Главная >> В мире больших скоростей >> Новое в повседневном

7. Инерциальные системы

Прочитав предыдущий параграф, внимательный читатель, вероятно, упрекнет автора. Почему при рассмотрении закона инерции нигде не было сказано о системе отсчета — ведь без этого разговор о скорости движения теряет смысл! Бессмысленным становится и понятие прямолинейного движения: тело может двигаться относительно одного тела отсчета (например, Земли) равномерно и прямолинейно, относительно же другого тела отсчета (например, Солнца) — криволинейно.
 
Читатель прав. До тех пор, пока мы не фиксировали систему отсчета, все сказанное в предыдущем параграфе остается бессодержательным. Что думал по этому поводу сам Ньютон, формулируя закон инерции?
 
Если Галилей считал, что все законы движения тел справедливы в системе отсчета, связанной с Солнцем (т. е. в системе Коперника), то Ньютон избрал другой путь. Он предполагал, что, независимо от существования и движения материальных тел в пространстве, последнее всегда остается себе подобным и неподвижным. Движение тела относительно этого неподвижного, так называемого абсолютного пространства Ньютон называл абсолютным движением. Введение понятия пространства явилось значительным обобщением со стороны Ньютона. В античные времена и в средневековье не знали ни одного слова, которое бы обозначало физическое пространство в том смысле, как мы понимаем это сейчас. Слово «Spatium» означало в древнем Риме только «комната» и «промежуток». Ньютон впервые в своем сочинении «Математические начала натуральной философии» (изданном на латинском языке) придал слову «spatium» значение физического абсолютного пространства. Формулируя свое учение, Ньютон всегда имел в виду движение в абсолютном пространстве. Таким образом, закон инерции, строго говоря, должен гласить следующее. Каждое тело пребывает в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения в абсолютном пространстве до тех пор, пока действующие на него силы не заставят его изменить это состояние.
 
Второй закон Ньютона также нужно сформулировать таким образом, чтобы было подчеркнуто абсолютное пространство в качестве системы отсчета. Ускорение тела в абсолютном пространстве пропорционально действующей на него силе.
 
Если, например, действующая на тело сила удвоится, то удвоится и ускорение тела в абсолютном пространстве. Если действующая на тело сила обратится в нуль, то станет равным нулю и ускорение в абсолютном пространстве — тело начнет двигаться с постоянной скоростью.
 
Ньютон считал абсолютным и время. Он писал: «Абсолютное, истинное математическое время само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью».
 
Ньютон изучал движение тел в системе отсчета, которую образуют абсолютное пространство и абсолютное время. Назовем эту систему абсолютной системой отсчета. Ньютон полагал, что, хотя движение тела можно описать в любой системе отсчета, все же каждому телу присуще свое особое истинное движение — это движение в абсолютной системе отсчета. Тем самым он утверждал, что из всех возможных систем отсчета следует предпочесть одну, а именно: абсолютное пространство и абсолютное время.
 
Предположим на минуту, что абсолютное пространство и абсолютное время действительно существуют. Это значит, что существует пространство, где все свободные тела движутся равномерно и прямолинейно (закон инерции).
 
Представим теперь, что мы находимся в самолете, который летит в абсолютном пространстве равномерно и прямолинейно со скоростью, скажем, 700 км/час. Пусть вблизи него летит пуля также равномерно и прямолинейно со скоростью 750 км/час. Для простоты рассуждения предположим, что направления движения самолета и пули совпадают. Наблюдая за движением пули из самолета, мы можем установить, что ее скорость относительно самолета составляет 50 км/час и, что весьма существенно, пуля движется относительно самолета равномерно и прямолинейно. В связанной с самолетом системе отсчета движение пули также будет равномерным и прямолинейным, как и в абсолютном пространстве.
 
Инерциальный характер движения пули не зависит от того, движется ли самолет в том же направлении, что и пуля, или нет; не имеют также значения и величины скоростей. Существенно только то, что в абсолютном пространстве и самолет, и пуля движутся равномерно и прямолинейно; тогда пуля будет двигаться относительно самолета тоже равномерно и прямолинейно.
 
Представим теперь бесконечное число самолетов в абсолютном пространстве, летящих равномерно в прямолинейно (величины скоростей и направления движения могут быть любыми), и свяжем с каждым самолетом систему отсчета. Получим бесконечное число систем отсчета, каждую из которых можно использовать для описания движения пули. В разных системах скорость пути различна, но во всех них она движется прямолинейно и равномерно, как и в абсолютном пространстве. Именно это и важно для нас. В первом законе Ньютона ничего не говорится о величине скорости, говорится только о равномерном и прямолинейном характере движения. Отсюда следует, что, если первый закон Ньютона имеет место в абсолютной системе отсчета, он будет действительным и в любой другой системе отсчета, которая движется относительно абсолютного пространства равномерно и прямолинейно.
 
Аналогично обстоит дело и со вторым законом Ньютона, в котором говорится только об ускорении, но не о скорости. Так как все воображаемые самолеты в абсолютном пространстве движутся равномерно и прямолинейно (т. е. с ускорениями, равными нулю), то ускорение тела относительно любого самолета будет точно таким же, как ускорение относительно абсолютного пространства. Следовательно, если второй закон Ньютона действителен в абсолютной системе отсчета, то он будет правилен и в любой другой системе отсчета, движущейся относительно абсолютного пространства равномерно и прямолинейно.
 
Формулируя законы движения, Ньютон имел в виду движение только по отношению к абсолютному пространству. В действительности же эти законы пригодны во всех  системах  отсчета,  которые движутся относительно  абсолютного пространства равномерно и прямолинейно.
 
Все системы отсчета, в которых справедливы законы ньютона, мы будем в дальнейшем называть инерциальными системами. Другими словами, инерциальные системы— это системы отсчета, где все свободные тела движутся без ускорения. Так как законы Ньютона справедливы тля абсолютного пространства, то и абсолютное пространство само следует считать одной из инерциальных систем.
 
В системах  отсчета,  которые движутся относительно абсолютного пространства с ускорением, законы Ньютона не выполняются. В повседневной жизни мы давно к этому привыкли. Мы хорошо   знаем,   что   во   время  внезапной остановки поезда ощущается толчок. Когда поезд останавливается, его движение относительно абсолютного пространства не является равномерным, поезд перестает быть инерциальной системой, и мы это чувствуем. Внезапный толчок есть не что иное, как ускоренное движение, которое произошло без воздействия реальной силы. Сила трения о пол вагона в данном случае не имеет определяющего значения, она только помогает нам установить равновесие. Как видим, в неинерциальной системе ускоренные движения происходят также при отсутствии силы. В таких системах второй закон Ньютона не применим. В неинерциальных системах не соблюдается и первый закон Ньютона, так как в них свободные тела движутся с ускорениями.
 
Считая законы Ньютона истинными законами природы, мы тем самым ставим инерциальные системы в предпочтительное положение по сравнению с остальными системами. Это значит, что правильной является только картина движения в инерциальных системах отсчета.

СМОТРИТЕ ТАКЖЕ: