Бегство от удивлений. книга для юных любителей физики с философским складом ума - Анфилов Г.Б.
Скачать (прямая ссылка):
Сказанное сейчас дает пищу для сложных и глубоких раздумий. Мы займемся ими позже, в следующих частях этой книжки. Но самые существенные особен«-ности систем отсчета, их связь с законами движения надо отметить сразу.
Ииврцнапьиость и нвинврциапьность
Представьте себе огромную кастрюлю, парящую где-то в космосе далеко от планет и звезд. Может быть, это внутренняя полость фантастической «летающей тарелки».
36 Иллюминаторы задраены. Нет никаких возможностей "посмотреть изнутри на небо, увидеть усыпанную звездами небесную сферу.
Вы внутри этой кастрюли. Обутые в башмаки с намагниченными подошвами, шагаете по жестяному дну. Й имеете следующее научное задание: установить ускорение либо вращение кастрюли или доказать, что то и другое отсутствует.
Поразмыслив, вы, я думаю, решите заданную задачу.
ІЛ Можно сделать, например, так: нарисовать на дне ,идеальную прямую (скажем, с помощью светового лу-и бросить вдоль нее копье. Так вот, если копье, ,летя по инерции, будет с неизменной скоростью точно Следовать нарисованной прямой линии, наша кастрюля не вращается и не испытывает ускорений.
Если же брошенное копье куда-то свернет от прямой, закружит, разгонится или затормозится, резонно заключить, что «на самом деле» вращается и ускоряется кастрюля.
, Логика умозаключений тут основывается на первом "законе механики, на признании инерции. Выводы выглядит вполне разумными (до некоторого предела, впрочем, который в своем месте — еще очень не скоро — бу-JieT отмечен). И здесь четко проступает роль системы Нечета в изучении движения.
Теперь важное определение. Постарайтесь его запомнить.
к -1 Кастрюля, которая после опыта с копьем выглядит "!^вращающейся и неускоряющейся, плюс часы, по которым зафиксировано постоянство скорости копья, есть рример инерциальной системы отсчета. В ней движение И»..инерции равномерно и прямолинейно. Значит, исполняется первый закон Ньютона.
Все остальные системы отсчета физики называют )щинерциальными.
Опыт Ileona Фуно
За неинерциальной системой отсчета совсем не обязательно отправляться в космос. Не требуется никаких межзвездных кастрюль и «летающих тарелок». Можно
37 остаться на Земле, пойти в городской сад и покататься на «колесе смеха» — горизонтальном скользком вращающемся диске. Вы на себе почувствуете неинерциаль-ность системы отсчета, связанной с диском,— очень быстро окажетесь отброшенным прочь от центра вращения.
Можно поехать в Ленинград и посетить Исаакиев-схий собор. Там ясно видно, что и система отсчета, связанная с Землей, тоже неинерциальна.
Дорого бы дал Галилей за идею опыта, поставленного в 1851 году французским физиком Леоном Фуко. На протяжении нескольких минут этот опыт просто и наглядно доказывал то, что великий итальянец стремился доказать всю жизнь—вращение земного шара. Теперь знаменитый эксперимент Фуко постоянно демонстрируется в Исаакиевском соборе.
На длинном (98 метров) подвесе раскачивается массивный шар. В каждом качании он летит из края в кран обширного помещения над полом, расчерченным четкими прямыми линиями. Маятник Фуко — вроде копья, которое мы с вами швыряли в космосе. Разгоняется он, правда, земным тяготением, но благодаря инерции сохраняет плоскость своих колебаний. Земля же, медленно поворачиваясь, сдвигает из-под нее пол собора. Летящий шар чуть-чуть сворачивает от прямых линий, начерченных на полу. Через две-три минуты накапливается весьма заметное отклонение.
Простейший вывод: Земля вертится.
Более тонкий вывод: система отсчета, связанная с земным шаром, неинерциальна.
Но справедливы ли в этом случае уравнения механики? Можно ли применить формулу второго закона? Действуют ли на маятник Фуко (или лучше все-таки на наше «космическое копье» — дабы не мешало притяжение Земли) какие-то силы?
Да. Пусть второй закон торжествует: раз есть ускорения, значит, есть и силы. Эти силы, под влиянием которых наше копье «само» ускоряется, тормозится, сворачивает вбок в неинерциальной системе отсчета, принято называть силами инерции.
С такой точки зрения на колесе смеха вы оказались во власти центробежной силы инерции. Она-то и согнала вас с диска. А маятник Фуко был подвержен силе
38 инерции Кориолиса (по имени физика, который ее впервые изучил). Она действует на тела, движущиеся во вращающейся системе отсчета. Благодаря ей маятник Фуко и смещает в такой системе плоскость своих качаний.
Конечно, вы можете покинуть вращающуюся Землю и рассматривать качания маятника Фуко в какой-то не-вращающейся, инерциальной системе отсчета (для малых промежутков времени в качестве ее опоры годится хотя бы Луна). Тогда вы вправе заявить, что смещения пола собора вызваны никакими не силами, а именно вращением земного шара. Однако этот бесспорный факт не делает силы инерции фиктивными, что иногда неосторожно говорят. Коль уж явление разыгрывается в не-инерциальной системе отсчета, силы инерции присутствуют обязательно и бывают порой очень эффективны — скажем, рвут на части быстро вращающийся маховик.
Видите: «пассивное непослушание», каким выглядело свойство инерции в инерциальной системе отсчета, для неинерциальной обернулось активным действием.
