Различные виды систем отсчета

Кинематика позволяет рассчитывать координаты движущихся тел, их перемещения, скорости, ускорения не вдаваясь в сущность протекающих механических процессов. Вопрос об изменении характера движения, причинах появления ускорений у тел решается разделом механики – динамикой.

Механические процессы в динамике можно рассматривать с точки зрения двух принципиально отличающихся видов систем отсчета.
Рис. 1
Рис. 2

Поставим в кузов игрушечного автомобиля предмет, и будем двигать автомобиль по поверхности стола прямолинейно с постоянной скоростью.

Предмет по отношению к системе отсчета, связанной с автомобилем, покоится. По отношению к системе отсчета, связанной со столом, он перемещается с постоянной скоростью.

Обе системы отсчета объединяет то обстоятельство, что предмет в них сохраняет свою скорость постоянной.

С точки зрения любой из этих систем отсчета можно утверждать, что для того, чтобы скорость предмета изменилась, на него должно подействовать другое тело. Например, если толкнуть предмет, он упадет, получив при этом ускорение за счет действия на него руки.

Однако, представим себе такую ситуацию: мысленно перенесясь в кузов автомобиля, и, наблюдая за поведением предмета, мы замечаем, что только что покоившийся предмет вдруг, безо всякого действия на него других тел, падает, т. е. приходит по отношению к кузову автомобиля в ускоренное движение.

Рис. 3

Находясь в системе отсчета, связанной со столом, можно объяснить ускоренное движение предмета тем, что автомобиль по отношению к столу сам изменил свою скорость. Находясь же в кузове, мы можем лишь констатировать тот факт, что предмет вышел из состояния покоя без действия на него других тел.

Назовем систему отсчета, в которой любое ускорение, приобретаемое телом, объясняется действием на него других тел, инерциальной системой отсчета (ИСО).

Систему отсчета, в которой ускорение, приобретаемое телом, не объясняется действием на него других тел, назовем неинерциальной системой отсчета (НеИСО).

Таким образом, система отсчета, связанная со столом, будет инерциальной. Система отсчета, связанная с кузовом автомобиля, когда автомобиль движется с постоянной по отношению к столу скоростью, так же является инерциальной.

Система отсчета, связанная с автомобилем, когда он стал изменять свою скорость относительно стола, стала неинерциальной, потому что именно в этот промежуток времени предмет приобрел ускорение, необъясняемое действием на него других тел.

Одна из формулировок первого закона динамики, сформулированного Ньютоном, имеет вид:

В природе существуют инерциальные системы отсчета.

В развернутом виде первый закон Ньютона может быть сформулирован следующим образом.

В природе существуют такие системы отсчета, в которых тело сохраняет свою скорость постоянной по величине и направлению, если на это тело не действуют другие тела.