Investigación del marco de referencia

Desde un punto de vista cinemático, el sistema de referencia se puede elegir arbitrariamente. Para un problema cinemático específico, generalmente elegimos un sistema de referencia según la conveniencia para simplificar el estudio del movimiento de los objetos. Al estudiar el movimiento de los cuerpos celestes en la antigüedad, naturalmente se utilizaba la Tierra como sistema de referencia. La "teoría geocéntrica" ​​de Ptolomeo utilizó este círculo o incluso un círculo para explicar el movimiento de los planetas. Cuando Copérnico utilizó la "teoría heliocéntrica" ​​para explicar el movimiento planetario, también utilizó la rueda de corriente y la rueda par. Desde un punto de vista cinemático, tanto la "teoría geocéntrica" ​​como la "teoría heliocéntrica" ​​pueden describir igualmente bien el movimiento de los planetas. Pero desde la perspectiva del estudio de las causas dinámicas del movimiento planetario, la "teoría heliocéntrica" ​​abre el camino hacia la verdad. Basándose en la "teoría geocéntrica", Kepler transformó el movimiento circular de los planetas en movimiento elíptico, descartando así la teoría actual de las ruedas o incluso de las ruedas. Kepler estableció las tres leyes del movimiento planetario a partir de sus observaciones e hizo importantes contribuciones. Newton reveló además los secretos de las tres leyes de Kepler, estableció la ley de la gravitación universal y promovió el concepto de "gravitación universal". Cabe señalar que todos los sistemas de referencia son cinemáticamente iguales. Al seleccionar un sistema de referencia, solo considere si es fácil de analizar y resolver problemas. Desde un punto de vista dinámico, los sistemas de referencia se pueden dividir en sistemas de referencia inerciales y sistemas de referencia no inerciales. Las leyes dinámicas como la ley de Newton solo son válidas para sistemas de referencia inerciales, por lo que es necesario introducir las correspondientes correcciones de fuerza inercial para diferentes sistemas de referencia no inerciales.

El movimiento mecánico de la partícula muestra que la posición de la partícula cambia con el tiempo. La posición de una partícula es relativa a un sistema de referencia. El sistema de referencia se refiere a seleccionar un objeto tridimensional no deformable (cuerpo rígido) o un grupo de objetos como base para estudiar el movimiento del objeto como cuerpo de referencia, sobre el cuerpo de referencia, tres líneas que se cruzan con diferentes planos. Se seleccionan como marco, más un marco con el cuerpo de referencia. Reloj de conexión fijo. En otras palabras, el sistema de referencia incluye el cuerpo de referencia, el marco y el reloj. Tradicionalmente, nos referimos a un marco de referencia simplemente como marco de referencia. Para describir cuantitativamente el movimiento de un objeto, necesitamos establecer un sistema de coordenadas en un sistema de referencia. Las coordenadas cartesianas y las coordenadas polares son las dos formas de coordenadas más utilizadas.

Newton llamó sistema de referencia inercial al sistema de referencia de movimiento lineal uniforme. En 1905, Einstein propuso en su artículo que todos los sistemas de referencia inerciales son equivalentes, es decir, que todas las leyes físicas son igualmente aplicables y tienen la misma forma en los sistemas de referencia inerciales. El punto de vista de Einstein es correcto, porque la gente no puede utilizar ninguna ley física para descubrir la diferencia entre este marco de referencia y cualquier marco de referencia estacionario dentro de cualquier marco de referencia inercial (es decir, sin referencia a objetos fuera de este marco de referencia). Fue sobre esta base que Einstein estableció la teoría especial de la relatividad.

Entonces, ¿qué pasa si estamos en un sistema de referencia no inercial? El movimiento de un sistema de referencia no inercial tiene una cierta aceleración, pero esta aceleración puede considerarse como un tipo de gravedad (también llamada gravitación universal). Por ejemplo, cuando estamos en un ascensor, cuando el ascensor acelera o desacelera, nos sentiremos un poco ligeros y el peso parece reducirse. Cuando estamos en el ascensor, no miramos los objetos de referencia del exterior y no sabemos si el ascensor está acelerando o desacelerando. Solo sentimos que la gravedad está cambiando.

Según el punto de vista de Newton, el movimiento absoluto es relativo a un sistema de referencia absolutamente estacionario. En otras palabras, existe un espacio absolutamente estático en la naturaleza, es decir, un espacio absoluto. Según el punto de vista moderno, el espacio absoluto no tiene significado objetivo. Para explicar la contradicción entre la teoría electromagnética de J.C. Maxwell y el principio de relatividad de la mecánica newtoniana, los físicos del siglo XIX supusieron que el espacio estaba lleno del medio elástico sin masa y sin flujo "éter", y las ondas electromagnéticas se consideraban vibraciones de "éter". éter". Un sistema de referencia que está en reposo respecto del "éter" representa un sistema de referencia que está absolutamente en reposo. Los fenómenos electromagnéticos en este sistema de referencia tienen propiedades especiales, lo que lleva al argumento de que el sistema de coordenadas inercial no equivale a describir fenómenos electromagnéticos. Los famosos resultados experimentales publicados por A.A. Michelson y E.W. Morey en 1887 demostraron que el efecto "éter" no se puede detectar. Desde entonces, otros experimentos han demostrado que no se puede encontrar un marco de referencia estático. Entonces, señaló Einstein, no existe quietud absoluta en absoluto.

En su famoso artículo "Electrodinámica de objetos en movimiento" publicado en 1905, Einstein propuso dos supuestos básicos de la relatividad especial, a saber, el principio de la relatividad y la velocidad constante de la luz.

Estos dos supuestos son la base de la relatividad especial. Muchos fenómenos que no pueden explicarse mediante la mecánica newtoniana pueden describirse con precisión mediante la relatividad especial. El principio de relatividad de Einstein establece que las leyes de la física, incluidas la mecánica, la electrodinámica y la óptica, son las mismas en todos los sistemas de referencia inerciales. Es decir, el sistema de coordenadas inercial equivale a describir fenómenos físicos. Sin un sistema de referencia especial absolutamente estacionario, el espacio absoluto no tiene sentido.

Sistema de Referencia Inercial

El sistema de referencia en el que se establece la ley de inercia se denomina sistema inercial. El principio de relatividad en la mecánica clásica establece que en un sistema de referencia de movimiento uniforme y no giratorio, todas las leyes mecánicas son las mismas. Un observador que se mueve en línea recta a velocidad constante en una cabina sellada no puede juzgar si la cabina está estacionaria o se mueve a velocidad constante en relación con la estrella mediante experimentos mecánicos internos. Sólo podía saberlo mirando por la ventana, pero todavía no podía decir si la cabina se estaba moviendo o las estrellas se estaban moviendo. Por otra parte, esta equivalencia mecánica de los sistemas de referencia no se cumple para ningún sistema de referencia en movimiento. En un tren con baches y en un tren que viaja a velocidad constante, el movimiento mecánico no sigue las mismas leyes. Al escribir con precisión las ecuaciones de movimiento con respecto a la Tierra, debemos tener en cuenta la rotación de la Tierra. Un sistema de referencia, si una partícula libre no acelera en él, se llama sistema de referencia inercial o sistema de referencia galileano. Todos los sistemas de referencia que no aceleran ni giran entre sí son sistemas de referencia inerciales.

Determinar si un sistema de referencia específico es un sistema inercial depende de la precisión con la que se midan los pequeños efectos de aceleración de este sistema de referencia. En la dinámica general de ingeniería en el suelo, dado que la velocidad angular de rotación de la Tierra es muy pequeña y la fuerza de sujeción centrípeta en un punto del suelo es muy pequeña, el sistema de coordenadas conectado fijamente a la Tierra se puede utilizar como sistema de referencia inercial. . En algunos problemas en los que se debe considerar la rotación de la Tierra, como el estudio de la deriva de instrumentos giroscópicos, el sistema de coordenadas centrado en la Tierra se puede utilizar como un sistema de referencia inercial aproximado, coincidiendo su origen con el centro de la Tierra y su eje apuntando hacia el centro de la Tierra. estrella identificada. En astronomía se utiliza como sistema de referencia inercial el sistema de coordenadas de la eclíptica o el sistema de coordenadas galácticas. La aceleración centrípeta de un punto en el ecuador de la superficie terrestre es de 3,4 cm/s 2, la aceleración centrípeta de la revolución de la Tierra alrededor del Sol es de 0,6 cm/s 2 y la aceleración centrípeta de la revolución del Sol alrededor del centro de la La galaxia mide aproximadamente 3x10-8 cm/s 2. De los datos anteriores se puede ver qué tan aproximado es el marco de referencia inercial seleccionado.

Departamento de inspección no inercial

Un marco de referencia que acelera o gira un marco de referencia inercial, denominado marco no inercial.

Un sistema no inercial que se mueve con aceleración constante α se denomina sistema de referencia de movimiento acelerado. En este sistema de referencia, un objeto estacionario debe tener una fuerza F=mα. En un campo gravitacional, todos los objetos se ven afectados por la gravedad, por lo que los objetos en un campo gravitacional cuyo sistema inercial es estacionario también se ven afectados por la gravedad. Si hay otro marco no inercial y su aceleración hacia el marco inercial es la misma que la aceleración causada por esta fuerza gravitacional, entonces el observador en este marco no inercial no sentirá el campo gravitacional y no sabrá que está acelerador. Este es el "ascensor" de Einstein, que muestra que el campo gravitacional y el sistema no inercial son equivalentes.

Marco de referencia inercial Un marco de referencia giratorio se denomina marco de referencia giratorio. Suponiendo que el sistema inercial es estacionario, el movimiento de un cuerpo rígido conectado fijamente al sistema de referencia giratorio es el movimiento del sistema de referencia giratorio hacia el sistema inercial.

Marco de referencia y principio de equivalencia

La igualdad de la masa inercial y la masa gravitacional se denomina generalmente principio de equivalencia. Este principio lleva a una conclusión: un sistema de referencia inercial con un campo gravitacional y otro sistema de referencia no inercial con movimiento acelerado son equivalentes, es decir, los experimentos físicos internos no pueden distinguir entre los dos sistemas de referencia. Este es el principio de ecuación del precio de Einstein. Tomemos como ejemplo el "ascensor" de Einstein. Si el ascensor está estacionario en un campo gravitacional uniforme de 1g y se mueve hacia arriba en el espacio libre con una aceleración de 9.865.438 0m/s2, dado que la masa inercial y la masa gravitacional son iguales, se obtiene el mismo experimento físico interno en los dos casos anteriores. son iguales. El observador que está dentro puede pensar que el ascensor está estacionario y que hay un campo gravitacional en la cabina o puede pensar que la cabina no tiene campo gravitacional, pero el ascensor se mueve hacia arriba con una aceleración de 9,81 m/s2;

La equivalencia de masa inercial y masa gravitacional lleva a otra situación.

Si un objeto cae libremente en un campo gravitacional uniforme, las fuerzas de inercia y gravitacional están equilibradas porque la masa inercial y la masa gravitacional son iguales. Por lo tanto, un sistema de referencia no giratorio fijado con un cuerpo en caída libre en un campo gravitacional uniforme es equivalente a un sistema de referencia inercial en el espacio libre. En una nave espacial que orbita la Tierra, el equilibrio de la gravedad y las fuerzas de inercia centrífugas crea el fenómeno de la "ingravidez".

La igualdad de la masa inercial y la masa gravitacional a menudo se denomina principio de equivalencia débil, y el principio de equivalencia de Einstein se denomina principio de equivalencia fuerte. El principio de equivalencia es la base de la relatividad general.