นักปรัชญาโบราณพยายามทำความเข้าใจแก่นแท้ของการเคลื่อนไหว เพื่อเปิดเผยอิทธิพลของดวงดาวและดวงอาทิตย์ที่มีต่อบุคคล นอกจากนี้ ผู้คนมักจะพยายามระบุแรงที่กระทำต่อจุดวัตถุในกระบวนการเคลื่อนที่ตลอดจนในช่วงเวลาที่เหลือ
อริสโตเติลเชื่อว่าหากไม่มีการเคลื่อนไหวร่างกายจะไม่ได้รับผลกระทบจากแรงใดๆ ลองหาเฟรมอ้างอิงที่เรียกว่าเฉื่อย เราจะยกตัวอย่างของเฟรมเหล่านี้
กำลังพักผ่อน
ในชีวิตประจำวันมันยากที่จะตรวจพบสภาพเช่นนี้ ในการเคลื่อนไหวทางกลเกือบทุกประเภท จะถือว่ามีแรงภายนอก เหตุผลคือแรงเสียดทานซึ่งไม่อนุญาตให้วัตถุจำนวนมากออกจากตำแหน่งเดิมเพื่อออกจากสถานะพัก
เมื่อพิจารณาจากตัวอย่างระบบอ้างอิงเฉื่อย เราสังเกตว่าทั้งหมดสอดคล้องกับกฎข้อที่ 1 ของนิวตัน หลังจากค้นพบแล้วเท่านั้นจึงจะสามารถอธิบายสถานะการพักเพื่อระบุแรงที่กระทำต่อร่างกายในสถานะนี้
สูตรกฎข้อที่ 1 ของนิวตัน
ในการตีความสมัยใหม่ เขาอธิบายการมีอยู่ของระบบพิกัด ซึ่งสัมพันธ์กับการที่ใครๆ ก็พิจารณาได้ว่าไม่มีแรงภายนอกที่กระทำต่อจุดวัตถุ จากมุมมองของนิวตัน ระบบอ้างอิงเรียกว่าเฉื่อย ซึ่งทำให้เราสามารถพิจารณาการอนุรักษ์ความเร็วของร่างกายได้เป็นเวลานาน
คำจำกัดความ
กรอบใดอ้างอิงเฉื่อย? ตัวอย่างเหล่านี้ศึกษาในหลักสูตรฟิสิกส์ของโรงเรียน ระบบอ้างอิงเฉื่อยถือเป็นระบบที่เกี่ยวข้องกับจุดที่วัสดุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ นิวตันชี้แจงว่าร่างกายใดๆ ก็สามารถอยู่ในสภาพที่คล้ายกันได้ ตราบใดที่ไม่จำเป็นต้องใช้กำลังกับร่างกายที่สามารถเปลี่ยนสถานะดังกล่าวได้
ในความเป็นจริง กฎของความเฉื่อยไม่ได้เป็นจริงในทุกกรณี การวิเคราะห์ตัวอย่างกรอบอ้างอิงเฉื่อยและไม่เฉื่อย ให้พิจารณาบุคคลที่จับราวจับในรถที่กำลังเคลื่อนที่ เมื่อรถเบรกอย่างแรง คนจะเคลื่อนที่สัมพันธ์กับรถโดยอัตโนมัติ แม้จะไม่มีแรงจากภายนอก
ปรากฎว่าไม่ใช่ทุกตัวอย่างของกรอบอ้างอิงเฉื่อยที่สอดคล้องกับการกำหนดกฎของ 1 นิวตัน ในการชี้แจงกฎความเฉื่อย ได้มีการแนะนำคำจำกัดความของระบบอ้างอิงอย่างละเอียดซึ่งได้รับการปฏิบัติตามอย่างไม่มีที่ติ
ประเภทของระบบอ้างอิง
ระบบอ้างอิงอะไรเรียกว่าเฉื่อย? มันจะชัดเจนในไม่ช้า "ยกตัวอย่างระบบอ้างอิงเฉื่อยซึ่งเป็นไปตามกฎของ 1 นิวตัน" -มีการเสนองานที่คล้ายกันสำหรับเด็กนักเรียนที่เลือกฟิสิกส์เป็นข้อสอบในชั้นประถมศึกษาปีที่ 9 เพื่อรับมือกับงาน จำเป็นต้องมีแนวคิดเกี่ยวกับกรอบอ้างอิงเฉื่อยและไม่เฉื่อย
ความเฉื่อยเกี่ยวข้องกับการรักษาการพักหรือการเคลื่อนไหวเป็นเส้นตรงสม่ำเสมอของร่างกายตราบใดที่ร่างกายแยกจากกัน ร่างกาย "แยก" คือร่างกายที่ไม่เชื่อมต่อไม่โต้ตอบถูกแยกออกจากกัน
ลองมาดูตัวอย่างกรอบอ้างอิงเฉื่อยกัน สมมติว่าดาวในดาราจักรเป็นกรอบอ้างอิง แทนที่จะเป็นรถบัสที่กำลังเคลื่อนที่ การปฏิบัติตามกฎความเฉื่อยสำหรับผู้โดยสารที่ยึดรางจะไร้ที่ติ
ระหว่างการเบรก รถคันนี้จะยังคงเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงอย่างสม่ำเสมอจนกว่าจะได้รับผลกระทบจากวัตถุอื่น
ตัวอย่างกรอบอ้างอิงเฉื่อยอะไรที่คุณสามารถยกตัวอย่างได้ พวกเขาไม่ควรมีการเชื่อมต่อกับร่างกายที่วิเคราะห์ ส่งผลต่อความเฉื่อยของมัน
มันเป็นไปตามกฎข้อที่ 1 ของนิวตันสำหรับระบบดังกล่าว ในชีวิตจริง เป็นการยากที่จะพิจารณาการเคลื่อนไหวของวัตถุที่สัมพันธ์กับกรอบอ้างอิงเฉื่อย เป็นไปไม่ได้ที่จะไปถึงดาวฤกษ์ที่อยู่ห่างไกลเพื่อทำการทดลองบนบกจากมัน
โลกได้รับการยอมรับให้เป็นระบบอ้างอิงแบบมีเงื่อนไข แม้ว่าจะเกี่ยวข้องกับวัตถุที่วางอยู่ก็ตาม
สามารถคำนวณความเร่งในกรอบอ้างอิงเฉื่อยได้ หากเราพิจารณาพื้นผิวโลกเป็นหน้าต่างอ้างอิง ในวิชาฟิสิกส์ไม่มีบันทึกทางคณิตศาสตร์ของกฎข้อที่ 1 ของนิวตัน แต่เป็นผู้ที่เป็นรากฐานของที่มาของคำจำกัดความทางกายภาพและคำศัพท์มากมาย
ตัวอย่างกรอบอ้างอิงเฉื่อย
นักเรียนในโรงเรียนบางครั้งพบว่ามันยากที่จะเข้าใจปรากฏการณ์ทางกายภาพ นักเรียนเกรดเก้าได้รับมอบหมายงานของเนื้อหาต่อไปนี้: “กรอบอ้างอิงใดที่เรียกว่าเฉื่อย? ยกตัวอย่างของระบบดังกล่าว สมมติว่ารถเข็นที่มีลูกบอลเคลื่อนที่บนพื้นราบด้วยความเร็วคงที่ในขั้นต้น จากนั้นมันก็จะเคลื่อนที่ไปตามทราย ส่งผลให้ลูกบอลถูกตั้งให้เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว แม้จะไม่มีแรงอื่นมากระทำกับมัน (ผลรวมของมันคือศูนย์)
สาระสำคัญของสิ่งที่เกิดขึ้นสามารถอธิบายได้ด้วยความจริงที่ว่าในขณะที่เคลื่อนที่บนพื้นผิวทราย ระบบหยุดเฉื่อย แต่ก็มีความเร็วคงที่ ตัวอย่างของกรอบอ้างอิงเฉื่อยและไม่เฉื่อยระบุว่าการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นในช่วงระยะเวลาหนึ่ง
เมื่อตัวเร่งตัว ความเร่งมีค่าเป็นบวก และเมื่อเบรก ตัวเลขนี้จะกลายเป็นลบ
การเคลื่อนไหวโค้ง
สัมพันธ์กับดวงดาวและดวงอาทิตย์ การเคลื่อนที่ของโลกดำเนินไปตามวิถีโคจรโค้งซึ่งมีรูปทรงวงรี กรอบอ้างอิงนั้น ซึ่งศูนย์กลางอยู่ในแนวเดียวกับดวงอาทิตย์ และแกนถูกชี้ไปที่ดาวฤกษ์บางดวง จะถือว่าเฉื่อย
โปรดทราบว่ากรอบอ้างอิงใด ๆ ที่จะเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงและสัมพันธ์กันอย่างสม่ำเสมอกับเฮลิโอเซนทริคระบบเฉื่อย การเคลื่อนไหวโค้งจะดำเนินการด้วยความเร่งบางอย่าง
เนื่องจากโลกเคลื่อนที่รอบแกน ซึ่งเป็นกรอบอ้างอิงซึ่งสัมพันธ์กับพื้นผิวของมัน สัมพันธ์กับการเคลื่อนที่แบบเฮลิโอเซนตริกด้วยความเร่งเล็กน้อย ในสถานการณ์เช่นนี้ เราสามารถสรุปได้ว่ากรอบอ้างอิงซึ่งเชื่อมต่อกับพื้นผิวโลกนั้นเคลื่อนที่ด้วยความเร่งที่สัมพันธ์กับจุดศูนย์กลางเฮลิโอเซนตริก ดังนั้นจึงไม่ถือว่าเฉื่อย แต่ค่าของการเร่งความเร็วของระบบดังกล่าวมีขนาดเล็กมากจนในหลายกรณีมันส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อลักษณะเฉพาะของปรากฏการณ์ทางกลที่พิจารณาว่าสัมพันธ์กับมัน
ในการแก้ปัญหาเชิงปฏิบัติที่มีลักษณะทางเทคนิค เป็นเรื่องปกติที่จะต้องพิจารณากรอบอ้างอิงเฉื่อยที่เชื่อมต่อกับพื้นผิวโลกอย่างแน่นหนา
ทฤษฎีสัมพัทธภาพกาลิเลียน
กรอบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมดมีคุณสมบัติที่สำคัญ ซึ่งอธิบายโดยหลักการสัมพัทธภาพ สาระสำคัญของมันอยู่ที่ปรากฏการณ์ทางกลภายใต้เงื่อนไขเริ่มต้นเดียวกันจะดำเนินการในลักษณะเดียวกันโดยไม่คำนึงถึงกรอบอ้างอิงที่เลือก
ความเท่าเทียมกันของ ISO ตามหลักการสัมพัทธภาพแสดงไว้ในบทบัญญัติต่อไปนี้:
- ในระบบดังกล่าว กฎของกลไกเหมือนกัน ดังนั้นสมการใดๆ ที่อธิบายโดยสมการเหล่านี้แสดงเป็นพิกัดและเวลา จะไม่เปลี่ยนแปลง
- ผลของการทดลองทางกลอย่างต่อเนื่องทำให้สามารถระบุได้ว่ากรอบอ้างอิงจะหยุดนิ่งหรือไม่การเคลื่อนที่สม่ำเสมอเป็นเส้นตรง ระบบใดระบบหนึ่งสามารถรับรู้ตามเงื่อนไขว่าหยุดนิ่งได้หากระบบอื่นเคลื่อนที่สัมพันธ์กับความเร็วที่แน่นอนพร้อมกัน
- สมการของกลศาสตร์ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงในส่วนที่เกี่ยวกับการแปลงพิกัดในกรณีที่มีการเปลี่ยนจากระบบหนึ่งไปอีกระบบหนึ่ง คุณสามารถอธิบายปรากฏการณ์เดียวกันนี้ในระบบต่างๆ ได้ แต่ลักษณะทางกายภาพของพวกมันจะไม่เปลี่ยนแปลง
การแก้ปัญหา
ตัวอย่างแรก
กำหนดว่ากรอบอ้างอิงเฉื่อยคือ: ก) ดาวเทียมเทียมของโลก; b) สถานที่ท่องเที่ยวสำหรับเด็ก
ตอบ. ในกรณีแรก ไม่มีคำถามเกี่ยวกับระบบอ้างอิงเฉื่อย เนื่องจากดาวเทียมเคลื่อนที่ในวงโคจรภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วง ดังนั้นการเคลื่อนที่จึงเกิดขึ้นด้วยความเร่งเล็กน้อย
สิ่งดึงดูดใจนี้ไม่ถือว่าเป็นระบบเฉื่อย เนื่องจากการเคลื่อนที่แบบหมุนเกิดขึ้นด้วยความเร่งบางอย่าง
ตัวอย่างที่สอง.
ระบบการรายงานเชื่อมต่อกับลิฟต์อย่างแน่นหนา ในสถานการณ์ใดบ้างที่เรียกว่าเฉื่อย? ถ้าลิฟต์: ก) ล้มลง; b) เลื่อนขึ้นอย่างสม่ำเสมอ c) เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว d) ชี้ลงอย่างสม่ำเสมอ
ตอบ. ก) ในการตกอย่างอิสระ ความเร่งจะปรากฏขึ้น ดังนั้นกรอบอ้างอิงที่เกี่ยวข้องกับลิฟต์จะไม่เฉื่อย
b) ด้วยการเคลื่อนที่สม่ำเสมอของลิฟต์ ระบบจึงเฉื่อย
c) เมื่อเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง จะถือว่ากรอบอ้างอิงเฉื่อย
d) ลิฟต์เคลื่อนที่ช้า มีอัตราเร่งติดลบ คุณจึงทำไม่ได้เรียกกรอบเฉื่อยอ้างอิง
สรุป
ตลอดเวลาของการดำรงอยู่ มนุษย์พยายามที่จะเข้าใจปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในธรรมชาติ กาลิเลโอ กาลิเลอีพยายามอธิบายสัมพัทธภาพของการเคลื่อนไหว Isaac Newton ประสบความสำเร็จในการสืบทอดกฎความเฉื่อย ซึ่งเริ่มถูกใช้เป็นสมมติฐานหลักในการคำนวณในกลศาสตร์
ปัจจุบันระบบตรวจจับตำแหน่งของร่างกายประกอบด้วยร่างกาย อุปกรณ์สำหรับกำหนดเวลา และระบบพิกัด ขึ้นอยู่กับว่าร่างกายกำลังเคลื่อนไหวหรือหยุดนิ่ง เป็นไปได้ที่จะระบุตำแหน่งของวัตถุในช่วงเวลาที่ต้องการ