความเร่ง หากลิฟต์เร่งความเร็วขึ้นไป แรงเฉื่อยที่เกิดขึ้นมีแนวโน้มที่จะกดบุคคลลงไปที่พื้น และในทางกลับกันเมื่อเบรกร่างกายจะเริ่มดูเบาลง ในแง่ของการแสดงออกแรงเฉื่อยในกรณีนี้คล้ายกับแรงโน้มถ่วง แต่มีลักษณะที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง แรงโน้มถ่วงคือแรงโน้มถ่วงซึ่งสัมพันธ์กับปฏิสัมพันธ์ระหว่างวัตถุ

แรงเหวี่ยง

แรงในระบบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อยก็สามารถเป็นแบบแรงเหวี่ยงได้เช่นกัน มีความจำเป็นต้องแนะนำแรงดังกล่าวด้วยเหตุผลเดียวกับแรงเฉื่อย ตัวอย่างที่เด่นชัดของการกระทำของแรงเหวี่ยงหนีศูนย์คือการหมุนบนสายพาน ขณะที่เก้าอี้พยายามให้บุคคลอยู่ใน "วงโคจร" แรงเฉื่อยจะทำให้ร่างกายถูกกดทับที่ด้านหลังด้านนอกของเก้าอี้ การเผชิญหน้าครั้งนี้แสดงออกมาในลักษณะของปรากฏการณ์เช่นแรงเหวี่ยง

แรงโบลิทาร์

ผลกระทบของแรงนี้เป็นที่ทราบกันดีจากตัวอย่างการหมุนของโลก สามารถเรียกได้ว่าเป็นกำลังตามเงื่อนไขเท่านั้นเนื่องจากไม่เป็นเช่นนั้น สาระสำคัญของการกระทำคือในระหว่างการหมุน (เช่น โลก) แต่ละจุดของวัตถุทรงกลมจะเคลื่อนที่เป็นวงกลม ในขณะที่วัตถุที่แยกออกจากโลกจะเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงในอุดมคติ (เช่น ตัวอย่างเช่น วัตถุอย่างอิสระ กำลังบินอยู่ในอวกาศ) เนื่องจากเส้นละติจูดเป็นวิถีการหมุนของจุดต่างๆ พื้นผิวโลกและมีรูปทรงของวงแหวน จากนั้นวัตถุใด ๆ ก็ถูกฉีกออกจากมันและเริ่มเคลื่อนที่ไปตามเส้นนี้ เคลื่อนที่เป็นเส้นตรง เริ่มเบี่ยงเบนไปจากมันมากขึ้นเรื่อย ๆ ในทิศทางละติจูดที่ต่ำกว่า

อีกทางเลือกหนึ่งคือเมื่อวัตถุถูกปล่อยไปในทิศทางเส้นลมปราณ แต่เนื่องจากการหมุนของโลก จากมุมมองของผู้สังเกตการณ์ทางโลก การเคลื่อนไหวของวัตถุจะไม่เป็นเส้นลมปราณอย่างเคร่งครัดอีกต่อไป

แรงโบลิทาร์มีอิทธิพลอย่างมากต่อการพัฒนากระบวนการในชั้นบรรยากาศ ภายใต้อิทธิพลของมันน้ำกระทบฝั่งตะวันออกของแม่น้ำที่ไหลไปในทิศทางเที่ยงอย่างแรงยิ่งขึ้นและค่อยๆกัดเซาะซึ่งนำไปสู่ลักษณะของหน้าผา ฝั่งตะวันตกกลับมีฝนตกทับถมจึงเรียบกว่าและมักถูกน้ำท่วมในช่วงน้ำท่วม จริงอยู่นี่ไม่ใช่เหตุผลเดียวที่นำไปสู่ความจริงที่ว่าตลิ่งหนึ่งของแม่น้ำสูงกว่าอีกฝั่งหนึ่ง แต่ในหลาย ๆ กรณีก็มีความโดดเด่น

แรงโบลิทาร์มีและ การยืนยันการทดลอง. ได้มาโดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน F. Reich ในการทดลอง วัตถุตกลงมาจากความสูง 158 ม. มีการทดลองดังกล่าวทั้งหมด 106 ครั้ง เมื่อตกลงมา วัตถุจะเบี่ยงเบนไปจากวิถีเส้นตรง (จากมุมมองของผู้สังเกตการณ์ทางโลก) ประมาณ 30 มม.

กรอบอ้างอิงเฉื่อยและทฤษฎีสัมพัทธภาพ

ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์ถูกสร้างขึ้นโดยสัมพันธ์กับระบบอ้างอิงเฉื่อย สิ่งที่เรียกว่าผลกระทบเชิงสัมพัทธภาพตามทฤษฎีนี้ ควรเกิดขึ้นในกรณีที่มีการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงมากของร่างกายสัมพันธ์กับผู้สังเกตการณ์ที่ "อยู่กับที่" สูตรทั้งหมดของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษยังถูกเขียนขึ้นสำหรับคุณลักษณะการเคลื่อนที่สม่ำเสมอของกรอบอ้างอิงเฉื่อย สมมุติฐานแรกของทฤษฎีนี้ยืนยันความเท่าเทียมกันของระบบอ้างอิงเฉื่อยใดๆ กล่าวคือ ไม่มีการสมมุติฐานระบบพิเศษที่มีความโดดเด่น

อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ทำให้เกิดข้อสงสัยเกี่ยวกับความเป็นไปได้ในการทดสอบผลกระทบเชิงสัมพัทธภาพ (รวมถึงข้อเท็จจริงของการดำรงอยู่ของมัน) ซึ่งนำไปสู่การเกิดขึ้นของปรากฏการณ์เช่นความขัดแย้งคู่แฝด เนื่องจากระบบอ้างอิงที่เกี่ยวข้องกับจรวดและโลกมีความเท่าเทียมกันโดยพื้นฐาน ผลกระทบของการขยายเวลาในคู่จรวดโลกจะขึ้นอยู่กับตำแหน่งของผู้สังเกตการณ์เท่านั้น ดังนั้นสำหรับผู้สังเกตการณ์บนจรวด เวลาบนโลกควรจะเดินช้าลง และสำหรับคนบนโลกของเรา ในทางกลับกัน เวลาบนโลกควรจะเดินช้าลงบนจรวด เป็นผลให้แฝดที่ยังคงอยู่บนโลกจะเห็นน้องชายของเขาที่มาถึงเป็นน้อง และคนที่อยู่ในจรวดเมื่อมาถึงก็จะเห็นเขาอายุน้อยกว่าคนที่ยังคงอยู่บนโลก เห็นได้ชัดว่านี่เป็นไปไม่ได้ทางกายภาพ

ซึ่งหมายความว่าเพื่อที่จะสังเกตผลกระทบเชิงสัมพัทธภาพ เราจำเป็นต้องมีระบบอ้างอิงพิเศษบางประเภทโดยเฉพาะ ตัวอย่างเช่น สันนิษฐานว่าเราสังเกตเห็นการเพิ่มขึ้นเชิงสัมพัทธ์ในช่วงอายุของมิวออน หากพวกมันเคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้แสงเมื่อเทียบกับโลก ซึ่งหมายความว่าโลกจะต้อง (โดยไม่มีทางเลือกอื่น) มีคุณสมบัติของระบบอ้างอิงพื้นฐานที่มีลำดับความสำคัญ ซึ่งขัดแย้งกับสมมุติฐานแรกของ STR ลำดับความสำคัญจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อโลกเป็นศูนย์กลางของจักรวาลซึ่งสอดคล้องกับภาพดึกดำบรรพ์ของโลกเท่านั้นและขัดแย้งกับฟิสิกส์

กรอบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อยเป็นวิธีที่ล้มเหลวในการอธิบายความขัดแย้งคู่

ความพยายามที่จะอธิบายลำดับความสำคัญของระบบอ้างอิง "ทางโลก" ไม่สามารถต้านทานการวิพากษ์วิจารณ์ได้ นักวิทยาศาสตร์บางคนเชื่อมโยงลำดับความสำคัญนี้อย่างแม่นยำกับปัจจัยความเฉื่อยของระบบอ้างอิงหนึ่งและความไม่เฉื่อยของระบบอ้างอิงอื่น ในกรณีนี้ ระบบอ้างอิงที่เกี่ยวข้องกับผู้สังเกตการณ์บนโลกถือเป็นระบบเฉื่อย แม้ว่าในทางวิทยาศาสตร์กายภาพจะได้รับการยอมรับอย่างเป็นทางการว่าไม่เฉื่อย (Dettlaff, Yavorsky, หลักสูตรฟิสิกส์, 2000) นี่เป็นครั้งแรก ประการที่สองคือหลักการเดียวกันของความเท่าเทียมกันของระบบอ้างอิงใดๆ ถ้าอย่างนั้น ยานอวกาศออกจากโลกด้วยความเร่งจากนั้นจากมุมมองของผู้สังเกตการณ์บนตัวเรือเองมันก็คงที่และในทางกลับกันโลกก็บินออกไปจากมันด้วยความเร็วที่เพิ่มขึ้น

ปรากฎว่าโลกนั้นเป็นกรอบอ้างอิงพิเศษ หรือผลกระทบที่สังเกตได้มีคำอธิบายที่แตกต่าง (ไม่สัมพันธ์กัน) บางทีกระบวนการอาจเกี่ยวข้องกับลักษณะเฉพาะของการตั้งค่าหรือการตีความการทดลองหรือกับกลไกทางกายภาพอื่น ๆ ของปรากฏการณ์ที่สังเกตได้

บทสรุป

ดังนั้น กรอบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อยนำไปสู่การเกิดขึ้นของแรงที่ไม่พบในกฎกลศาสตร์ของนิวตัน เมื่อทำการคำนวณสำหรับระบบที่ไม่เฉื่อย จะต้องคำนึงถึงแรงเหล่านี้ด้วย รวมถึงเมื่อพัฒนาผลิตภัณฑ์ทางเทคนิคด้วย

ตั้งแต่สมัยโบราณ การเคลื่อนไหวของวัตถุไม่เคยหยุดนิ่งเพื่อกระตุ้นจิตใจของนักวิทยาศาสตร์ ตัวอย่างเช่น อริสโตเติลเองเชื่อว่าหากไม่มีแรงกระทำต่อร่างกาย ร่างกายนั้นจะสงบนิ่งอยู่เสมอ

และเพียง 2,000 ปีต่อมา นักวิทยาศาสตร์ชาวอิตาลี กาลิเลโอ กาลิเลอี ก็สามารถแยกคำว่า "เสมอ" ออกจากสูตรของอริสโตเติลได้ กาลิเลโอตระหนักว่าร่างกายที่อยู่นิ่งไม่ได้เป็นเพียงผลจากการไม่มีแรงภายนอกเท่านั้น

จากนั้นกาลิเลโอก็ประกาศว่า: วัตถุที่ไม่มีแรงกระทำใดๆ จะอยู่นิ่งหรือเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงสม่ำเสมอ นั่นคือการเคลื่อนไหวด้วยความเร็วเท่ากันตามเส้นทางตรงจากมุมมองของฟิสิกส์เทียบเท่ากับสภาวะที่เหลือ

สภาวะการพักผ่อนคืออะไร?

ในชีวิตความจริงข้อนี้สังเกตได้ยากมากเนื่องจากมีแรงเสียดทานอยู่เสมอซึ่งป้องกันไม่ให้วัตถุและสิ่งของหลุดออกจากที่ แต่ถ้าคุณจินตนาการถึงลูกกลิ้งที่ยาวไร้ขีด จำกัด ลื่นและราบรื่นอย่างแน่นอนซึ่งร่างกายยืนอยู่ก็จะเห็นได้ชัดว่าหากคุณให้แรงกระตุ้นร่างกายร่างกายจะเคลื่อนไหวไปเรื่อย ๆ และเป็นเส้นตรงเส้นเดียว

อันที่จริงมีเพียงสองแรงเท่านั้นที่กระทำต่อร่างกาย: แรงโน้มถ่วงและแรงปฏิกิริยาภาคพื้นดิน แต่พวกมันอยู่บนเส้นตรงเดียวกันและหันเข้าหากัน ดังนั้น ตามหลักการของการซ้อน เรามีแรงทั้งหมดที่กระทำต่อวัตถุดังกล่าวเป็นศูนย์

อย่างไรก็ตาม นี่เป็นกรณีในอุดมคติ ในชีวิต แรงเสียดทานปรากฏอยู่ในเกือบทุกกรณี กาลิเลโอได้ค้นพบที่สำคัญโดยเทียบสภาวะการพักและการเคลื่อนไหวด้วยความเร็วคงที่เป็นเส้นตรง แต่นี่ยังไม่เพียงพอ ปรากฎว่าเงื่อนไขนี้ไม่พอใจทุกกรณี

ปัญหานี้ได้รับการชี้แจงโดยไอแซก นิวตัน ซึ่งเป็นผู้สรุปงานวิจัยของกาลิเลโอและได้กำหนดกฎข้อที่หนึ่งของนิวตันขึ้นมา

กฎข้อที่หนึ่งของนิวตัน: เรากำหนดมันขึ้นมาเอง

กฎข้อที่หนึ่งของนิวตันมีสูตรอยู่สองสูตร: สูตรสมัยใหม่และสูตรของไอแซก นิวตันเอง ในเวอร์ชันดั้งเดิม กฎข้อที่หนึ่งของนิวตันค่อนข้างไม่ถูกต้อง และเวอร์ชันสมัยใหม่กลับกลายเป็นว่าเกิดความสับสนอย่างมากและไม่ประสบความสำเร็จในการพยายามแก้ไขความไม่ถูกต้องนี้ เนื่องจากความจริงมักจะอยู่ที่ไหนสักแห่งใกล้ ๆ เราจะพยายามค้นหามัน "ใกล้ ๆ " และหาว่ากฎนี้คืออะไร

สูตรที่ทันสมัยฟังดูเหมือน: “มีระบบอ้างอิงดังกล่าว เรียกว่าแรงเฉื่อย ซึ่งสัมพันธ์กับจุดวัตถุโดยไม่มีอิทธิพลจากภายนอก โดยจะคงขนาดและทิศทางของความเร็วไว้ได้อย่างไม่มีกำหนด”.

ระบบอ้างอิงเฉื่อย

ระบบอ้างอิงเฉื่อยคือระบบที่เป็นไปตามกฎความเฉื่อย กฎความเฉื่อยคือวัตถุจะรักษาความเร็วไว้ไม่เปลี่ยนแปลงหากวัตถุอื่นไม่กระทำ มันกลายเป็นเรื่องที่ย่อยไม่ได้เข้าใจไม่ได้และชวนให้นึกถึงสถานการณ์ที่ตลกขบขันเมื่อคำถาม: "ที่นี่" อยู่ที่ไหน? พวกเขาตอบว่า: "อยู่ที่นี่" และสำหรับคำถามเชิงตรรกะถัดไป: "" ที่นี่ "อยู่ที่ไหน" พวกเขาตอบว่า: "อยู่ที่นี่" น้ำมันเนย วงจรอุบาทว์.

สูตรของนิวตันเองนี่คือ: “ร่างกายทุกคนยังคงได้รับการดูแลให้อยู่ในสภาวะพักหรือเคลื่อนไหวสม่ำเสมอและเป็นเส้นตรง จนกว่าและเว้นแต่จะถูกบังคับให้เปลี่ยนสถานะนั้น”.

อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติกฎหมายนี้ไม่ได้ปฏิบัติตามเสมอไป คุณสามารถตรวจสอบสิ่งนี้ได้อย่างง่ายดาย เมื่อบุคคลยืนโดยไม่จับราวจับในรถบัสที่กำลังเคลื่อนที่ และรถบัสเบรกกะทันหัน บุคคลนั้นจะเริ่มเคลื่อนที่ไปข้างหน้าโดยสัมพันธ์กับรถบัส แม้ว่าจะไม่มีแรงที่มองเห็นได้บังคับให้เขาทำเช่นนั้นก็ตาม

นั่นคือ ในส่วนที่เกี่ยวกับบัส กฎข้อแรกของนิวตันในสูตรดั้งเดิมไม่เป็นที่พอใจ แน่นอนว่ามันต้องมีการชี้แจง การชี้แจงคือการแนะนำระบบอ้างอิงเฉื่อย นั่นคือระบบอ้างอิงที่เป็นไปตามกฎข้อที่หนึ่งของนิวตัน เรื่องนี้ยังไม่ชัดเจนนัก ดังนั้นเรามาลองแปลทั้งหมดนี้เป็นภาษามนุษย์กันดีกว่า

ระบบอ้างอิงเฉื่อยและไม่เฉื่อย

คุณสมบัติของความเฉื่อยของวัตถุใดๆ ก็คือตราบใดที่วัตถุยังคงแยกออกจากวัตถุอื่นๆ มันก็จะคงสภาพของการพักผ่อนหรือการเคลื่อนที่เชิงเส้นสม่ำเสมอ “โดดเดี่ยว” หมายความว่า ไม่เชื่อมต่อกันแต่อย่างใด ห่างไกลจากร่างกายอื่นอย่างไม่มีที่สิ้นสุด

ในทางปฏิบัติ หมายความว่าหากในตัวอย่างของเรา เราไม่ได้ใช้รถบัสเป็นระบบอ้างอิง แต่มีดาวดวงหนึ่งอยู่บริเวณรอบนอกของกาแล็กซี กฎข้อแรกของนิวตันจะพึงพอใจอย่างแน่นอนสำหรับผู้โดยสารที่ประมาทซึ่งไม่ยึดถือ ราวบันได เมื่อรถบัสเบรก รถบัสจะเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องจนกว่าส่วนอื่นๆ จะเคลื่อนไหว

ระบบอ้างอิงดังกล่าวซึ่งไม่เกี่ยวข้องกับร่างกายภายใต้การพิจารณา และไม่มีผลกระทบต่อความเฉื่อยของร่างกายในทางใดทางหนึ่ง เรียกว่าระบบเฉื่อย สำหรับระบบอ้างอิงดังกล่าว กฎข้อแรกของนิวตันในสูตรดั้งเดิมนั้นใช้ได้อย่างสมบูรณ์

นั่นคือกฎหมาย สามารถกำหนดได้เช่นนี้: ในระบบอ้างอิงที่ไม่ได้เชื่อมต่อกับร่างกายโดยสิ้นเชิง ความเร็วของร่างกายในกรณีที่ไม่มีอิทธิพลจากภายนอกยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ในรูปแบบนี้ กฎข้อแรกของนิวตันจะเข้าใจได้ง่าย

ปัญหาคือในทางปฏิบัติ การพิจารณาการเคลื่อนที่ของวัตถุใดๆ ที่เกี่ยวข้องกับระบบอ้างอิงนั้นเป็นเรื่องยากมาก เราไม่สามารถเคลื่อนที่ไปยังดาวฤกษ์ที่อยู่ห่างไกลอย่างไม่มีที่สิ้นสุด แล้วจึงทำการทดลองใดๆ บนโลกจากที่นั่นได้

ดังนั้นตามอัตภาพโลกจึงมักถูกมองว่าเป็นระบบอ้างอิงถึงแม้ว่ามันจะเชื่อมต่อกับวัตถุที่อยู่บนนั้นและส่งผลต่อลักษณะการเคลื่อนที่ของพวกมัน แต่สำหรับการคำนวณหลายอย่าง การประมาณนี้ก็เพียงพอแล้ว ดังนั้นตัวอย่างของระบบอ้างอิงเฉื่อยจึงถือได้ว่าเป็นโลกสำหรับวัตถุที่ตั้งอยู่บนนั้น ระบบสุริยะสำหรับดาวเคราะห์ของมันและอื่นๆ

กฎข้อที่หนึ่งของนิวตันไม่ได้อธิบายด้วยสูตรทางกายภาพใดๆ แต่ด้วยความช่วยเหลือของกฎนี้ ทำให้เกิดแนวคิดและคำจำกัดความอื่นๆ ขึ้นมา โดยพื้นฐานแล้ว กฎหมายนี้ตั้งสมมติฐานความเฉื่อยของร่างกาย และด้วยเหตุนี้ปรากฎว่าสำหรับระบบอ้างอิงเฉื่อย กฎความเฉื่อยคือกฎข้อแรกของนิวตัน

ตัวอย่างเพิ่มเติมของระบบเฉื่อยและกฎข้อที่หนึ่งของนิวตัน

ตัวอย่างเช่น หากรถเข็นที่มีลูกบอลเคลื่อนที่ไปบนพื้นผิวเรียบก่อนด้วยความเร็วคงที่ จากนั้นขับไปบนพื้นผิวทราย ลูกบอลที่อยู่ในรถเข็นก็จะเริ่มเร่งความเร็วแม้ว่าจะไม่มีแรงกระทำใดๆ (ใน จริงๆ แล้วเป็นเช่นนั้น แต่จำนวนเงินเป็นศูนย์)

สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากระบบอ้างอิง (ในกรณีนี้คือรถเข็น) ในขณะที่มันกระทบกับพื้นผิวทรายกลายเป็นแบบไม่เฉื่อย กล่าวคือ มันหยุดเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่

กฎข้อที่หนึ่งของนิวตันสร้างความแตกต่างที่สำคัญระหว่างกรอบอ้างอิงเฉื่อยและกรอบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อย ผลที่ตามมาที่สำคัญอีกประการหนึ่งของกฎข้อนี้คือข้อเท็จจริงที่ว่าความเร่งมีความสำคัญมากกว่าความเร็วของร่างกาย

เพราะการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่เป็นเส้นตรงคือการหยุดนิ่ง ในขณะที่การเคลื่อนที่ด้วยความเร่งแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าผลรวมของแรงที่กระทำต่อวัตถุไม่เท่ากับศูนย์ หรือกรอบอ้างอิงที่วัตถุนั้นตั้งอยู่นั้นไม่ใช่แรงเฉื่อย กล่าวคือ การเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง

นอกจากนี้ ความเร่งอาจเป็นได้ทั้งเชิงบวก (ร่างกายเร่งความเร็ว) หรือเชิงลบ (ร่างกายช้าลง)

ต้องการความช่วยเหลือในการศึกษาของคุณหรือไม่?

หัวข้อก่อนหน้า: สัมพัทธภาพของการเคลื่อนที่: แนวคิดและตัวอย่าง
หัวข้อถัดไป:   กฎข้อที่สองของนิวตัน: สูตรและคำจำกัดความ + ประสบการณ์น้อย

ระบบอ้างอิงเฉื่อย (IRS)- ระบบอ้างอิงที่ใช้กฎความเฉื่อย: ทุกอย่าง ร่างกายฟรี(นั่นคือ สิ่งที่ไม่ได้ถูกกระทำโดยแรงภายนอกหรือการกระทำของแรงเหล่านี้จะได้รับการชดเชย) เคลื่อนที่ในสิ่งเหล่านั้นเป็นเส้นตรงและสม่ำเสมอหรือนิ่งอยู่ในสิ่งเหล่านั้น

กรอบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อย- ระบบอ้างอิงตามอำเภอใจที่ไม่เฉื่อย ระบบอ้างอิงใดๆ ที่เคลื่อนที่ด้วยความเร่งสัมพันธ์กับระบบอ้างอิงเฉื่อย ถือว่าระบบอ้างอิงไม่เฉื่อย

กฎข้อแรกของนิวตัน -มีระบบอ้างอิงเฉื่อย เช่น ระบบอ้างอิงที่วัตถุเคลื่อนที่สม่ำเสมอและเป็นเส้นตรงหากวัตถุอื่นไม่กระทำการกับวัตถุนั้น บทบาทหลักของกฎนี้คือการเน้นย้ำว่าในระบบอ้างอิงเหล่านี้ ความเร่งทั้งหมดที่วัตถุได้รับนั้นเป็นผลมาจากปฏิสัมพันธ์ของวัตถุ คำอธิบายเพิ่มเติมของการเคลื่อนที่ควรดำเนินการเฉพาะในระบบอ้างอิงเฉื่อยเท่านั้น

 กฎข้อที่สองของนิวตันกล่าวว่าสาเหตุของความเร่งของร่างกายคือปฏิสัมพันธ์ของร่างกายซึ่งมีลักษณะเฉพาะคือแรง กฎข้อนี้ให้สมการพื้นฐานของไดนามิก ซึ่งตามหลักการแล้วช่วยให้ค้นหากฎการเคลื่อนที่ของวัตถุได้หากทราบแรงที่กระทำต่อวัตถุนั้น กฎหมายนี้สามารถกำหนดได้ดังนี้ (รูปที่ 100):

ความเร่งของตัวจุด ( จุดวัสดุ) เป็นสัดส่วนโดยตรงกับผลรวมของแรงที่กระทำต่อร่างกาย และเป็นสัดส่วนผกผันกับมวลของร่างกาย:

ที่นี่ เอฟ− แรงลัพธ์ นั่นคือผลรวมเวกเตอร์ของแรงทั้งหมดที่กระทำต่อร่างกาย เมื่อมองแวบแรก สมการ (1) เป็นอีกรูปแบบหนึ่งในการเขียนคำจำกัดความของแรงที่ให้มา ส่วนก่อนหน้า. อย่างไรก็ตามนี่ไม่เป็นความจริงเลย ประการแรก กฎของนิวตันระบุว่าสมการ (1) รวมผลรวมของแรงทั้งหมดที่กระทำต่อวัตถุ ซึ่งไม่ใช่คำจำกัดความของแรง ประการที่สอง กฎข้อที่สองของนิวตันเน้นย้ำอย่างชัดเจนว่าแรงเป็นสาเหตุของการเร่งความเร็วของร่างกาย และไม่ใช่ในทางกลับกัน

 กฎข้อที่สามของนิวตันเน้นย้ำว่าสาเหตุของความเร่งคือการกระทำร่วมกันของร่างกายต่อกัน ดังนั้นแรงที่กระทำต่อวัตถุที่มีปฏิสัมพันธ์จึงเป็นลักษณะของปฏิสัมพันธ์ที่เหมือนกัน จากมุมมองนี้ ไม่มีอะไรน่าประหลาดใจในกฎข้อที่สามของนิวตัน (รูปที่ 101):

วัตถุจุด (จุดวัสดุ) ทำปฏิกิริยากับแรงที่มีขนาดเท่ากันและมีทิศทางตรงกันข้ามและพุ่งไปตามแนวเส้นตรงที่เชื่อมวัตถุเหล่านี้:

ที่ไหน เอฟ 12 − แรงที่กระทำต่อวัตถุตัวแรกจากวัตถุที่สอง a เอฟ 21 − แรงที่กระทำต่อวัตถุตัวที่สองจากตัวแรก เห็นได้ชัดว่าพลังเหล่านี้มีลักษณะเดียวกัน กฎหมายฉบับนี้ยังเป็นการสรุปข้อเท็จจริงเชิงทดลองจำนวนมากด้วย โปรดทราบว่าในความเป็นจริงแล้ว กฎนี้เองที่เป็นพื้นฐานสำหรับคำจำกัดความของมวลของวัตถุที่ให้ไว้ในหัวข้อที่แล้ว

สมการการเคลื่อนที่ของจุดวัสดุในกรอบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อยสามารถแสดงได้ดังนี้ :

ที่ไหน - น้ำหนักร่างกาย , - ความเร่งและความเร็วของร่างกายสัมพันธ์กับกรอบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อย - ผลรวมของแรงภายนอกทั้งหมดที่กระทำต่อร่างกาย - การเร่งความเร็วแบบพกพาร่างกาย, - การเร่งความเร็วของโบลิทาร์ร่างกาย - ความเร็วเชิงมุมของการเคลื่อนที่แบบหมุนของระบบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อยรอบแกนทันทีที่ผ่านจุดกำเนิดของพิกัด - ความเร็วของการเคลื่อนที่ของจุดกำเนิดของระบบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อยสัมพันธ์กับระบบอ้างอิงเฉื่อยใด ๆ

สมการนี้สามารถเขียนได้ในรูปแบบปกติ กฎข้อที่สองของนิวตันถ้าคุณเข้ามา แรงเฉื่อย:

ในระบบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อย แรงเฉื่อยจะเกิดขึ้น การปรากฏตัวของแรงเหล่านี้เป็นสัญญาณของการไม่เฉื่อยของระบบอ้างอิง

ระบบอ้างอิงที่เคลื่อนที่ (สัมพันธ์กับดวงดาว) สม่ำเสมอและเป็นเส้นตรง (เช่น โดยความเฉื่อย) เรียกว่าแรงเฉื่อย เห็นได้ชัดว่ามีระบบอ้างอิงจำนวนนับไม่ถ้วน เนื่องจากระบบใดๆ ที่เคลื่อนที่สม่ำเสมอและเป็นเส้นตรงสัมพันธ์กับระบบอ้างอิงเฉื่อยบางระบบก็มีความเฉื่อยเช่นกัน ระบบอ้างอิงที่เคลื่อนที่ (สัมพันธ์กับกรอบเฉื่อย) ด้วยความเร่งเรียกว่าไม่เฉื่อย

ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่า

ในระบบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมด กระบวนการทางกลทั้งหมดจะดำเนินการในลักษณะเดียวกันทุกประการ (ภายใต้สภาวะเดียวกัน)

ตำแหน่งนี้เรียกว่าหลักการสัมพัทธภาพทางกล (หรือหลักการสัมพัทธภาพของกาลิเลโอ) กำหนดขึ้นในปี 1636 โดยกาลิเลโอ กาลิเลโออธิบายเรื่องนี้โดยใช้ตัวอย่างกระบวนการทางกลที่เกิดขึ้นในห้องโดยสารของเรือที่แล่นอย่างสม่ำเสมอและเป็นเส้นตรงในทะเลสงบ สำหรับผู้สังเกตการณ์ในห้องโดยสาร การสั่นของลูกตุ้ม การตกของร่างกาย และกระบวนการทางกลอื่นๆ ดำเนินไปในลักษณะเดียวกับบนเรือที่จอดอยู่กับที่ ดังนั้น โดยการสังเกตกระบวนการเหล่านี้ จึงเป็นไปไม่ได้ที่จะกำหนดขนาดของความเร็วหรือแม้แต่ข้อเท็จจริงของการเคลื่อนที่ของเรือ ในการตัดสินการเคลื่อนที่ของเรือโดยสัมพันธ์กับระบบอ้างอิงใดๆ (เช่น พื้นผิวของน้ำ) จำเป็นต้องสังเกตระบบนี้ (ดูว่าวัตถุที่วางอยู่บนน้ำเคลื่อนตัวออกไปอย่างไร เป็นต้น)

เมื่อต้นศตวรรษที่ 20 ปรากฎว่าไม่เพียงแต่ทางกลเท่านั้น แต่ยังรวมถึงกระบวนการทางความร้อน ไฟฟ้า ทางแสง และกระบวนการอื่นๆ ทั้งหมดและปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่เกิดขึ้นในลักษณะเดียวกันทุกประการในระบบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมด บนพื้นฐานนี้ ไอน์สไตน์ได้กำหนดหลักการทั่วไปของสัมพัทธภาพในปี 1905 ซึ่งต่อมาเรียกว่าหลักการสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์:

ในกรอบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมด กระบวนการทางกายภาพดำเนินการในลักษณะเดียวกันทุกประการ (ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน)

หลักการนี้ควบคู่ไปกับหลักการที่ว่าความเร็วของการแพร่กระจายของแสงในสุญญากาศไม่ขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดแสง (ดูมาตรา 20) เป็นพื้นฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษที่พัฒนาโดยไอน์สไตน์

กฎของนิวตันและกฎไดนามิกอื่นๆ ที่เราพิจารณาแล้วจะเป็นไปตามกรอบอ้างอิงเฉื่อยเท่านั้น ในกรอบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อย โดยทั่วไปแล้ว กฎเหล่านี้จะใช้ไม่ได้อีกต่อไป ลองดูตัวอย่างง่ายๆ เพื่อแสดงให้เห็นข้อความสุดท้าย

ลูกบอลมวลวางอยู่บนแท่นที่ราบเรียบโดยสมบูรณ์ เคลื่อนที่สม่ำเสมอและเป็นเส้นตรง ผู้สังเกตการณ์อยู่บนแท่นเดียวกัน ผู้สังเกตการณ์อีกคนหนึ่งกำลังยืนอยู่บนโลกใกล้กับจุดที่ชานชาลาจะผ่านไปในไม่ช้า เห็นได้ชัดว่าผู้สังเกตการณ์ทั้งสองมีความเกี่ยวข้องกับกรอบอ้างอิงเฉื่อย

บัดนี้ ในขณะที่ผู้สังเกตการณ์ที่เกี่ยวข้องกับโลกเคลื่อนผ่าน แท่นนั้นเริ่มเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง a กล่าวคือ กลายเป็นระบบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อย ในกรณีนี้ ลูกบอลซึ่งก่อนหน้านี้อยู่นิ่งสัมพันธ์กับแท่นจะเริ่มเคลื่อนที่ (สัมพันธ์กับมัน) ด้วยความเร่ง a ซึ่งตรงกันข้ามในทิศทางและมีขนาดเท่ากันกับความเร่งที่ได้รับจากแท่น เรามาดูกันว่าพฤติกรรมของลูกบอลจะเป็นอย่างไรจากมุมมองของผู้สังเกตแต่ละคน

สำหรับผู้สังเกตที่เกี่ยวข้องกับกรอบอ้างอิงเฉื่อย - โลก ลูกบอลยังคงเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องและเป็นเส้นตรงตามกฎของความเฉื่อย (เนื่องจากไม่มีแรงใดกระทำต่อลูกบอลยกเว้นแรงโน้มถ่วง ซึ่งสมดุลโดยปฏิกิริยาของส่วนรองรับ) .

ผู้สังเกตการณ์ที่เกี่ยวข้องกับระบบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อย - แพลตฟอร์ม - เห็นภาพอื่น: ลูกบอลเริ่มเคลื่อนที่และได้รับความเร่ง - แต่ไม่มีอิทธิพลของแรง (เนื่องจากผู้สังเกตไม่ได้ตรวจจับอิทธิพลของวัตถุอื่นใดบนลูกบอล ที่ให้การเร่งความเร็วแก่ลูกบอล) สิ่งนี้ขัดแย้งกับกฎความเฉื่อยอย่างชัดเจน กฎข้อที่สองของนิวตันไม่พอใจเช่นกัน เมื่อนำไปใช้แล้ว ผู้สังเกตการณ์จะได้รับ (แรง) นั้น และนี่เป็นไปไม่ได้ เนื่องจากไม่มีหรือ a เท่ากับศูนย์

อย่างไรก็ตาม เป็นไปได้ที่จะทำให้กฎไดนามิกนำไปใช้อธิบายการเคลื่อนไหวในกรอบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อยได้ หากเรานำแรงเฉื่อยชนิดพิเศษมาพิจารณาด้วย จากนั้น ในตัวอย่างของเรา ผู้สังเกตการณ์ที่เกี่ยวข้องกับแท่นสามารถเชื่อว่าลูกบอลเริ่มเคลื่อนที่ภายใต้อิทธิพลของแรงเฉื่อย

การแนะนำแรงเฉื่อยช่วยให้เราสามารถเขียนกฎข้อที่สองของนิวตัน (และผลที่ตามมา) ในรูปแบบปกติ (ดู§ 7) มีเพียงแรงกระทำเท่านั้นที่เราจะต้องเข้าใจผลลัพธ์ของแรง "ปกติ" และแรงเฉื่อย

มวลของร่างกายอยู่ที่ไหนและความเร่งของมัน

เราเรียกกองกำลังเฉื่อยว่ากองกำลังประเภท "พิเศษ" ประการแรก เนื่องจากพวกมันทำหน้าที่เฉพาะในกรอบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อยเท่านั้น และประการที่สอง เนื่องจากสำหรับพวกมัน ไม่เหมือนกับกองกำลัง "ธรรมดา" จึงเป็นไปไม่ได้ที่จะระบุการกระทำของสิ่งอื่นใด กายเหล่านั้น (บนกายนั้น) ล้วนถูกปรุงแต่งแล้ว. แน่นอนว่าด้วยเหตุนี้ จึงเป็นไปไม่ได้เลยที่จะใช้กฎข้อที่สามของนิวตัน (และผลที่ตามมา) กับแรงเฉื่อย นี่คือลักษณะที่สามของแรงเฉื่อย

การไม่สามารถระบุวัตถุแต่ละชิ้นซึ่งการกระทำ (บนวัตถุที่เป็นปัญหา) ทำให้เกิดแรงเฉื่อยไม่ได้หมายความว่าการเกิดขึ้นของแรงเหล่านี้ไม่ได้เกี่ยวข้องกับการกระทำของวัตถุใดๆ เลย มีเหตุผลร้ายแรงที่จะสรุปได้ว่าแรงเฉื่อยมีสาเหตุมาจากการกระทำของวัตถุทั้งชุดในจักรวาล (มวลของจักรวาลโดยรวม)

ความจริงก็คือว่ามีความคล้ายคลึงกันอย่างมากระหว่างแรงเฉื่อยและแรงโน้มถ่วง: ทั้งสองมีสัดส่วนกับมวลของร่างกายที่พวกมันกระทำ ดังนั้นความเร่งที่มอบให้กับร่างกายโดยแรงแต่ละแรงเหล่านี้จึงไม่ขึ้นอยู่กับ บนมวลของร่างกาย ภายใต้เงื่อนไขบางประการ กองกำลังเหล่านี้ไม่สามารถแยกแยะได้เลย ตัวอย่างเช่น สมมติว่าบางแห่งในอวกาศยานอวกาศกำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง (เนื่องจากการทำงานของเครื่องยนต์) นักบินอวกาศที่อยู่ในนั้นจะได้รับแรงกดเขาไปที่ "พื้น" (ผนังด้านหลังสัมพันธ์กับทิศทางการเคลื่อนที่) ของเรือ แรงนี้จะสร้างเอฟเฟกต์แบบเดียวกันทุกประการและทำให้นักบินอวกาศมีความรู้สึกแบบเดียวกันกับที่เกิดจากแรงโน้มถ่วงที่สอดคล้องกัน

หากนักบินอวกาศเชื่อว่าเรือของเขากำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร่งที่สัมพันธ์กับจักรวาล เขาจะเรียกแรงที่กระทำต่อเขาว่าพลังเฉื่อย หากนักบินอวกาศพิจารณาว่าเรือของเขาอยู่กับที่ และจักรวาลกำลังวิ่งผ่านเรือด้วยความเร่งเท่าเดิม a เขาจะเรียกแรงนี้ว่าแรงโน้มถ่วง และมุมมองทั้งสองจะเท่าเทียมกันโดยสิ้นเชิง ไม่มีการทดลองใดที่ทำขึ้นภายในเรือสามารถพิสูจน์ความถูกต้องของมุมมองหนึ่งและความเข้าใจผิดของอีกมุมมองหนึ่งได้

จากตัวอย่างที่พิจารณาและตัวอย่างอื่นๆ ที่คล้ายกัน การเคลื่อนที่ด้วยความเร่งของระบบอ้างอิงนั้นเทียบเท่ากัน (ซึ่งส่งผลต่อวัตถุ) กับการเกิดขึ้นของแรงโน้มถ่วงที่สอดคล้องกัน ตำแหน่งนี้เรียกว่าหลักการสมดุลของแรงโน้มถ่วงและความเฉื่อย (หลักการสมดุลของไอน์สไตน์) หลักการนี้เป็นพื้นฐาน ทฤษฎีทั่วไปทฤษฎีสัมพัทธภาพ

แรงเฉื่อยเกิดขึ้นไม่เพียงแต่ในการเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงเท่านั้น แต่ยังเกิดขึ้นในระบบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อยที่กำลังหมุนอีกด้วย ตัวอย่างเช่น สมมติว่า บนแท่นแนวนอนที่สามารถหมุนรอบแกนตั้งได้ จะมีวัตถุมวลเชื่อมต่ออยู่กับจุดศูนย์กลางการหมุน O ด้วยสายยาง (รูปที่ 18) หากแท่นเริ่มหมุนด้วยความเร็วเชิงมุมร่วม (และกลายเป็นระบบที่ไม่เฉื่อย) เนื่องจากการเสียดสีร่างกายก็จะมีส่วนร่วมในการหมุนด้วย ในเวลาเดียวกัน มันจะเคลื่อนที่ในทิศทางรัศมีจากจุดศูนย์กลางของแท่นจนกระทั่งแรงยืดหยุ่นที่เพิ่มขึ้นของสายยืดหยุดการเคลื่อนไหวนี้ จากนั้นร่างกายจะเริ่มหมุนห่างจากจุดศูนย์กลาง O

จากมุมมองของผู้สังเกตการณ์ที่เกี่ยวข้องกับแท่นการเคลื่อนที่ของลูกบอลสัมพันธ์กับมันเกิดจากแรงบางอย่าง นี่คือแรงเฉื่อย เนื่องจากไม่ได้เกิดจากการกระทำของวัตถุเฉพาะอื่น ๆ บนลูกบอล มันถูกเรียกว่าแรงเหวี่ยงของความเฉื่อย เห็นได้ชัดว่าแรงเหวี่ยงของความเฉื่อยมีขนาดเท่ากันและตรงกันข้ามในทิศทางกับแรงยืดหยุ่นของเชือกที่ยืดออก ซึ่งมีบทบาทเป็นแรงสู่ศูนย์กลางที่กระทำต่อวัตถุที่หมุนสัมพันธ์กับระบบเฉื่อย (ดูมาตรา 13) ดังนั้น

ดังนั้นแรงเหวี่ยงของความเฉื่อยจึงเป็นสัดส่วนกับระยะห่างของร่างกายจากแกนหมุน

เราเน้นว่าไม่ควรสับสนแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กับแรงเหวี่ยง "ธรรมดา" ที่กล่าวถึงในตอนท้ายของมาตรา 13 แรงเหล่านี้เป็นแรงที่มีลักษณะแตกต่างกันที่ใช้กับ วัตถุที่แตกต่างกัน: แรงเหวี่ยงของความเฉื่อยถูกนำไปใช้กับร่างกาย และใช้แรงเหวี่ยงกับการเชื่อมต่อ

โดยสรุป เราสังเกตว่าจากตำแหน่งของหลักการสมดุลของแรงโน้มถ่วงและความเฉื่อย มีการให้คำอธิบายง่ายๆ เกี่ยวกับการทำงานของกลไกการหมุนเหวี่ยงทั้งหมด: ปั๊ม ตัวแยก ฯลฯ (ดู§ 13)

กลไกการหมุนเหวี่ยงใด ๆ ถือได้ว่าเป็นระบบที่ไม่เฉื่อยหมุนได้ทำให้เกิดสนามความโน้มถ่วงของโครงร่างรัศมีซึ่งอยู่ในพื้นที่ จำกัด เกินกว่าสนามโน้มถ่วงภาคพื้นดินอย่างมีนัยสำคัญ ในด้านนี้ อนุภาคที่มีความหนาแน่นมากขึ้นของตัวกลางที่หมุนอยู่หรืออนุภาคที่มีความเกี่ยวข้องอย่างอ่อนกับตัวกลางจะเคลื่อนไปยังขอบของมัน (ราวกับว่าพวกมันไป "ด้านล่าง")