Fyzika relativního pohybu. KS. Relativita pohybu. Relativita dráhy, trajektorie a rychlosti
Pokud se za bezvětří pasažér, který se probudí v kajutě plachetnice, podívá z okna, hned nepochopí, zda loď pluje nebo je unášená. Za tlustým sklem je monotónní hladina moře, nahoře modrá obloha s nehybnými mraky. Nicméně v každém případě bude jachta v pohybu. A navíc v několika pohybech najednou ve vztahu k různým referenčním systémům. I bez ohledu na kosmické měřítko se tato osoba, která je v klidu vzhledem k trupu jachty, nachází ve stavu pohybu vzhledem k mase vody, která ji obklopuje. To je vidět v brázdě. Ale i když je jachta unášena se spuštěnou plachtou, pohybuje se s proudem vody, který tvoří mořský proud.
Tedy každé těleso, které je v klidu vůči jednomu tělesu (referenční soustava), je současně ve stavu pohybu vůči jinému tělesu (jiná vztažná soustava).
Galileův princip relativity
O relativitě pohybu uvažovali již středověcí vědci a v renesanci se tyto představy dále rozvíjely. "Proč necítíme rotaci Země?" – divili se myslitelé. Galileo Galilei dal principu relativity jasnou formulaci založenou na fyzikálních zákonech. „U objektů zachycených rovnoměrným pohybem,“ uzavřel vědec, „toto druhý zdánlivě neexistuje a projevuje svůj účinek pouze na věci, které se ho neúčastní. Pravda, toto tvrzení platí pouze v rámci zákonů klasické mechaniky.
Relativita dráhy, trajektorie a rychlosti
Ujetá vzdálenost, trajektorie a rychlost tělesa nebo bodu budou také relativní v závislosti na zvoleném referenčním systému. Vezměte si příklad muže, který procházel kočáry. Jeho dráha za určitý časový úsek vzhledem k vlaku se bude rovnat vzdálenosti, kterou urazí jeho vlastní nohy. Cesta se bude skládat z ujeté vzdálenosti a vzdálenosti přímo ujeté osobou, bez ohledu na to, kterým směrem šel. To samé s rychlostí. Ale zde bude rychlost pohybu osoby vzhledem k zemi vyšší než rychlost pohybu - pokud osoba kráčí ve směru vlaku, a nižší - pokud jde v opačném směru pohybu.
Je vhodné sledovat relativitu trajektorie bodu pomocí příkladu matice připevněné k ráfku kola jízdního kola a držící paprsek. Bude nehybný vzhledem k ráfku. Vzhledem k tělu jízdního kola to bude trajektorie kruhu. A vzhledem k zemi bude trajektorie tohoto bodu souvislý řetězec půlkruhů.
Navrhuji hru: vyberte si předmět v místnosti a popište jeho umístění. Udělejte to tak, aby hádající nemohl udělat chybu. Vyšlo to? Co vzejde z popisu, pokud nebudou použita jiná těla? Zůstanou následující výrazy: „vlevo od...“, „nad...“ a podobně. Polohu těla lze pouze nastavit vzhledem k nějakému jinému tělu.
Umístění pokladu: „Postavte se na východním rohu krajního domu, otočte se k severu, a když ujdete 120 kroků, otočte se čelem k východu a ujděte 200 kroků Na tomto místě vykopejte díru o velikosti 10 loket a najdete 100 zlaté cihly." Najít poklad je nemožné, jinak by byl dávno vykopaný. Proč? Těleso, ke kterému je popis prováděn, není definováno, není známo, ve které vesnici se právě onen dům nachází. Je nutné přesně určit těleso, které bude sloužit jako základ pro náš budoucí popis. Ve fyzice se takové těleso nazývá referenční tělo. Lze jej libovolně vybrat. Zkuste si například vybrat dvě různá referenční tělesa a popište umístění počítače v místnosti vzhledem k nim. Budou zde dva popisy, které se od sebe liší.
Souřadnicový systém
Podívejme se na obrázek. Kde je strom ve vztahu k cyklistovi I, cyklistovi II a nám při pohledu na monitor?
Vzhledem k referenčnímu tělesu - cyklista I - strom je vpravo, vzhledem k referenčnímu tělesu - cyklista II - strom je vlevo, vzhledem k nám je vepředu. Jedno a totéž tělo - strom, neustále umístěný na stejném místě, současně „vlevo“ a „vpravo“ a „vpředu“. Problém není jen v tom, že se volí různá referenční tělesa. Uvažujme jeho umístění vzhledem k cyklistovi I.
Na tomto obrázku je strom napravo od cyklisty I
Na tomto obrázku je strom vlevo, odjet od cyklisty I
Strom a cyklista nezměnili své umístění v prostoru, ale strom může být „vlevo“ a „vpravo“ zároveň. Abychom se zbavili nejednoznačnosti v popisu samotného směru, zvolíme určitý směr jako pozitivní, opak zvoleného bude negativní. Zvolený směr je označen osou se šipkou, šipka ukazuje kladný směr. V našem příkladu vybereme a označíme dva směry. Zleva doprava (osa, po které se cyklista pohybuje), a od nás uvnitř monitoru ke stromu - to je druhý pozitivní směr. Pokud je první směr, který jsme si vybrali, označen jako X, druhý - jako Y, získáme dvourozměrný souřadnicový systém.
Cyklista se vzhledem k nám pohybuje v záporném směru podél osy X, strom je v kladném směru podél osy Y
Cyklista se vzhledem k nám pohybuje kladným směrem podél osy X, strom je kladným směrem podél osy Y
Nyní určete, který předmět v místnosti je 2 metry v kladném směru X (napravo od vás) a 3 metry v záporném směru Y (za vámi). (2;-3) - souřadnice toto tělo. První číslo „2“ obvykle označuje umístění podél osy X, druhé číslo „-3“ označuje umístění podél osy Y Je záporné, protože osa Y není na straně stromu, ale na opačné straně boční. Po výběru referenčního těla a směru bude jednoznačně popsáno umístění jakéhokoli objektu. Pokud se otočíte zády k monitoru, vpravo a za vámi bude další objekt, ale jeho souřadnice budou jiné (-2;3). Souřadnice tedy přesně a jednoznačně určují polohu objektu.
Prostor, ve kterém žijeme, je prostorem tří rozměrů, jak se říká, trojrozměrným prostorem. Kromě toho, že tělo může být „vpravo“ („vlevo“), „vpředu“ („vzadu“), může být také „nad“ nebo „pod“ vámi. Toto je třetí směr - je zvykem jej označovat jako osa Z
Je možné zvolit různé směry os? Umět. Nemůžete ale měnit jejich směry při řešení například jednoho problému. Mohu zvolit jiné názvy os? Je to možné, ale riskujete, že vám ostatní nebudou rozumět, je lepší to nedělat. Je možné zaměnit osu X za osu Y? Můžete, ale nenechte se zmást souřadnicemi: (x;y).
Když se těleso pohybuje přímočaře, stačí k určení jeho polohy jedna souřadnicová osa.
K popisu pohybu po rovině se používá pravoúhlý souřadnicový systém skládající se ze dvou vzájemně kolmých os (kartézský souřadnicový systém).
Pomocí trojrozměrného souřadnicového systému můžete určit polohu těla v prostoru.
Referenční systém
Každé těleso v každém okamžiku zaujímá určitou pozici v prostoru vzhledem k ostatním tělesům. Již víme, jak určit jeho polohu. Pokud se poloha těla v průběhu času nemění, pak je v klidu. Pokud se poloha těla v průběhu času mění, znamená to, že se tělo pohybuje. Všechno na světě se děje někde a někdy: v prostoru (kde?) a v čase (kdy?). Přidáme-li k referenčnímu tělesu, souřadnicovému systému, který určuje polohu tělesa, metodu měření času – hodiny, dostaneme referenční systém. Pomocí kterého můžete vyhodnotit, zda se tělo pohybuje nebo je v klidu.
Relativita pohybu
Astronaut se vydal do vesmíru. Je ve stavu klidu nebo pohybu? Pokud to budeme považovat za příbuzné s kosmonautovým přítelem, který je poblíž, bude v klidu. A pokud je ve vztahu k pozorovateli na Zemi, astronaut se pohybuje obrovskou rychlostí. To samé s cestováním vlakem. Ohledně lidí ve vlaku sedíte nehybně a čtete si knihu. Ale vzhledem k lidem, kteří zůstali doma, se pohybujete rychlostí vlaku.
Příklady výběru referenčního tělesa, vůči kterému na obrázku a) se vlak pohybuje (vzhledem ke stromům), na obrázku b) je vlak v klidu vzhledem k chlapci.
Sedíme ve vagónu a čekáme na odjezd. V okně sledujeme vlak na paralelní koleji. Když se dá do pohybu, je těžké určit, kdo se hýbe - náš kočár nebo vlak za oknem. Abychom se mohli rozhodnout, je nutné vyhodnotit, zda se pohybujeme vůči ostatním stacionárním objektům mimo okno. Hodnotíme stav našeho vozíku vzhledem k různým referenčním systémům.
Změna výchylky a rychlosti v různých vztažných systémech
Posun a rychlost se mění při přechodu z jedné vztažné soustavy do druhé.
Rychlost člověka vzhledem k zemi (pevná vztažná soustava) je v prvním a druhém případě odlišná.
Pravidlo přidávání rychlosti: Rychlost tělesa vzhledem k pevné vztažné soustavě je vektorový součet rychlosti tělesa vzhledem k pohyblivé vztažné soustavě a rychlosti pohybující se vztažné soustavy vzhledem ke stacionární.
Podobně jako u vektoru posunutí. Pravidlo pro přidávání pohybů: Posun tělesa vzhledem k pevnému referenčnímu systému je vektorový součet posunutí tělesa vůči pohyblivému referenčnímu systému a posunutí pohyblivého referenčního systému vůči stacionárnímu systému.
Nechte osobu jít podél vozu ve směru (nebo proti) pohybu vlaku. Člověk je tělo. Země je pevný referenční rámec. Vozík je pohyblivý vztažný rámec.
Změna trajektorie v různých referenčních systémech
Trajektorie pohybu tělesa je relativní. Vezměme si například vrtuli vrtulníku klesajícího k Zemi. Bod na vrtuli popisuje kružnici v referenční soustavě související s vrtulníkem. Trajektorie tohoto bodu v referenční soustavě spojené se Zemí je spirálová čára.
Pohyb vpřed
Pohyb tělesa je změna jeho polohy v prostoru vzhledem k ostatním tělesům v průběhu času. Každé těleso má určité rozměry, někdy jsou různé body tělesa na různých místech v prostoru. Jak určit polohu všech bodů těla?
ALE! Někdy není nutné označovat polohu každého bodu na těle. Podívejme se na podobné případy. Například to není nutné dělat, když se všechny body těla pohybují stejným způsobem.
Všechny proudy kufru a auta se pohybují stejným způsobem.
Pohyb tělesa, při kterém se všechny jeho body pohybují stejně, se nazývá progresivní
Materiální bod
Není třeba popisovat pohyb každého bodu tělesa, i když jsou jeho rozměry velmi malé ve srovnání se vzdáleností, kterou urazí. Například loď překračující oceán. Při popisu vzájemného pohybu planet a nebeských těles neberou astronomové v úvahu jejich velikosti a vlastní pohyb. Navzdory tomu, že například Země je obrovská, v poměru ke vzdálenosti ke Slunci je zanedbatelná.
Není třeba uvažovat o pohybu každého bodu těla, když neovlivňují pohyb celého těla. Takové těleso může být znázorněno bodem. Je to, jako bychom soustředili veškerou hmotu těla do bodu. Získáme model těla, bez rozměrů, ale má hmotnost. Tak to je hmotný bod.
Totéž těleso s některými svými pohyby lze považovat za hmotný bod, s jinými nikoli. Když jde například chlapec z domova do školy a zároveň urazí vzdálenost 1 km, pak v tomto pohybu může být považován za hmotný bod. Ale když ten samý chlapec provádí cvičení, už ho nelze považovat za bod.
Zvažte přesun sportovců
V tomto případě může být sportovec modelován hmotným bodem
V případě, že sportovec skáče do vody (obrázek vpravo), není možné jej modelovat v bodě, protože pohyb celého těla závisí na jakékoli poloze paží a nohou
Hlavní věc k zapamatování
1) Poloha tělesa v prostoru je určena vzhledem k referenčnímu tělesu;
2) Je nutné specifikovat osy (jejich směry), tzn. souřadnicový systém, který definuje souřadnice tělesa;
3) Pohyb tělesa je určen vzhledem k referenčnímu systému;
4) V různých vztažných systémech může být rychlost tělesa různá;
5) Co je to hmotný bod
Složitější situace přidávání rychlostí. Nechte muže překročit řeku na lodi. Loď je zkoumané tělo. Pevnou vztažnou soustavou je Země. Pohyblivým referenčním rámcem je řeka.
Rychlost lodi vzhledem k zemi je vektorový součet
Jaký je posun libovolného bodu umístěného na okraji disku o poloměru R, když je otočen vůči stojanu o 600? v 1800? Řešte v referenčních rámcích spojených se stojanem a diskem.
V referenčním rámci spojeném se stojanem jsou posuny rovny R a 2R. V referenčním rámci spojeném s diskem je posunutí vždy nulové.
Proč kapky deště za bezvětří zanechávají na oknech rovnoměrně jedoucího vlaku šikmé rovné pruhy?
V referenční soustavě spojené se Zemí je trajektorie kapky svislá čára. V referenčním rámci spojeném s vlakem je pohyb kapky na skle výsledkem přidání dvou přímočarých a rovnoměrných pohybů: vlaku a rovnoměrného pádu kapky ve vzduchu. Proto je stopa kapky na skle nakloněná.
Jak můžete určit rychlost běhu, když trénujete na běžeckém pásu s nefunkční automatickou detekcí rychlosti? Koneckonců, nemůžete se posunout o jediný metr vzhledem ke stěnám haly.
Je možné stát na místě a přitom se pohybovat rychleji než vůz formule 1? Ukazuje se, že je to možné. Jakýkoli pohyb závisí na volbě referenčního systému, to znamená, že jakýkoli pohyb je relativní. Téma dnešní lekce: „Relativita pohybu. Zákon sčítání posuvů a rychlostí." Naučíme se, jak v daném případě zvolit vztažnou soustavu a jak zjistit výchylku a rychlost tělesa.
Mechanický pohyb je změna polohy tělesa v prostoru vzhledem k jiným tělesům v průběhu času. Klíčová fráze v této definici je „vzhledem k jiným orgánům“. Každý z nás je vůči jakémukoli povrchu nehybný, ale vůči Slunci podstupujeme společně s celou Zemí oběžný pohyb rychlostí 30 km/s, tedy pohyb závisí na vztažné soustavě.
Referenční systém je soubor souřadnicových systémů a hodin spojených s tělesem, vzhledem k němuž je studován pohyb. Například při popisu pohybů cestujících uvnitř automobilu lze referenční systém spojit s kavárnou u silnice, nebo s vnitřkem automobilu nebo s jedoucím protijedoucím automobilem, pokud odhadujeme dobu předjíždění (obr. 1). .
Rýže. 1. Výběr referenčního systému
Jaké fyzikální veličiny a pojmy závisí na volbě vztažné soustavy?
1. Poloha těla nebo souřadnice
Podívejme se na libovolný bod. V různých systémech má různé souřadnice (obr. 2).
Rýže. 2. Souřadnice bodu v různých souřadných systémech
2. Trajektorie
Uvažujme trajektorii bodu na vrtuli letadla ve dvou vztažných soustavách: referenční soustava spojená s pilotem a referenční soustava spojená s pozorovatelem na Zemi. U pilota bude tento bod provádět kruhovou rotaci (obr. 3).
Rýže. 3. Kruhové otáčení
Zatímco pro pozorovatele na Zemi bude trajektorií tohoto bodu spirálová čára (obr. 4). Je zřejmé, že trajektorie závisí na volbě referenčního systému.
Rýže. 4. Šroubovitá dráha
Relativita trajektorie. Trajektorie pohybu těles v různých vztažných systémech
Uvažujme, jak se mění trajektorie pohybu v závislosti na volbě referenčního systému na příkladu problému.
Úkol
Jaká bude trajektorie bodu na konci vrtule v různých referenčních bodech?
1. V CO spojeném s pilotem letadla.
2. V CO spojeném s pozorovatelem na Zemi.
Řešení:
1. Pilot ani vrtule se vůči letadlu nepohybují. Pro pilota se trajektorie bodu jeví jako kruh (obr. 5).
Rýže. 5. Dráha bodu vzhledem k pilotovi
2. Pro pozorovatele na Zemi se bod pohybuje dvěma způsoby: rotací a pohybem vpřed. Trajektorie bude spirálová (obr. 6).
Rýže. 6. Dráha bodu vzhledem k pozorovateli na Zemi
Odpovědět : 1) kruh; 2) šroubovice.
Na příkladu tohoto problému jsme byli přesvědčeni, že trajektorie je relativní pojem.
Jako nezávislý test vám doporučujeme vyřešit následující problém:
Jaká bude trajektorie bodu na konci kola vzhledem ke středu kola, pokud se toto kolo pohybuje dopředu, a vzhledem k bodům na zemi (nehybný pozorovatel)?
3. Pohyb a cesta
Uvažujme situaci, kdy raft pluje a v určitém okamžiku z něj seskočí plavec a pokusí se přejít na protější břeh. Pohyb plavce vůči rybáři sedícímu na břehu a vůči raftu bude odlišný (obr. 7).
Pohyb vzhledem k zemi se nazývá absolutní a relativní k pohybujícímu se tělu - relativní. Pohyb pohybujícího se tělesa (voru) vzhledem ke stacionárnímu tělesu (rybáři) se nazývá přenosný.
Rýže. 7. Pohyb plavce
Z příkladu vyplývá, že posunutí a dráha jsou relativní veličiny.
4. Rychlost
Na předchozím příkladu snadno ukážete, že rychlost je také relativní veličina. Rychlost je totiž poměr pohybu k času. Náš čas je stejný, ale naše cestování je jiné. Proto bude rychlost jiná.
Závislost charakteristik pohybu na volbě vztažné soustavy se nazývá relativitu pohybu.
V historii lidstva se vyskytly dramatické případy spojené právě s volbou referenčního systému. Poprava Giordana Bruna, abdikace Galilea Galileiho – to vše jsou důsledky boje mezi zastánci geocentrického referenčního systému a heliocentrického referenčního systému. Pro lidstvo bylo velmi těžké zvyknout si na myšlenku, že Země vůbec není středem vesmíru, ale úplně obyčejná planeta. A pohyb lze považovat nejen za relativní k Zemi, tento pohyb bude absolutní a relativní ke Slunci, hvězdám nebo jakýmkoliv jiným tělesům. Popis pohybu nebeských těles ve vztažné soustavě spojené se Sluncem je mnohem pohodlnější a jednodušší to přesvědčivě ukázal nejprve Kepler a poté Newton, který na základě úvahy o pohybu Měsíce kolem Země odvodil svůj slavný zákon univerzální gravitace.
Pokud říkáme, že dráha, dráha, posunutí a rychlost jsou relativní, to znamená, že závisí na volbě vztažné soustavy, pak to neříkáme o čase. V rámci klasické neboli newtonovské mechaniky je čas absolutní hodnotou, to znamená, že plyne rovnoměrně ve všech vztažných systémech.
Uvažujme, jak najít výchylku a rychlost v jedné vztažné soustavě, pokud jsou nám známy v jiné vztažné soustavě.
Vezměme si předchozí situaci, kdy pluje vor a v určité chvíli z něj seskočí plavec a pokusí se přejít na protější břeh.
Jak souvisí pohyb plavce vůči stacionárnímu SO (spojenému s rybářem) s pohybem relativně mobilního SO (spojeném s raftem) (obr. 8)?
Rýže. 8. Ilustrace problému
Nazvali jsme pohyb ve stacionární vztažné soustavě . Z vektorového trojúhelníku vyplývá, že 
. Nyní přejdeme k hledání vztahu mezi rychlostmi. Připomeňme, že v rámci newtonovské mechaniky je čas absolutní hodnotou (čas plyne stejně ve všech vztažných systémech). To znamená, že každý člen z předchozí rovnosti lze rozdělit podle času. Dostaneme:
To je rychlost, kterou se plavec pohybuje pro rybáře;
Toto je vlastní rychlost plavce;
To je rychlost raftu (rychlost řeky).
Problém zákona o sčítání rychlostí
Uvažujme zákon sčítání rychlostí pomocí příkladu problému.
Úkol
Dvě auta se pohybují proti sobě: první auto rychlostí , druhé rychlostí . Jakou rychlostí se k sobě vozy přibližují (obr. 9)?
Rýže. 9. Ilustrace problému
Řešení
Použijme zákon sčítání rychlostí. K tomu se přesuneme od obvyklého CO spojeného se Zemí k CO spojenému s prvním autem. První vůz tedy stojí a druhý se k němu pohybuje rychlostí (relativní rychlostí). Jakou rychlostí se Země otáčí kolem prvního auta, pokud první auto stojí? Otáčí se rychlostí a rychlost je směrována ve směru rychlosti druhého vozu (převodní rychlost). Dva vektory, které směřují podél stejné přímky, se sečtou. .
Odpovědět: .
Meze použitelnosti zákona o sčítání rychlostí. Zákon sčítání rychlostí v teorii relativity
Dlouhou dobu se věřilo, že klasický zákon sčítání rychlostí je vždy platný a aplikovatelný na všechny referenční systémy. Zhruba před lety se však ukázalo, že v některých situacích tento zákon nefunguje. Zvažme tento případ pomocí příkladu problému.
Představte si, že jste na vesmírné raketě pohybující se rychlostí . A kapitán vesmírné rakety rozsvítí baterku ve směru pohybu rakety (obr. 10). Rychlost šíření světla ve vakuu je . Jaká bude rychlost světla pro stacionárního pozorovatele na Zemi? Bude se rovnat součtu rychlostí světla a rakety?
Rýže. 10. Ilustrace k problému
Faktem je, že zde fyzika čelí dvěma protichůdným konceptům. Na jedné straně je podle Maxwellovy elektrodynamiky maximální rychlost rychlostí světla a rovná se . Na druhou stranu, podle newtonovské mechaniky je čas absolutní hodnotou. Problém byl vyřešen, když Einstein navrhl speciální teorii relativity, respektive její postuláty. Byl první, kdo naznačil, že čas není absolutní. To znamená, že někde to plyne rychleji a někde pomaleji. Samozřejmě, že v našem světě nízkých rychlostí tento efekt nezaznamenáme. Abychom tento rozdíl pocítili, musíme se pohybovat rychlostí blízkou rychlosti světla. Na základě Einsteinových závěrů byl získán zákon sčítání rychlostí ve speciální teorii relativity. Vypadá to takto:
Toto je rychlost vzhledem ke stacionárnímu CO;
To je rychlost relativně mobilního CO;
Toto je rychlost pohybujícího se CO vzhledem ke stacionárnímu CO.
Pokud dosadíme hodnoty z našeho problému, zjistíme, že rychlost světla pro stacionárního pozorovatele na Zemi bude .
Spor byl vyřešen. Můžete se také ujistit, že pokud jsou rychlosti velmi malé ve srovnání s rychlostí světla, pak se vzorec pro teorii relativity změní na klasický vzorec pro sčítání rychlostí.
Ve většině případů použijeme klasické právo.
Dnes jsme zjistili, že pohyb závisí na referenčním systému, že rychlost, dráha, pohyb a trajektorie jsou relativní pojmy. A čas je v rámci klasické mechaniky absolutní pojem. Naučili jsme se aplikovat nabyté znalosti pomocí analýzy některých typických příkladů.
Bibliografie
- Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fyzika (základní úroveň) - M.: Mnemosyne, 2012.
- Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Fyzika 10. třída. - M.: Mnemosyne, 2014.
- Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fyzika - 9, Moskva, Vzdělávání, 1990.
- Internetový portál Class-fizika.narod.ru ().
- Internetový portál Nado5.ru ().
- Internetový portál Fizika.ayp.ru ().
Domácí práce
- Definujte relativitu pohybu.
- Jaké fyzikální veličiny závisí na volbě vztažné soustavy?
Představte si elektrický vlak. Jezdí tiše po kolejích a dopravuje cestující na jejich chaty. A najednou si chuligán a parazit Sidorov, sedící v posledním vagónu, všimne, že ve stanici Sady do vagónu nastupují revizoři. Sidorov si samozřejmě lístek nekoupil a pokutu chce zaplatit ještě méně.
Relativita pohybu volného jezdce ve vlaku
A tak, aby nebyl přistižen, rychle přesedne do jiného kočáru. Kontroloři po kontrole jízdenek všech cestujících postupují stejným směrem. Sidorov se znovu přesune do dalšího kočáru a tak dále.
A tak, když dojede k prvnímu vagonu a už není kam dál, ukáže se, že vlak právě dojel do stanice Ogorody, kterou potřebuje, a šťastný Sidorov vystoupí, radující se, že jel jako zajíc a nenechal se chytit .
Co se můžeme naučit z tohoto akčního příběhu? Ze Sidorova se můžeme bezesporu radovat a navíc můžeme objevit další zajímavost.
Zatímco vlak ujel pět kilometrů ze stanice Sady do stanice Ogorody za pět minut, zajíc Sidorov urazil stejnou vzdálenost plus vzdálenost rovnající se délce vlaku, ve kterém jel, tedy asi pět tisíc dvě stě metrů. za stejných pět minut.
Ukázalo se, že Sidorov se pohyboval rychleji než vlak. Kontroloři jedoucí za jeho patami však vyvinuli stejnou rychlost. Vzhledem k tomu, že rychlost vlaku byla asi 60 km/h, bylo načase všem udělit několik olympijských medailí.
Ovšem do takové hlouposti se samozřejmě nikdo nepustí, protože každý chápe, že Sidorovovu neuvěřitelnou rychlost vyvinul pouze ve vztahu ke stacionárním stanicím, kolejím a zeleninovým zahrádkám a tato rychlost byla určena pohybem vlaku, a ne při to vše díky Sidorovovým neuvěřitelným schopnostem.
Ve vztahu k vlaku se Sidorov nepohyboval nijak rychle a nedosáhl ani na olympijskou medaili, ale ani na stuhu z ní. Zde se setkáváme s pojmem jako je relativita pohybu.
Pojem relativity pohybu: příklady
Relativita pohybu nemá žádnou definici, protože to není fyzikální veličina. Relativita mechanického pohybu se projevuje v tom, že některé charakteristiky pohybu, jako je rychlost, dráha, trajektorie a tak dále, jsou relativní, to znamená, že závisí na pozorovateli. V různých referenčních systémech se tyto charakteristiky budou lišit.
Kromě příkladu uvedeného s občanem Sidorovem ve vlaku můžete vzít téměř jakýkoli pohyb jakéhokoli těla a ukázat, jak je relativní. Při cestě do práce se pohybujete vpřed vzhledem ke svému domu a zároveň se pohybujete vzad vzhledem k autobusu, který jste zmeškali.
Stojíte nehybně vzhledem k hráči v kapse a řítíte se velkou rychlostí vzhledem ke hvězdě zvané Slunce. Každý krok, který uděláte, bude pro molekulu asfaltu obrovská vzdálenost a pro planetu Zemi bezvýznamná. Jakýkoli pohyb, stejně jako všechny jeho charakteristiky, má vždy smysl pouze ve vztahu k něčemu jinému.
Ve školních osnovách je také ustanovení, že jakýkoli pohyb jednoho těla lze zaznamenat pouze ve vztahu k jinému tělu. Tato poloha se nazývá termín „relativnost pohybu“. Z obrázků v učebnicích bylo jasné, že pro někoho, kdo stojí na břehu řeky, se loď plující kolem skládá z její rychlosti a rychlosti říčního proudu. Po tak podrobné úvaze je jasné, že relativita pohybu nás obklopuje ve všech aspektech našeho života. Rychlost objektu je relativní veličinou, ale stává se i její derivace, zrychlení. Důležitost tohoto závěru spočívá v tom, že je to zrychlení, které je zahrnuto do vzorce druhého Newtonova zákona (základního zákona mechaniky). Podle tohoto zákona jakákoli síla působící na těleso mu uděluje zrychlení úměrné jemu. Relativita pohybu nás nutí položit si další otázku: vzhledem k jakému tělesu je dané zrychlení?
Tento zákon v této věci neobsahuje žádná vysvětlení, ale pomocí jednoduchých logických dedukcí lze dojít k závěru, že jelikož síla je mírou vlivu jednoho tělesa (1) na druhé (2), pak stejná síla uděluje zrychlení těleso (2) vzhledem k tělesu (1), a ne jen nějaké abstraktní zrychlení.
Relativita pohybu je závislost určitého tělesa, určité dráhy, rychlosti a pohybu na zvolených vztažných systémech. Z hlediska kinematiky jsou jakékoli použité referenční systémy rovnocenné, ale zároveň jsou v nich všechny kinematické charakteristiky tohoto pohybu (dráha, rychlost, posunutí) odlišné. Všechny veličiny, které závisí na zvoleném referenčním systému, s nímž budou měřeny, se nazývají relativní.
Relativita pohybu, kterou je poměrně obtížné definovat bez podrobného zvážení jiných pojmů, vyžaduje přesné matematické výpočty. O tom, zda se těleso pohybuje nebo ne, můžeme hovořit, když je naprosto jasné, v čem (referenčním tělese) se jeho poloha mění. Referenční systém je soubor prvků, jako je referenční těleso, stejně jako souřadnicové systémy a časové referenční systémy s ním spojené. Ve vztahu k těmto prvkům je uvažován pohyb jakýchkoli těles nebo Matematicky je pohyb objektu (bodu) ve vztahu ke zvolenému referenčnímu systému popsán rovnicemi, které určují, jak souřadnice určující polohu objektu v tomto systému změna v čase. Takové rovnice, které určují relativitu pohybu, se nazývají pohybové rovnice.
V moderní mechanice je jakýkoli pohyb objektu relativní, takže by měl být uvažován pouze ve vztahu k jinému objektu (referenčnímu tělesu) nebo celému systému těles. Nemůžete například jednoduše poukázat na to, že se Měsíc vůbec pohybuje. Správné tvrzení by bylo, že Měsíc se pohybuje ve vztahu ke Slunci, Zemi a hvězdám.
Často v mechanice není vztažný systém spojen s tělesem, ale s celým kontinuem základních těles (skutečných nebo fiktivních), která definují souřadnicový systém.
Filmy často ukazují pohyb vzhledem k různým tělesům. Takže například v některých snímcích zobrazují vlak pohybující se na pozadí nějaké krajiny (toto je pohyb vzhledem k povrchu Země) a v dalším - kupé vagónu se stromy blikajícími skrz okna (pohyb vzhledem k jednomu vozíku). Jakýkoli pohyb nebo odpočinek těla, což je zvláštní případ pohybu, je relativní. Při zodpovězení jednoduché otázky, zda se těleso pohybuje nebo v klidu a jak se pohybuje, je proto nutné si ujasnit, ve vztahu k jakým objektům je jeho pohyb uvažován. Volba referenčních systémů se zpravidla provádí v závislosti na uvedených podmínkách problému.
