Fizyka ruchu względnego. KS. Względność ruchu. Względność ścieżki, trajektorii i prędkości

Jeśli przy spokojnej pogodzie pasażer, który budzi się w kabinie jachtu żaglowego, wyjrzy przez okno, nie zorientuje się od razu, czy statek płynie, czy leży w zaspie. Za grubym szkłem monotonna przestrzeń morza, powyżej błękit nieba z nieruchomymi chmurami. Jednak w każdym razie jacht będzie w ruchu. I jeszcze więcej – w kilku ruchach na raz w stosunku do różnych systemów odniesienia. Nawet bez uwzględnienia skali kosmicznej osoba ta będąc w spoczynku względem kadłuba jachtu jest w stanie ruchu względem otaczającej go masy wody. Widać to po kilwaterze. Ale nawet jeśli jacht dryfuje z opuszczonym żaglem, to porusza się z prądem wody, który tworzy prąd morski.

Zatem każde ciało, które znajduje się w spoczynku względem jednego ciała (układu odniesienia), jest jednocześnie w stanie ruchu względem innego ciała (inny układ odniesienia).

Zasada względności Galileusza

Już średniowieczni naukowcy myśleli o względności ruchu, aw renesansie idee te były dalej rozwijane. "Dlaczego nie czujemy rotacji Ziemi?" - pytali myśliciele. Galileo Galilei dał jasne sformułowanie oparte na prawach fizycznych zasadzie względności. „Dla obiektów uchwyconych ruchem jednostajnym” – konkludował naukowiec – „ten ostatni jakby nie istnieje i przejawia swój wpływ tylko na rzeczy, które w nim nie biorą udziału”. To prawda, że to stwierdzenie jest ważne tylko w ramach praw mechaniki klasycznej.

Względność ścieżki, trajektorii i prędkości

Przebyta odległość, trajektoria i prędkość ciała lub punktu również będą względne w zależności od wybranego układu odniesienia. Weźmy za przykład mężczyznę chodzącego po wagonach. Jego droga przez pewien czas w stosunku do kompozycji będzie równa odległości przebytej przez jego własne stopy. Ścieżka będzie się składać z przebytej odległości i odległości bezpośrednio przebytej przez osobę, ponadto niezależnie od tego, w którym kierunku się udała. To samo z szybkością. Ale tutaj prędkość ruchu człowieka względem ziemi będzie wyższa niż prędkość ruchu - jeśli osoba jedzie wzdłuż ruchu pociągu, a niższa - jeśli jedzie w przeciwnym kierunku.

Wygodnie jest prześledzić względność trajektorii punktu na przykładzie nakrętki przymocowanej do obręczy koła rowerowego i trzymającej szprychę. W stosunku do obręczy będzie nieruchoma. W stosunku do korpusu roweru będzie to trajektoria koła. A w stosunku do Ziemi trajektoria tego punktu będzie ciągłym łańcuchem półokręgów.

Proponuję grę: wybierz przedmiot w pokoju i opisz jego lokalizację. Zrób to, aby zgadywacz nie mógł popełnić błędu. Na zewnątrz? A co wyjdzie z opisu, jeśli nie zostaną użyte inne korpusy? Pozostaną wyrażenia: „na lewo od…”, „nad…” i tym podobne. Pozycję ciała można ustawić tylko w stosunku do jakiegoś innego ciała.

Lokalizacja skarbu: „Stań we wschodnim rogu ostatniego domu wsi, twarzą na północ, a po przejściu 120 kroków odwróć się twarzą na wschód i przejdź 200 kroków. W tym miejscu wykop dziurę 10 łokci, a będziesz znajdź 100 sztabek złota." Nie można znaleźć skarbu, inaczej zostałby odkopany dawno temu. Czemu? Bryła, w stosunku do której dokonywany jest opis, nie jest określona, nie wiadomo, w której wsi znajduje się ten dom. Konieczne jest dokładne określenie ciała, które będzie podstawą naszego przyszłego opisu. Takie ciało w fizyce nazywa się ciało odniesienia. Można go wybrać dowolnie. Na przykład spróbuj wybrać dwa różne obiekty odniesienia i w odniesieniu do nich opisz położenie komputera w pomieszczeniu. Będą dwa różne opisy.

System współrzędnych

Spójrzmy na zdjęcie. Gdzie jest drzewo, względem rowerzysty I, rowerzysty II, a my patrzymy na monitor?

W stosunku do wzorca - rowerzysta I - drzewo po prawej stronie, względem wzorca - rowerzysta II - drzewo po lewej stronie, względem nas z przodu. Jedno i to samo ciało - drzewo, stale w tym samym miejscu, jednocześnie „w lewo”, „w prawo” i „z przodu”. Problem polega nie tylko na tym, że wybierane są różne ciała referencyjne. Rozważ jego położenie względem rowerzysty I.

Na tym zdjęciu drzewo po prawej od rowerzysty I

Na tym zdjęciu drzewo lewy od rowerzysty I

Drzewo i rowerzysta nie zmieniły swojego położenia w przestrzeni, ale drzewo może być jednocześnie „w lewo” i „w prawo”. Aby pozbyć się niejednoznaczności opisu samego kierunku, wybierzemy pewien kierunek jako pozytywny, przeciwny do wybranego będzie negatywny. Wybrany kierunek jest oznaczony osią ze strzałką, strzałka wskazuje kierunek dodatni. W naszym przykładzie wybieramy i wyznaczamy dwa kierunki. Od lewej do prawej (oś, po której porusza się rowerzysta), a od nas wewnątrz monitora do drzewa, to drugi kierunek dodatni. Jeśli oznaczymy pierwszy kierunek, który wybraliśmy jako X, a drugi jako Y, otrzymamy dwuwymiarowy system współrzędnych.

W stosunku do nas rowerzysta porusza się w kierunku ujemnym na osi x, drzewo w kierunku dodatnim na osi y

W stosunku do nas rowerzysta porusza się w dodatnim kierunku na osi x, drzewo w dodatnim kierunku na osi y

Teraz określ, który obiekt w pokoju znajduje się 2 metry w dodatnim kierunku X (po prawej stronie) i 3 metry w ujemnym kierunku Y (za tobą). (2;-3) - współrzędne to ciało. Pierwsza cyfra „2” wskazuje położenie wzdłuż osi X, druga cyfra „-3” wskazuje położenie wzdłuż osi Y. Jest to wartość ujemna, ponieważ oś Y nie znajduje się z boku drzewa, ale po przeciwnej stronie bok. Po wybraniu ciała odniesienia i kierunku, położenie dowolnego obiektu zostanie opisane w sposób jednoznaczny. Jeśli odwrócisz się plecami do monitora, po prawej i za tobą będzie inny obiekt, ale będzie też miał inne współrzędne (-2; 3). W ten sposób współrzędne dokładnie i jednoznacznie określają położenie obiektu.

Przestrzeń, w której żyjemy, jest przestrzenią trzech wymiarów, jak mówią, przestrzenią trójwymiarową. Oprócz tego, że ciało może być „w prawo” („w lewo”), „z przodu” („za”), może być nawet „nad” lub „pod” tobą. To jest trzeci kierunek - zwyczajowo oznacza się go jako oś Z.

Czy można wybrać różne kierunki osi? Mogą. Nie można jednak zmienić ich kierunku podczas rozwiązywania np. jednego problemu. Czy można wybrać inne nazwy osi? Jest to możliwe, ale ryzykujesz, że inni Cię nie zrozumieją, lepiej tego nie robić. Czy można zamienić oś x na oś y? Jest to możliwe, ale nie mylcie się ze współrzędnymi: (x;y).

Przy ruchu prostoliniowym ciała jedna oś współrzędnych wystarcza do określenia jego położenia.

Do opisu ruchu na płaszczyźnie wykorzystywany jest układ współrzędnych prostokątnych, składający się z dwóch wzajemnie prostopadłych osi (układ współrzędnych kartezjańskich).

Korzystając z trójwymiarowego układu współrzędnych, możesz określić położenie ciała w przestrzeni.

System odniesienia

Każde ciało w dowolnym momencie zajmuje określoną pozycję w przestrzeni w stosunku do innych ciał. Wiemy już, jak określić jego pozycję. Jeśli z biegiem czasu pozycja ciała się nie zmienia, to jest w spoczynku. Jeśli z biegiem czasu zmienia się pozycja ciała, oznacza to, że ciało się porusza. Wszystko na świecie dzieje się gdzieś i kiedyś: w przestrzeni (gdzie?) i w czasie (kiedy?). Jeśli do ciała odniesienia dodamy układ współrzędnych określający położenie ciała, sposób pomiaru czasu - godziny, otrzymamy system odniesienia. Dzięki któremu możesz ocenić ruch lub resztę ciała.

Względność ruchu

Astronauta poleciał w kosmos. Czy jest w spoczynku czy w ruchu? Jeśli uznamy to za bliskie przyjacielowi astronauty, który jest w pobliżu, odpocznie. A jeśli w stosunku do obserwatora na Ziemi, astronauta porusza się z dużą prędkością. To samo dotyczy podróży pociągiem. W stosunku do ludzi w pociągu siedzisz nieruchomo i czytasz książkę. Ale w stosunku do ludzi, którzy zostali w domu, poruszasz się z prędkością pociągu.

Przykłady wyboru ciała odniesienia, względem którego na rysunku a) porusza się pociąg (względem drzew), na rysunku b) pociąg jest w spoczynku względem chłopca.

Siedząc w samochodzie, czekając na odjazd. W oknie obserwujemy pociąg na równoległym torze. Kiedy zaczyna się poruszać, trudno określić, kto się rusza – nasz samochód czy pociąg za oknem. Aby podjąć decyzję, należy ocenić, czy poruszamy się względem innych nieruchomych obiektów za oknem. Oceniamy stan naszego samochodu w odniesieniu do różnych systemów referencyjnych.

Zmiana przemieszczenia i prędkości w różnych układach odniesienia

Przemieszczenie i prędkość zmieniają się podczas przechodzenia z jednego układu odniesienia do drugiego.

Prędkość osoby względem podłoża (stały układ odniesienia) jest różna w pierwszym i drugim przypadku.

Zasada dodawania prędkości: Prędkość ciała względem ustalonego układu odniesienia jest sumą wektorów prędkości ciała względem ruchomego układu odniesienia i prędkości poruszającego się układu odniesienia względem ustalonego.

Podobny do wektora przemieszczenia. Zasada dodawania ruchu: Ruch ciała względem ustalonego układu odniesienia jest sumą wektorów ruchu ciała względem ruchomego układu odniesienia i ruchu ruchomego układu odniesienia względem ustalonego.

Niech osoba idzie wzdłuż wagonu w kierunku (lub przeciw) ruchowi pociągu. Człowiek jest ciałem. Ziemia jest stałym układem odniesienia. Samochód jest ruchomym punktem odniesienia.

Zmiana trajektorii w różnych układach odniesienia

Trajektoria ciała jest względna. Rozważmy na przykład śmigło helikoptera schodzącego na Ziemię. Punkt na śmigle opisuje okrąg w układzie odniesienia związanym ze śmigłowcem. Trajektoria tego punktu w układzie odniesienia związanym z Ziemią to helisa.

ruch translacyjny

Ruch ciała to zmiana jego położenia w przestrzeni w stosunku do innych ciał w czasie. Każde ciało ma określoną wielkość, czasami różne punkty ciała znajdują się w różnych miejscach w przestrzeni. Jak określić położenie wszystkich punktów ciała?

ALE! Czasami nie jest konieczne określenie położenia każdego punktu ciała. Rozważmy takie przypadki. Na przykład nie trzeba tego robić, gdy wszystkie punkty ciała poruszają się w ten sam sposób.

Wszystkie prądy walizki i maszyny poruszają się w ten sam sposób.

Ruch ciała, w którym wszystkie jego punkty poruszają się w ten sam sposób, nazywa się progresywny

Punkt materialny

Nie jest konieczne opisywanie ruchu każdego punktu ciała, nawet jeśli jego wymiary są bardzo małe w porównaniu z przebytą odległością. Na przykład statek płynący przez ocean. Astronomowie, opisując ruch planet i ciał niebieskich względem siebie, nie biorą pod uwagę ich wielkości i własnego ruchu. Pomimo tego, że np. Ziemia jest ogromna, w stosunku do odległości od Słońca jest znikoma.

Nie ma potrzeby uwzględniania ruchu każdego punktu ciała, gdy nie wpływają one na ruch całego ciała. Takie ciało może być reprezentowane przez punkt. Cała substancja ciała jest niejako skoncentrowana w punkcie. Otrzymujemy model ciała, bez wymiarów, ale ma masę. To jest to punkt materialny.

Jedno i to samo ciało z niektórymi jego ruchami może być uważane za punkt materialny, z innymi nie. Na przykład, gdy chłopiec idzie z domu do szkoły i jednocześnie pokonuje dystans 1 km, to w tym ruchu można go uznać za punkt materialny. Ale kiedy ten sam chłopiec ćwiczy, nie można go już uważać za punkt.

Rozważ przeniesienie sportowców

W tym przypadku sportowca może być modelowany przez punkt materialny

W przypadku sportowca skaczącego do wody (rysunek po prawej) nie da się go wymodelować w punkcie, ponieważ ruch całego ciała zależy od dowolnej pozycji rąk i nóg

Najważniejsza rzecz do zapamiętania

1) Położenie ciała w przestrzeni określa się w stosunku do ciała odniesienia;
2) Konieczne jest ustawienie osi (ich kierunków), tj. układ współrzędnych, który określa współrzędne ciała;
3) Ruch ciała określa się względem układu odniesienia;
4) W różnych układach odniesienia prędkość ciała może być różna;
5) Co to jest punkt materialny?

Bardziej skomplikowana sytuacja dodawania prędkości. Niech ktoś przepłynie łódką przez rzekę. Badanym ciałem jest łódź. Stałym układem odniesienia jest ziemia. Ruchomym punktem odniesienia jest rzeka.

Prędkość łodzi względem ziemi jest sumą wektorów

Jakie jest przemieszczenie dowolnego punktu znajdującego się na krawędzi tarczy o promieniu R, gdy jest ona obrócona o 600 względem stojaka? o 1800? Rozwiąż w systemach referencyjnych związanych ze stojakiem i dyskiem.

W układzie odniesienia związanym ze stanowiskiem przemieszczenia są równe R i 2R. W układzie odniesienia związanym z dyskiem przemieszczenie jest przez cały czas zerowe.

Dlaczego krople deszczu przy spokojnej pogodzie zostawiają ukośne, proste paski na oknach jednostajnie jadącego pociągu?

W układzie odniesienia związanym z Ziemią trajektoria kropli jest linią pionową. W układzie odniesienia związanym z pociągiem ruch kropli na szybie jest wynikiem dodania dwóch ruchów prostoliniowych i jednostajnych: pociągu i równomiernego opadania kropli w powietrzu. Dlatego ślad kropli na szkle jest pochylony.

Jak określić prędkość biegu, jeśli trenujesz na bieżni z uszkodzonym automatycznym wykrywaniem prędkości? W końcu nie da się przebiec ani jednego metra względem ścian hali.

Czy można być nieruchomym i nadal poruszać się szybciej niż samochód Formuły 1? Okazuje się, że możesz. Każdy ruch zależy od wyboru systemu odniesienia, to znaczy każdy ruch jest względny. Temat dzisiejszej lekcji: „Względność ruchu. Prawo dodawania przemieszczeń i prędkości. Dowiemy się jak dobrać układ odniesienia w konkretnym przypadku, jak znaleźć przemieszczenie i prędkość ciała.

Ruch mechaniczny to zmiana położenia ciała w przestrzeni względem innych ciał w czasie. W tej definicji kluczowe wyrażenie jest „w stosunku do innych ciał”. Każdy z nas jest nieruchomy względem dowolnej powierzchni, ale względem Słońca, razem z całą Ziemią wykonujemy ruch orbitalny z prędkością 30 km/s, czyli ruch zależny jest od układu odniesienia.

Układ odniesienia - zestaw układów współrzędnych i zegarów związanych z ciałem, względem których badany jest ruch. Na przykład opisując ruchy pasażerów w samochodzie, układ odniesienia można skojarzyć z przydrożną kawiarnią, z wnętrzem samochodu lub z nadjeżdżającym samochodem nadjeżdżającym, jeśli szacujemy czas wyprzedzania (rys. 1).

Ryż. 1. Wybór układu odniesienia

Jakie wielkości fizyczne i pojęcia zależą od wyboru układu odniesienia?

1. Pozycja lub współrzędne ciała

Rozważ dowolny punkt. W różnych systemach ma różne współrzędne (ryc. 2).

Ryż. 2. Współrzędne punktów w różnych układach współrzędnych

2. Trajektoria

Rozważ trajektorię punktu znajdującego się na śmigle samolotu w dwóch układach odniesienia: układzie odniesienia związanym z pilotem i układzie odniesienia związanym z obserwatorem na Ziemi. Dla pilota ten punkt wykona obrót okrężny (rys. 3).

Ryż. 3. Obrót kołowy

Natomiast dla obserwatora na Ziemi trajektorią tego punktu będzie helisa (rys. 4). Jest oczywiste, że trajektoria zależy od wyboru układu odniesienia.

Ryż. 4. Trajektoria spiralna

Względność trajektorii. Trajektorie ruchu ciała w różnych układach odniesienia

Zastanówmy się, jak zmienia się trajektoria ruchu w zależności od wyboru układu odniesienia na przykładzie problemu.

Zadanie

Jaka będzie trajektoria punktu na końcu śmigła w różnych CO?

1. W CO związane z pilotem statku powietrznego.

2. W CO związane z obserwatorem na Ziemi.

Rozwiązanie:

1. Ani pilot, ani śmigło nie poruszają się względem samolotu. Dla pilota trajektoria punktu pojawi się jako okrąg (rys. 5).

Ryż. 5. Trajektoria punktu względem pilota

2. Dla obserwatora na Ziemi punkt porusza się na dwa sposoby: obracając się i poruszając do przodu. Trajektoria będzie spiralna (rys. 6).

Ryż. 6. Trajektoria punktu względem obserwatora na Ziemi

Odpowiadać : 1) koło; 2) spirala.

Na przykładzie tego problemu widzieliśmy, że trajektoria jest pojęciem względnym.

W ramach niezależnej kontroli sugerujemy rozwiązanie następującego problemu:

Jaka będzie trajektoria punktu na końcu koła względem środka koła, jeśli to koło porusza się do przodu, oraz względem punktów na ziemi (obserwator nieruchomy)?

3. Ruch i ścieżka

Rozważ sytuację, w której pływa tratwa i w pewnym momencie pływak zeskakuje z niej i próbuje przedostać się na przeciwległy brzeg. Ruch pływaka względem rybaka siedzącego na brzegu i względem tratwy będzie inny (ryc. 7).

Ruch względem ziemi nazywany jest absolutnym, a względem poruszającego się ciała – względnym. Ruch ciała ruchomego (tratwy) względem ciała stałego (rybaka) nazywa się przenośnym.

Ryż. 7. Przenieś pływaka

Z przykładu wynika, że przemieszczenie i ścieżka są wartościami względnymi.

4. Prędkość

Korzystając z poprzedniego przykładu, możesz łatwo pokazać, że prędkość jest również wartością względną. W końcu prędkość to stosunek przemieszczenia do czasu. Mamy ten sam czas, ale ruch jest inny. Dlatego prędkość będzie inna.

Zależność charakterystyk ruchu od wyboru układu odniesienia nazywa się względność ruchu.

W historii ludzkości zdarzały się dramatyczne przypadki, związane właśnie z wyborem układu odniesienia. Egzekucja Giordano Bruno, abdykacja Galileo Galilei – to wszystko konsekwencje walki między zwolennikami geocentrycznego układu odniesienia a heliocentrycznym układem odniesienia. Ludzkości bardzo trudno było przyzwyczaić się do myśli, że Ziemia wcale nie jest centrum wszechświata, ale zupełnie zwyczajną planetą. A ruch można rozpatrywać nie tylko względem Ziemi, ruch ten będzie absolutny i względny względem Słońca, gwiazd czy jakichkolwiek innych ciał. O wiele wygodniej i prościej jest opisać ruch ciał niebieskich w układzie odniesienia związanym ze Słońcem, co przekonująco wykazał najpierw Kepler, a następnie Newton, który opierając się na rozważeniu ruchu Księżyca wokół Słońca Ziemia wyprowadził swoje słynne prawo powszechnego ciążenia.

Jeśli mówimy, że trajektoria, droga, przemieszczenie i prędkość są względne, czyli zależą od wyboru układu odniesienia, to nie mówimy tego o czasie. W ramach mechaniki klasycznej, czyli newtonowskiej, czas jest wartością bezwzględną, to znaczy płynie tak samo we wszystkich układach odniesienia.

Zastanówmy się, jak znaleźć przemieszczenie i prędkość w jednym układzie odniesienia, jeśli są nam znane w innym układzie odniesienia.

Rozważmy poprzednią sytuację, kiedy tratwa płynie i w pewnym momencie pływak zeskakuje z niej i próbuje przedostać się na przeciwległy brzeg.

Jak ruch pływaka względem stałego CO (związanego z rybakiem) ma się do ruchu stosunkowo ruchomego CO (związanego z tratwą) (ryc. 8)?

Ryż. 8. Ilustracja do problemu

Nazwaliśmy ruch w ustalonym układzie odniesienia. Z trójkąta wektorów wynika, że . Przejdźmy teraz do znalezienia związku między prędkościami. Przypomnijmy, że w ramach mechaniki Newtona czas jest wartością bezwzględną (czas płynie tak samo we wszystkich układach odniesienia). Oznacza to, że każdy wyraz z poprzedniej równości można podzielić przez czas. Otrzymujemy:

Jest to prędkość, z jaką pływak porusza się dla rybaka;

To jest własna prędkość pływaka;

To jest prędkość tratwy (prędkość rzeki).

Problem z prawem dodawania prędkości

Rozważmy prawo dodawania prędkości na przykładzie problemu.

Zadanie

Dwa samochody zbliżają się do siebie: pierwszy z dużą prędkością, drugi z dużą prędkością. Jak szybko zbliżają się samochody (rys. 9)?

Ryż. 9. Ilustracja do problemu

Rozwiązanie

Zastosujmy prawo dodawania prędkości. Aby to zrobić, przejdźmy od zwykłego CO związanego z Ziemią do CO związanego z pierwszym samochodem. W ten sposób pierwszy samochód staje w miejscu, a drugi porusza się w jego kierunku z prędkością (prędkość względną). Z jaką prędkością, jeśli pierwszy samochód stoi, Ziemia obraca się wokół pierwszego samochodu? Obraca się z prędkością, a prędkość jest zgodna z prędkością drugiego pojazdu (prędkość nośna). Sumowane są dwa wektory skierowane wzdłuż tej samej linii prostej. .

Odpowiadać: .

Granice stosowalności prawa dodawania prędkości. Prawo dodawania prędkości w teorii względności

Przez długi czas uważano, że klasyczne prawo dodawania prędkości jest zawsze aktualne i ma zastosowanie do wszystkich układów odniesienia. Jednak około rok temu okazało się, że w niektórych sytuacjach to prawo nie działa. Rozważmy taki przypadek na przykładzie problemu.

Wyobraź sobie, że jesteś na rakiecie kosmicznej, która porusza się z prędkością . A kapitan rakiety kosmicznej włącza latarkę w kierunku ruchu rakiety (ryc. 10). Prędkość propagacji światła w próżni wynosi . Jaka będzie prędkość światła dla nieruchomego obserwatora na Ziemi? Czy będzie równa sumie prędkości światła i rakiety?

Ryż. 10. Ilustracja do problemu

Faktem jest, że tutaj fizyka ma do czynienia z dwoma sprzecznymi koncepcjami. Z jednej strony, zgodnie z elektrodynamiką Maxwella, maksymalna prędkość jest prędkością światła i jest równa . Z drugiej strony, zgodnie z mechaniką Newtona, czas jest wartością bezwzględną. Problem został rozwiązany, gdy Einstein zaproponował szczególną teorię względności, a raczej jej postulaty. Jako pierwszy zasugerował, że czas nie jest absolutny. Oznacza to, że gdzieś płynie szybciej, a gdzieś wolniej. Oczywiście w naszym świecie niskich prędkości nie zauważamy tego efektu. Aby odczuć tę różnicę, musimy poruszać się z prędkością bliską prędkości światła. Na podstawie wniosków Einsteina w szczególnej teorii względności uzyskano prawo dodawania prędkości. To wygląda tak:

Jest to prędkość w stosunku do stacjonarnego CO;

Jest to prędkość w stosunku do mobilnego CO;

Jest to prędkość poruszającego się CO w stosunku do stacjonarnego CO.

Jeśli podstawimy wartości z naszego problemu, otrzymamy, że prędkość światła dla stacjonarnego obserwatora na Ziemi będzie wynosić .

Kontrowersje zostały rozwiązane. Widać też, że jeśli prędkości są bardzo małe w porównaniu z prędkością światła, to wzór z teorii względności zamienia się w klasyczny wzór na dodawanie prędkości.

W większości przypadków użyjemy prawa klasycznego.

Dzisiaj dowiedzieliśmy się, że ruch zależy od układu odniesienia, że prędkość, ścieżka, przemieszczenie i trajektoria są pojęciami względnymi. A czas w ramach mechaniki klasycznej jest pojęciem absolutnym. Nauczyliśmy się, jak zastosować zdobytą wiedzę, analizując kilka typowych przykładów.

Bibliografia

Tichomirowa S.A., Yavorsky B.M. Fizyka (poziom podstawowy) - M.: Mnemozina, 2012.
Gendenstein LE, Dick Yu.I. Fizyka klasa 10. - M.: Mnemosyne, 2014.
Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizyka - 9, Moskwa, Edukacja, 1990.

Portal internetowy Class-fizika.narod.ru ().
Portal internetowy Nado5.ru ().
Portal internetowy Fizika.ayp.ru ().

Praca domowa

Zdefiniuj względność ruchu.
Jakie wielkości fizyczne zależą od wyboru układu odniesienia?

Wyobraź sobie pociąg elektryczny. Jedzie cicho po torach, wioząc pasażerów do swoich daczy. I nagle chuligan i pasożyt Sidorow, siedząc w ostatnim samochodzie, zauważa, że kontrolerzy wchodzą do samochodu na stacji Sady. Oczywiście Sidorow nie kupił biletu, a grzywnę chce zapłacić jeszcze mniej.

Względność gapowicza w pociągu

I tak, aby nie dać się złapać, szybko angażuje się w inny samochód. Kontrolerzy, po sprawdzeniu biletów wszystkich pasażerów, poruszają się w tym samym kierunku. Sidorow ponownie przechodzi do następnego samochodu i tak dalej.

I tak, gdy dojeżdża do pierwszego wagonu i nie ma dokąd jechać, okazuje się, że pociąg dotarł właśnie na stację Ogorody, której potrzebuje, a szczęśliwy Sidorow wysiada, ciesząc się, że jechał jak zając i nie zostać złapanym.

Czego możemy się nauczyć z tej pełnej akcji historii? Bez wątpienia możemy cieszyć się z Sidorowa, a ponadto możemy odkryć jeszcze jeden interesujący fakt.

Podczas gdy pociąg przejechał pięć kilometrów ze stacji Sady do stacji Ogorody w pięć minut, zając Sidorow pokonał w tym samym czasie tę samą odległość plus odległość równą długości pociągu, w którym jechał, czyli około pięciu tysięcy dwieście metrów w te same pięć minut.

Okazuje się, że Sidorow jechał szybciej niż pociąg. Jednak kontrolerzy depczący mu po piętach rozwijali tę samą prędkość. Biorąc pod uwagę, że prędkość pociągu wynosiła około 60 km/h, słusznie było wręczyć im wszystkim kilka medali olimpijskich.

Jednak oczywiście nikt nie będzie angażował się w taką głupotę, ponieważ wszyscy rozumieją, że niesamowita prędkość Sidorowa została opracowana przez niego tylko w odniesieniu do stacjonarnych stacji, szyn i ogrodów, a ta prędkość była spowodowana ruchem pociągu, a wcale Niewiarygodne zdolności Sidorowa.

Jeśli chodzi o pociąg, Sidorow wcale nie poruszał się szybko i nie osiągnął nie tylko medalu olimpijskiego, ale nawet wstęgi z niego. Tutaj spotykamy się z takim pojęciem, jak względność ruchu.

Pojęcie względności ruchu: przykłady

Względność ruchu nie ma definicji, ponieważ nie jest wielkością fizyczną. Względność ruchu mechanicznego przejawia się w tym, że niektóre cechy ruchu, takie jak prędkość, droga, trajektoria itd., są względne, to znaczy zależą od obserwatora. W różnych systemach odniesienia te cechy będą różne.

Oprócz powyższego przykładu z obywatelem Sidorowem w pociągu, możesz wziąć prawie każdy ruch dowolnego ciała i pokazać jego względność. Kiedy idziesz do pracy, poruszasz się do przodu względem swojego domu, a jednocześnie cofasz się względem autobusu, który przegapiłeś.

Stoisz nieruchomo w stosunku do gracza w kieszeni i pędzisz z wielką prędkością w stosunku do gwiazdy zwanej Słońcem. Każdy krok, który zrobisz, będzie gigantyczną odległością dla cząsteczki asfaltu i nieistotną dla planety Ziemia. Każdy ruch, podobnie jak wszystkie jego cechy, zawsze ma sens tylko w odniesieniu do czegoś innego.

Nawet w szkolnym programie nauczania istnieje zapis, że każdy ruch jednego ciała może być ustalony tylko względem drugiego ciała. Ta pozycja nazywana jest „względnością ruchu”. Ze zdjęć w podręcznikach jasno wynikało, że dla łodzi stojącej na brzegu rzeki, na przepływającą łódź składa się jej prędkość i prędkość rzeki. Po tak dokładnym zbadaniu staje się jasne, że względność ruchu otacza nas we wszystkich aspektach naszego życia. Prędkość obiektu jest wielkością względną, ale jej pochodna, przyspieszenie, również nabiera znaczenia tego wniosku, że to przyspieszenie jest zawarte we wzorze drugiego prawa Newtona (podstawowego prawa mechaniki). Zgodnie z tym prawem każda siła działająca na ciało nadaje mu proporcjonalne do niego przyspieszenie. Względność ruchu zmusza nas do zadania dodatkowego pytania: względem jakiego ciała dane jest przyspieszenie?

Nie ma w tym zakresie wyjaśnień w tym prawie, ale na podstawie prostych logicznych wniosków można dojść do wniosku, że skoro siła jest miarą oddziaływania jednego ciała (1) na drugie (2), to ta sama siła mówi ciało (2) przyspieszenie względem ciała (1), a nie tylko jakieś abstrakcyjne przyspieszenie.

Względność ruchu to zależność pewnego ciała, pewnej drogi, prędkości i przemieszczenia od wybranych układów odniesienia. W aspekcie kinematyki wszelkie zastosowane układy odniesienia są sobie równe, ale jednocześnie wszystkie cechy kinematyczne tego ruchu (trajektoria, prędkość, przemieszczenie) są w nich różne. Wszystkie wielkości, które zależą od wybranego układu odniesienia, za pomocą którego będą mierzone, nazywane są względnymi.

Względność ruchu, której definicja jest dość trudna do podania bez szczegółowego rozważenia innych pojęć, wymaga dokładnych obliczeń matematycznych. Można mówić o tym, czy ciało się porusza, czy nie, gdy jest absolutnie jasne, w jakim kierunku (ciało odniesienia) zmienia się jego pozycja. Układ odniesienia jest kombinacją takich elementów jak ciało odniesienia, a także związanych z nim układów współrzędnych i układów odniesienia czasu. W stosunku do tych elementów uwzględniany jest ruch dowolnych ciał lub. Matematycznie ruch obiektu (punktu) względem wybranego układu odniesienia jest opisany równaniami, które określają, jak zmieniają się współrzędne w czasie, które określają położenie obiekt w tym systemie. Takie równania określające względność ruchu nazywane są równaniami ruchu.

We współczesnej mechanice każdy ruch obiektu jest względny, więc należy go rozpatrywać tylko w odniesieniu do innego obiektu (ciała odniesienia) lub całego układu ciał. Na przykład nie można po prostu stwierdzić, że Księżyc w ogóle się porusza. Prawidłowe stwierdzenie byłoby takie, że Księżyc porusza się w stosunku do Słońca, Ziemi, gwiazd.

Często w mechanice układ odniesienia jest powiązany nie z ciałem, ale z całym kontinuum podstawowych ciał (rzeczywistych lub urojonych), które określają układ współrzędnych.

Filmy często pokazują ruch w stosunku do różnych ciał. Na przykład w niektórych kadrach ukazują pociąg, który porusza się na tle jakiegoś krajobrazu (jest to ruch względem powierzchni Ziemi), a w kolejnych – przedział wagonowy z drzewami migającymi przez okna ( ruch względem jednego wózka). Każdy ruch lub reszta ciała, co jest szczególnym przypadkiem ruchu, ma charakter względny. Dlatego odpowiadając na proste pytanie, czy ciało się porusza, czy znajduje się w spoczynku i jak się porusza, konieczne jest określenie, w stosunku do jakich obiektów rozważany jest jego ruch. Wybór systemów odniesienia z reguły dokonywany jest w zależności od warunków problemu.