Системы отсчета и их виды

В физике часто встречаются термины «система отсчета» и «инерциальная система отсчета». Ознакомимся с ними.

Что такое система отсчета

Система отсчета содержит:

1. координатные оси (чтобы указывать координаты тел);
2. тело отсчета (с ним связаны оси);
3. часы (чтобы измерять время и считать скорость);

Если все три пункта выполнены, то говорят, что задана система отсчета.

С телом отсчета связаны координатные оси, если тело отсчета будет двигаться, то система отсчета будет передвигаться совместно с ним.

Системы отсчета используются не только в физике. В повседневной жизни мы пользуемся картами местности. При этом, на карте мы отмечаем две точки:

• точку, в которой мы находимся в данный момент – начальную точку;
• точку, в которую хотим прийти – конечную точку маршрута.

Проложив маршрут и измерив расстояние между этими точками, мы сможем посчитать расстояние, которое нужно преодолеть, чтобы переместиться. А указав интервал времени, мы сможем рассчитать, с кокой скоростью нужно двигаться, чтобы вовремя прибыть к месту назначения.

Виды систем отсчета и их сравнение

Все системы отсчета (сокращенно СО) можно разделить на два вида:

• инерциальные СО;
• не инерциальные СО;

От того, как система отсчета движется, зависит, можно ли считать ее инерциальной, или нет.

Инерциальные системы отсчета

Инерциальная система отсчета — это такая, которая:

• покоится, или
• движется по прямой с одной и той же скоростью.

Другими словами, инерциальная СО не меняет вектор своей скорости ни по модулю, ни по направлению.

Примеры инерциальных систем отсчета:

• автобус находится на остановке (покоится);
• автобус едет по прямой и гладкой дороге с одной и той же скоростью;

Примечания:

1. Вместо слов «скорость не меняется», физики часто употребляют такие слова: «скорость постоянная», или «модуль вектора скорости сохраняется».

2. Скорость – это вектор, у любого вектора есть две главные характеристики:

• длина вектора (математики скажут «модуль вектора»);
• направление вектора (это направление, в котором указывает стрелка, изображающая вектор на каком-нибудь рисунке);

Подробнее о векторах и их характеристиках «здесь».

Не инерциальные системы отсчета

Не инерциальная система отсчета — это такая, которая:

• движется по прямой, но при этом ускоряется, или замедляется (меняет вектор скорости по модулю), или
• движется по кривой (меняет направление вектора скорости).

Другими словами, не инерциальная СО меняет вектор своей скорости или по модулю, или по направлению.

Бывает и так, что одновременно изменяет и по модулю, и по направлению. Главное, что изменяет. Например, гоночный автомобиль на соревнованиях входит в поворот и одновременно набирает скорость.

Примеры не инерциальных систем отсчета:

• автобус движется по прямой, но ускоряется, или замедляется;
• автобус поворачивает на перекрестке, проезжая его;

Для чего нужно знать, к какому виду отнести систему отсчета

Предположим, нам нужно решить какую-то задачу механики. Чтобы ее решить мы вводим систему отсчета. Является ли система отсчета инерциальной, нужно знать потому, что

Во всех инерциальных системах отсчета процессы механики протекают одинаково.

Для иллюстрации рассмотрим такой пример:

Представим, что мы находимся внутри пассажирского вагона. Поднимем на вытянутой руке мяч и разожмем ладонь, чтобы мяч из нее выпал. Будем изучать траекторию, по которой мяч движется. На всех рисунках пунктиром обозначено начальное положение мяча, а сплошным кругом — его конечное положение. Рассмотрим движение мяча в каждом из случаев:

Случай 1. Вагон покоится

Рис.1. Вид сбоку. Вагон покоится – мяч падает вертикально

Когда вагон покоится, свободно падающий мяч падает вертикально

Случай 2. Вагон движется равномерно прямолинейно

Вид сбоку. Вагон движется по прямой с одной и той же скоростью – мяч падает вертикально

Красная стрелка — это вектор скорости вагона, он обозначен символом \( \vec {v} \) и указывает направление, в котором вагон движется.

Когда вагон движется равномерно прямолинейно, свободно падающий мяч падает вертикально

Случай 3. Вагон движется прямолинейно равнозамедленно

Рис.3. Вид сбоку. Вагон замедляется, двигаясь по прямой – мяч падает, отклоняясь вперед по ходу движения

Вектор скорости вагона обозначен символом \( \vec {v} \) и указывает направление, в котором вагон движется. Вектор ускорения вагона обозначен символом \( \vec {a} \). Вагон замедляется, так как скорость и ускорение направлены в противоположные стороны.

Когда вагон движется прямолинейно равнозамедленно, свободно падающий мяч отклоняется от вертикали.

Случай 4. Вагон движется прямолинейно равноускоренно

Рис.4. Вид сбоку. Вагон ускоряется, двигаясь по прямой – мяч падает, отклоняясь назад по ходу движения

Вектор скорости вагона \( \vec {v} \) и вектор ускорения вагона \( \vec {a} \) сонаправлены. Это говорит о том, что вагон ускоряется.

Когда вагон движется прямолинейно равноускоренно, свободно падающий мяч отклоняется от вертикали

Случай 5. Вагон движется криволинейно

Рис.5. Вид сверху. Вагон меняет направление движения (поворачивает) – мяч падает, отклоняясь в сторону, противоположную повороту

На рисунке представлена одна из возможных траекторий движения мяча. Траектория мяча будет зависеть от того, будет ли вагон, входящий в поворот, ускоряться, или замедляться.

Изогнутая стрелка указывает направление, в котором вагон поворачивает (изменяет направление движения).

Когда вагон движется криволинейно, свободно падающий мяч отклоняется от вертикали.

Подведем итог:

В первых двух случаях (см. рис. №1, №2), траектории мяча были одинаковыми. В этих двух случаях вагон является инерциальной системой отсчета.

Рисунки №3, №4 и №5 иллюстрируют неинерциальные системы отсчета. В случаях, представленных на этих рисунках, траектории мяча различаются. Формы траекторий зависят от дополнительных сил, действующих в неинерциальных системах отсчета на мяч.