Question

Помогите пожалуйста. Даю 50 баллов. Лежащий на дороге камень ( на рисунке) неподвижен в системе отсчета связанной с Землей. Ответьте на вопросы: а) чему равна сумма сил действующих на камень? б) изменяется ли со временем скорость (равно ли нулю ускорение ) камня в системе отсчета, связанной с : - прямолинейно равномерно едущим по дороге автобусом - шишкой, которая свободна падает с дерева с ускорением g ? в) какие из этих систем отсчета являются инерциальными,а какие - неинерциальными?

Answer 1

КИНЕМАТИКА (отметьте, пожалуйста, это решение лучшим, чтобы сохранить последовательность изложения)

«Сосед учёный Галилея – был Галилея не глупее. Он знал, что вертится Земля, но у него была семья...»

Перед ответом на ваш вопрос, необходимо сделать важные логические разграничения, в контексте которых и будут жёстко определены выводы, относящиеся к одному или другому случаю. Сгоревший в пламени инквизиции Николай Коперник, а потом и обречённый на пожизненный домашний арест его последователь Галилей – великие умы Возрождения, принёсшие нам и обосновавшие гениальные откровения о мироустройстве, не смотря на все трудности, с которыми они столкнулись на этом пути – достойны самого высокого почтения.

Тем не менее. Когда нам говорят, что «на самом деле» – не Солнце крутится вокруг Земли, а сама Земля крутится вокруг своей оси, нам редко когда уточняют, что именно подразумевается под этим «на самом деле». Скажу страшное и крамольное – без таких уточнений и инквизиторы вполне могут быть правы (не в антигуманном отношении к человеческой личности, конечно, а только в части того, что вокруг чего крутится).

С точки зрения материальной философии (т.е. физики – коротко в современном лексиконе) понятия и выводы, с которыми она оперирует, основываются на нашем натуральном опыте с помощью естественных или искусственных инструментов измерения, т.е. с помощью органов чувств или специальных приборов, построенных на основании опыта, полученного, в конечном счёте – органами чувств. Важно понимать, что материальная философия базируется именно на НАШЕМ опыте, а не на опыте Галилея и Коперника. Скажем им огромное спасибо за дверь, которую они приоткрыли в мир познания природы. Но не будем забывать о главном: все выводы нужно делать, основываясь на своём опыте в строгом соответствии с собственной логикой.

Представим себе попугая в золотой клетке, который всегда живёт на большой карусели, вращающейся без перерывов 7/24. Попугай воспринимает карусель – неподвижной, а дерево и билетный киоск (стоящие неподвижно рядом с ней) – как вечно вращающиеся вокруг его неподвижной карусели. И кто же прав? Тот, кто скажет, что парк, в котором работает карусель – неподвижен, а карусель – крутится? Или попугай, который уверен, что карусель – неподвижна, а парк, дерево и киоск – крутятся вокруг неё?

Правы оба! Если мы говорим только о связи пространства и времени, т.е. о расстояниях, времени, скоростях и ускорениях. Раздел физики, который занимается изучением только этих величин – называется Кинематикой. В Кинематике нет никаких причин различать разные системы отсчёта. Само определение механического движения в физике – это изменение положение тела относительно других тел с течением времени. Так что можно считать, что карусель крутится относительно покоящегося парка, а можно считать, что парк крутится относительно покоящейся карусели. От этого ровным счётом ничего не меняется для Кинематики. Это всего лишь выбор точки отсчёта.

Мы, жители Земли – точно так же, как птица на карусели – наблюдаем, как Солнце восходит и заходит, т.е. крутится относительно Земли вокруг неё! С точки зрения Кинематики – это бесспорный факт, если в качестве тела отсчёта мы выбираем Землю. Если же в качестве тела отсчёта выбрать Солнце – то да, Солнце будет покоиться, а Земля будет крутиться в такой системе и вокруг Солнца и вокруг своей оси. Так что с точки зрения Кинематики – Геоцентрическая и Гелиоцентрическая системы – равноправны и ни одна из них никак не противоречит натуральному опыту. И именно в этом смысле – правы не только Галилей и Коперник, но и инквизиторы.


[Ограничивают объёмом в 5000 символов. Читайте продолжение. Отметьте, пожалуйста, это решение лучшим, чтобы сохранить последовательность изложения]

Answer 2

ДИНАМИКА (продолжение и окончание)

Есть, однако же, и другой раздел механики (физики) – Динамика. И вот в этом разделе уже доказывается, что есть особые системы отсчёта, которые не крутятся, а движутся равномерно и прямолинейно друг относительно друга, и называют такие системы отсчёта – инерциальными. Галилей был первым, кто сформулировал их особое свойство: «Во всех таких системах все наблюдаемые механические опыты неразличимы». И вот если мы заглянем в золотую клетку попугая – то увидим, что вода в его поилке всегда отклоняется в сторону края карусели, чего при обычной покоящейся клетке – не наблюдается. И из-за несоответствия этого простейшего наблюдения состоянию покоя – можно оказать, что система отсчёта, связанная с каруселью – не является инерциальной. Полвека спустя в XVII в. Ньютон сформулировал свои гениальные законы, которые верны в инерциальных системах Галилея и только в них.

Так, вот, с точки зрения Динамики – система, связанная с Солнцем является инерциальной (почти :–), а система, связанная с Землёй – сильно неинерциальна. Именно в этом смысле мы и говорим, что «на самом деле» не Солнце крутится вокруг Земли, а просто Земля вращается вокруг своей оси и поэтому нам кажется, что Солнце крутится вокруг Земли. Смысл словоупотребления «на самом деле» в этом утверждении, за которое шёл на костёр Коперник и страдал Галилей – связан именно с понятием инерциальных систем Галилея, вводимых в Динамике. С точки зрения Кинематики – никакого «на самом деле» нет. Любой взгляд на мироустройство формально оправдан.

Эффекты неинерциальности карусельной Земли можно обнаружить во многих опытах. С маятником Фуко, в приоритетном закручивании воды в равновесных воронках (например, при спуске ванны), в том, что Земля представляет собой не сферу, а геоид – т.е. распухшую на экваторе из-за вращения сферу, в зависимости ускорения свободного падения (гравитационной напряжённости) от географической широты, и в некоторых других экспериментах.

Тем не менее, хотя с точки зрения Астрономии – Земля и представляет собой карусель, т.е. неинерциальную систему отсчёта, в повседневной жизни и при решении простых школьных задач: эффекты неинерциальности – достаточно малы (коло 0.1%), а поэтому часто в школьных задачах Землю считать упрощённо – инерциальной системой отсчёта. Строго говоря, и Солнце – не является инерциальной системой отсчёта, поскольку, во-первых оно крутится вокруг своей собственной оси, а во-вторых Солнце совершает круговое орбитальной движение внутри Галактики Млечный Путь вокруг Центрального Квазара Балдж с чёрной дырой. Но поправки, вносимые в расчёты движения спутников в Солнечной Системе – ещё менее значительны и составляют миллионные доли процентов, так что чаще всего Солнце считаются инерциальной системой отсчёта.


Ну а теперь о вашей задаче:

а) На камень действуют только две силы:

Сила тяжести, возникающая в гравитационном поле Земли, и сила нормальной реакции поверхности, на которой лежит камень. В соответствии с законами Ньютона – тело покоится или движется прямолинейно и равномерно в инерциальных системах отсчёта, если на него не действуют внешние силы, либо если действие всех внешних сил взаимно скомпенсировано. Две силы скомпенсированы, только если они равны друг другу и направлены противоположно. И именно так тут и есть. Сила нормальной реакции равна силе тяжести. А общая результатирующая сила в данном случае равна нулю.


б)

1) Система отсчёта, связанная сравномерно движущимся автобусом – инерциальна по определению (она движется равномерно и прямолинейно), а значит, согласно Принципу Галилея и Первому Закону Ньютона – все механические опыты будут протекать аналогично. Т.е. как в системе отсчета, связанной с Землёй камень имеет нулевое ускорение, так и в системе отсчёта с равномерно движущимся автобусом – его ускорение по прежнему равно нулю. Камень, относительно автобуса просто движется равномерно, навстречу ему, без ускорения.

2) Шишка, падающая с дерева – движется в поле гравитации Земли, а значит, имеет ускорение при падении – равное ускорению свободного падения (численно совпадающего с гравитационной напряжённостью). Таким образом – система отсчёта, связанная с падающей шишкой – является неинерциальной системой отсчёта. Такая система отсчёта уже не соответствует Принципу Галилея, а значит, она может иметь ускорение. И именно так и будет. Система отсчёта, связанная с шишкой будет иметь ускорение, а поэтому и покоящийся в инерциальной системе камень – будет иметь ускорение в неинерциальной системе отсчёта, связанной с падающей шишкой. Жучку, сидящему на шишке, будет казаться, что шишка относительно него покоится, а Земля и лежащий на ней камень – налетают на эту шишку снизу вверх с ускорением.


в) Как уже было сказано: система отсчёта, связанная с равномерно движущимся автобусом является инерциальной, а система отсчёта, связанная с падающей с дерева шишкой – является неинерциальной.