Système de référence inertiel. Référentiel non inertiel : définition, exemples

Nous présentons à votre attention une leçon vidéo dédiée au thème « Systèmes de référence inertiels ». La première loi de Newton", qui est incluse dans le cours de physique de l'école de 9e année. En début de cours, le professeur vous rappellera l'importance du référentiel choisi. Ensuite, il parlera de l'exactitude et des caractéristiques du système de référence choisi, et expliquera également le terme « inertie ».

Dans la leçon précédente, nous avons parlé de l'importance de choisir un cadre de référence. Rappelons que la trajectoire, la distance parcourue et la vitesse dépendront de la manière dont nous choisirons le CO. Il existe un certain nombre d'autres fonctionnalités associées au choix du système de référence, et nous en parlerons.

Riz. 1. Dépendance de la trajectoire d'une charge en chute sur le choix du système de référence

En septième année, vous avez étudié les concepts d'« inertie » et d'« inertie ».

Inertie - Ce phénomène, dans lequel le corps tend à maintenir son état d'origine. Si le corps bougeait, il devrait alors s'efforcer de maintenir la vitesse de ce mouvement. Et s’il était au repos, il s’efforcera de maintenir son état de repos.

Inertie - Ce propriété les corps maintiennent un état de mouvement. La propriété d'inertie est caractérisée par une quantité telle que la masse. Poids – mesure de l'inertie du corps. Plus le corps est lourd, plus il est difficile de le déplacer ou, au contraire, de l'arrêter.

Veuillez noter que ces concepts sont directement liés au concept de " référentiel inertiel"(ISO), qui sera discuté ci-dessous.

Considérons le mouvement d'un corps (ou l'état de repos) dans le cas où le corps n'est pas sollicité par d'autres corps. La conclusion sur la façon dont un corps se comportera en l'absence de l'action d'autres corps a été proposée pour la première fois par René Descartes (Fig. 2) et poursuivie dans les expériences de Galilée (Fig. 3).

Riz. 2. René Descartes

Riz. 3. Galilée Galilée

Si un corps bouge et que d’autres corps n’agissent pas sur lui, alors le mouvement sera maintenu, il restera rectiligne et uniforme. Si d'autres corps n'agissent pas sur le corps et que le corps est au repos, alors l'état de repos sera maintenu. Mais on sait que l'état de repos est associé à un système de référence : dans un référentiel, le corps est au repos, et dans l'autre, il se déplace avec succès et à un rythme accéléré. Les résultats des expériences et des raisonnements conduisent à la conclusion que dans tous les systèmes de référence, un corps ne se déplacera pas de manière rectiligne et uniforme ou ne sera pas au repos en l'absence de l'action d'autres corps sur lui.

Par conséquent, pour résoudre le problème principal de la mécanique, il est important de choisir un système de rapport où la loi de l'inertie est toujours satisfaite, où la raison qui a provoqué le changement dans le mouvement du corps est claire. Si le corps se déplace de manière rectiligne et uniforme en l'absence de l'action d'autres corps, un tel référentiel nous sera préférable, et on l'appellera système de référence inertiel(ISO).

Le point de vue d'Aristote sur la cause du mouvement

Un référentiel inertiel est un modèle pratique pour décrire le mouvement d'un corps et les raisons qui provoquent ce mouvement. Ce concept est apparu pour la première fois grâce à Isaac Newton (Fig. 5).

Riz. 5. Isaac Newton (1643-1727)

Les Grecs de l’Antiquité imaginaient le mouvement de manière complètement différente. Nous ferons connaissance avec le point de vue aristotélicien sur le mouvement (Fig. 6).

Riz. 6. Aristote

Selon Aristote, il n’existe qu’un seul référentiel inertiel : le référentiel associé à la Terre. Tous les autres systèmes de référence, selon Aristote, sont secondaires. En conséquence, tous les mouvements peuvent être divisés en deux types : 1) naturels, c'est-à-dire ceux communiqués par la Terre ; 2) forcé, c'est-à-dire tout le monde.

L'exemple le plus simple de mouvement naturel est la chute libre d'un corps vers la Terre, puisque dans ce cas la Terre transmet de la vitesse au corps.

Regardons un exemple de mouvement forcé. Il s’agit d’une situation où un cheval tire une charrette. Pendant que le cheval exerce une force, la charrette se déplace (Fig. 7). Dès que le cheval s'arrêta, la charrette s'arrêta aussi. Pas de force, pas de vitesse. Selon Aristote, c'est la force qui explique la présence de vitesse dans un corps.

Riz. 7. Mouvement forcé

Jusqu’à présent, certaines personnes ordinaires considèrent le point de vue d’Aristote comme juste. Par exemple, le colonel Friedrich Kraus von Zillergut dans « Les aventures du bon soldat Schweik pendant la guerre mondiale » a tenté d'illustrer le principe « Pas de force, pas de vitesse » : « Quand toute l'essence s'est épuisée », a déclaré le colonel, « le la voiture a été obligée de s'arrêter. J'ai vu ça moi-même hier. Et après on parle encore d’inertie, messieurs. Ça ne va pas, ça reste là, ça ne bouge pas. Pas d'essence ! N'est-ce pas drôle ?

Comme dans le show business moderne, où il y a des fans, il y aura toujours des critiques. Aristote avait aussi ses critiques. Ils lui ont suggéré de faire l'expérience suivante : relâchez le corps, et il tombera exactement à l'endroit où nous l'avons libéré. Donnons un exemple de critique de la théorie d'Aristote, semblable aux exemples de ses contemporains. Imaginez qu'un avion en vol lance une bombe (Fig. 8). La bombe tombera-t-elle exactement à l’endroit où nous l’avons larguée ?

Riz. 8. Illustration par exemple

Bien sûr que non. Mais c’est un mouvement naturel – un mouvement qui a été communiqué par la Terre. Alors qu’est-ce qui fait avancer cette bombe ? Aristote a répondu ainsi : le fait est que le mouvement naturel que donne la Terre tombe tout droit. Mais lorsqu'elle se déplace dans les airs, la bombe est emportée par ses turbulences, et ces turbulences semblent pousser la bombe vers l'avant.

Que se passe-t-il si l’air est éliminé et qu’un vide est créé ? Après tout, s'il n'y a pas d'air, alors, selon Aristote, la bombe devrait tomber exactement sous l'endroit où elle a été lancée. Aristote a soutenu que s'il n'y a pas d'air, une telle situation est possible, mais en réalité il n'y a pas de vide dans la nature, il n'y a pas de vide. Et s’il n’y a pas de vide, il n’y a pas de problème.

Et seul Galileo Galilei a formulé le principe d'inertie sous la forme à laquelle nous sommes habitués. La raison du changement de vitesse est l'action d'autres corps sur le corps. Si d’autres corps n’agissent pas sur le corps ou si cette action est compensée, alors la vitesse du corps ne changera pas.

Les considérations suivantes peuvent être faites concernant le référentiel inertiel. Imaginez une situation dans laquelle une voiture roule, puis le conducteur coupe le moteur, puis la voiture se déplace par inertie (Fig. 9). Mais c’est une affirmation incorrecte pour la simple raison qu’avec le temps, la voiture s’arrêtera à cause du frottement. Par conséquent, dans ce cas, il n’y aura pas de mouvement uniforme – une des conditions manque.

Riz. 9. La vitesse de la voiture change en raison du frottement

Considérons un autre cas : un gros, gros tracteur se déplace à une vitesse constante, tandis qu'il traîne devant lui une grosse charge avec un godet. Un tel mouvement peut être considéré comme rectiligne et uniforme, car dans ce cas toutes les forces qui agissent sur le corps se compensent et s'équilibrent (Fig. 10). Cela signifie que le référentiel associé à ce corps peut être considéré comme inertiel.

Riz. 10. Le tracteur se déplace uniformément et en ligne droite. L'action de tous les corps est compensée

Il peut y avoir de nombreux systèmes de référence inertiels. En réalité, un tel système de référence est encore idéalisé, car à y regarder de plus près, il n’existe pas de tels systèmes de référence au sens plein du terme. L'ISO est une sorte d'idéalisation qui vous permet de simuler efficacement des processus physiques réels.

Pour les systèmes de référence inertiels, la formule de Galilée pour ajouter des vitesses est valable. On note également que tous les systèmes de référence dont nous avons parlé précédemment peuvent être considérés comme inertiels jusqu'à une certaine approximation.

La loi dédiée à l'ISO a été formulée pour la première fois par Isaac Newton. Le mérite de Newton réside dans le fait qu'il a été le premier à montrer scientifiquement que la vitesse d'un corps en mouvement ne change pas instantanément, mais à la suite d'une action au fil du temps. Ce fait constitue la base de la création de la loi que nous appelons la première loi de Newton.

La première loi de Newton : il existe de tels systèmes de référence dans lesquels le corps se déplace de manière rectiligne et uniforme ou est au repos si aucune force n'agit sur le corps ou si toutes les forces agissant sur le corps sont compensées. De tels systèmes de référence sont appelés inertiels.

D’une autre manière, ils disent parfois ceci : un référentiel inertiel est un système dans lequel les lois de Newton sont satisfaites.

Pourquoi la Terre est-elle un CO non inertiel ? Pendule de Foucault

Dans un grand nombre de problèmes, il faut considérer le mouvement d'un corps par rapport à la Terre, alors que l'on considère la Terre comme un référentiel inertiel. Il s’avère que cette affirmation n’est pas toujours vraie. Si l'on considère le mouvement de la Terre par rapport à son axe ou par rapport aux étoiles, alors ce mouvement se produit avec une certaine accélération. Le CO, qui se déplace avec une certaine accélération, ne peut être considéré comme inertiel au sens plein du terme.

La Terre tourne autour de son axe, ce qui signifie que tous les points situés à sa surface changent continuellement la direction de leur vitesse. La vitesse est une quantité vectorielle. Si sa direction change, une certaine accélération apparaît. Par conséquent, la Terre ne peut pas avoir un ISO correct. Si l'on calcule cette accélération pour des points situés sur l'équateur (points qui ont une accélération maximale par rapport aux points situés plus près des pôles), alors sa valeur sera . L'indice montre que l'accélération est centripète. En comparaison avec l’accélération due à la gravité, l’accélération peut être négligée et la Terre peut être considérée comme un référentiel inertiel.

Cependant, lors d'observations à long terme, il ne faut pas oublier la rotation de la Terre. Cela a été démontré de manière convaincante par le scientifique français Jean Bernard Léon Foucault (Fig. 11).

Riz. 11. Jean Bernard Léon Foucault (1819-1868)

Pendule de Foucault(Fig.12) - c'est un poids massif suspendu à un très long fil.

Riz. 12. Modèle du pendule de Foucault

Si le pendule de Foucault est sorti de l'équilibre, il décrira alors la trajectoire suivante autre qu'une ligne droite (Fig. 13). Le déplacement du pendule est provoqué par la rotation de la Terre.

Riz. 13. Oscillations du pendule de Foucault. Vue d'en-haut.

La rotation de la Terre est due à un certain nombre d’autres faits intéressants. Par exemple, dans les rivières de l’hémisphère nord, en règle générale, la rive droite est plus raide et la rive gauche est plus plate. Dans les rivières de l’hémisphère sud, c’est l’inverse. Tout cela est dû précisément à la rotation de la Terre et à la force de Coriolis qui en résulte.

Sur la question de la formulation de la première loi de Newton

La première loi de Newton: si aucun corps n'agit sur un corps ou si leur action est mutuellement équilibrée (compensée), alors ce corps sera au repos ou se déplacera uniformément et rectiligne.

Considérons une situation qui nous indiquera que cette formulation de la première loi de Newton doit être corrigée. Imaginez un train avec des fenêtres à rideaux. Dans un tel train, le passager ne peut pas déterminer si le train bouge ou non en regardant des objets à l'extérieur. Considérons deux systèmes de référence : FR associé au passager Volodia et FR associé à l'observateur sur la plateforme Katya. Le train commence à accélérer, sa vitesse augmente. Qu’arrivera-t-il à la pomme qui est sur la table ? Il roulera dans le sens inverse par inertie. Pour Katya, il sera évident que la pomme bouge par inertie, mais pour Volodia, ce sera incompréhensible. Il ne voit pas que le train a commencé son mouvement, et soudain une pomme posée sur la table se met à rouler vers lui. Comment se peut-il? Après tout, selon la première loi de Newton, la pomme doit rester au repos. Il est donc nécessaire d’améliorer la définition de la première loi de Newton.

Riz. 14. Exemple d'illustration

Formulation correcte de la première loi de Newton ressemble à ceci : il existe des systèmes de référence dans lesquels le corps se déplace de manière rectiligne et uniforme ou est au repos si aucune force n'agit sur le corps ou si toutes les forces agissant sur le corps sont compensées.

Volodia est dans un référentiel non inertiel et Katya est dans un référentiel inertiel.

La plupart des systèmes, véritables systèmes de référence, sont non inertiels. Prenons un exemple simple : alors que vous êtes assis dans un train, vous posez un corps (par exemple une pomme) sur la table. Lorsque le train se met en mouvement, nous observerons l'image intéressante suivante : la pomme va bouger, rouler dans le sens opposé au mouvement du train (Fig. 15). Dans ce cas, nous ne pourrons pas déterminer quels corps agissent et font bouger la pomme. Dans ce cas, le système est dit non inertiel. Mais vous pouvez sortir de cette situation en entrant force d'inertie.

Riz. 15. Exemple de FR non inertiel

Autre exemple : lorsqu'un corps se déplace le long d'une route courbe (Fig. 16), une force apparaît qui fait dévier le corps de la direction droite du mouvement. Dans ce cas, il faut également considérer référentiel non inertiel, mais, comme dans le cas précédent, on peut aussi sortir de la situation en introduisant ce qu'on appelle. forces d'inertie.

Riz. 16. Forces d'inertie lors du déplacement sur un chemin arrondi

Conclusion

Il existe un nombre infini de systèmes de référence, mais la plupart d'entre eux sont ceux que l'on ne peut pas considérer comme des systèmes de référence inertiels. Un référentiel inertiel est un modèle idéalisé. À propos, avec un tel système de référence, nous pouvons accepter un système de référence associé à la Terre ou à certains objets distants (par exemple, aux étoiles).

Bibliographie

1. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Physique : Manuel pour la 9e année du lycée. - M. : Lumières.
2. Peryshkin A.V., Gutnik E.M. La physique. 9e année : manuel d'enseignement général. institutions / A. V. Peryshkin, E. M. Gutnik. - 14e éd., stéréotype. - M. : Outarde, 2009. - 300.
3. Sokolovitch Yu.A., Bogdanova G.S. Physique : Un ouvrage de référence avec des exemples de résolution de problèmes. - 2e édition, révision. - X. : Vesta : Maison d'édition Ranok, 2005. - 464 p.

1. Portail Internet « physique.ru » ()
2. Portail Internet « ens.tpu.ru » ()
3. Portail Internet « prosto-o-slognom.ru » ()

Devoirs

1. Formuler les définitions des systèmes de référence inertiels et non inertiels. Donnez des exemples de tels systèmes.
2. Énoncer la première loi de Newton.
3. En ISO, le corps est au repos. Déterminer quelle est la valeur de sa vitesse dans l'ISO, qui se déplace par rapport au premier référentiel avec vitesse v?

Un système de référence se déplaçant (par rapport aux étoiles) de manière uniforme et rectiligne (c'est-à-dire par inertie) est appelé inertiel. Il est évident qu'il existe un nombre incalculable de tels systèmes de référence, puisque tout système se déplaçant uniformément et rectiligne par rapport à un système de référence inertiel est également inertiel. Les systèmes de référence se déplaçant (par rapport à un référentiel inertiel) avec accélération sont appelés non inertiels.

L'expérience montre que

dans tous les systèmes de référence inertiels, tous les processus mécaniques se déroulent exactement de la même manière (dans les mêmes conditions).

Cette position, appelée principe mécanique de relativité (ou principe de relativité de Galilée), a été formulée en 1636 par Galilée. Galilée l'a expliqué en utilisant l'exemple de processus mécaniques se produisant dans la cabine d'un navire naviguant de manière régulière et rectiligne sur une mer calme. Pour un observateur en cabine, l'oscillation du pendule, la chute des corps et autres processus mécaniques se déroulent exactement de la même manière que sur un navire à l'arrêt. Par conséquent, en observant ces processus, il est impossible d’établir ni l’ampleur de la vitesse, ni même le fait même du mouvement du navire. Afin de juger du mouvement du navire par rapport à tout système de référence (par exemple la surface de l'eau), il est nécessaire d'observer ce système (voir comment les objets posés sur l'eau s'éloignent, etc.).

Au début du 20e siècle. Il s'est avéré que non seulement les processus mécaniques, mais aussi les processus thermiques, électriques, optiques et tous les autres processus et phénomènes naturels se produisent exactement de la même manière dans tous les systèmes de référence inertiels. Sur cette base, Einstein a formulé le principe de relativité généralisée en 1905, appelé plus tard principe de relativité d’Einstein :

dans tous les systèmes de référence inertiels, tous les processus physiques se déroulent exactement de la même manière (dans les mêmes conditions).

Ce principe, ainsi que celui selon lequel la vitesse de propagation de la lumière dans le vide est indépendante du mouvement de la source lumineuse (voir § 20), constituent la base de la théorie restreinte de la relativité développée par Einstein.

Les lois de Newton et d'autres lois de la dynamique que nous avons considérées ne sont remplies que dans des référentiels inertiels. Dans les systèmes de référence non inertiels, ces lois ne sont généralement plus valables. Regardons un exemple simple pour illustrer la dernière affirmation.

Une boule de masse repose sur une plate-forme complètement lisse, se déplaçant uniformément et en ligne droite, et un observateur se trouve sur la même plate-forme. Un autre observateur se tient sur Terre près de l'endroit où la plateforme s'apprête à passer. Il est évident que les deux observateurs sont associés à des référentiels inertiels.

Supposons maintenant qu'au moment du passage de l'observateur associé à la Terre, la plate-forme commence à se déplacer avec une accélération a, c'est-à-dire qu'elle devienne un système de référence non inertiel. Dans ce cas, la balle, qui était auparavant au repos par rapport à la plateforme, commencera à se déplacer (par rapport à elle) avec une accélération a, de direction opposée et égale en ampleur à l'accélération acquise par la plateforme. Découvrons à quoi ressemble le comportement du ballon du point de vue de chacun des observateurs.

Pour un observateur associé au référentiel inertiel - la Terre, la balle continue de se déplacer uniformément et rectiligne en pleine conformité avec la loi de l'inertie (puisqu'aucune force n'agit sur elle sauf la force de gravité, équilibrée par la réaction du support) .

Un observateur associé à un système de référence non inertiel - une plate-forme - voit une image différente : la balle commence à bouger et acquiert une accélération - mais sans l'influence de la force (puisque l'observateur ne détecte l'influence d'aucun autre corps sur la balle qui confèrent une accélération à la balle). Cela contredit clairement la loi de l’inertie. La deuxième loi de Newton n'est pas non plus satisfaite : l'ayant appliquée, l'observateur aurait reçu cette (force) et c'est impossible, puisque ni ni a ne sont égaux à zéro.

Il est cependant possible de rendre les lois de la dynamique applicables pour décrire des mouvements dans des référentiels non inertiels si l'on prend en compte des forces d'un type particulier - les forces d'inertie. Alors, dans notre exemple, l'observateur associé à la plateforme peut croire que la balle s'est mise à bouger sous l'influence de la force d'inertie.

L'introduction de la force d'inertie permet d'écrire la deuxième loi de Newton (et ses conséquences) sous la forme habituelle (voir § 7) ; ce n'est que par force agissante qu'il faut maintenant comprendre la résultante des forces « ordinaires » et des forces d'inertie

où est la masse du corps et son accélération.

Nous avons appelé les forces d'inertie des forces de « type particulier », d'une part parce qu'elles agissent uniquement dans des référentiels non inertiels, et d'autre part parce que pour elles, contrairement aux forces « ordinaires », il est impossible d'indiquer l'action de quelles autres forces. leurs corps (sur le corps en question) sont conditionnés. Évidemment, pour cette raison, il est impossible d’appliquer la troisième loi de Newton (et ses conséquences) aux forces d’inertie ; c'est la troisième caractéristique des forces d'inertie.

L'incapacité d'indiquer des corps individuels dont l'action (sur le corps en question) provoque des forces d'inertie ne signifie bien entendu pas que l'apparition de ces forces n'est pas du tout associée à l'action d'un corps matériel. Il existe de sérieuses raisons de supposer que les forces d'inertie sont causées par l'action de l'ensemble des corps de l'Univers (la masse de l'Univers dans son ensemble).

Le fait est qu'il existe une grande similitude entre les forces d'inertie et les forces de gravité : toutes deux sont proportionnelles à la masse du corps sur lequel elles agissent, et donc l'accélération communiquée au corps par chacune de ces forces ne dépend pas sur la masse du corps. Dans certaines conditions, ces forces ne peuvent pas du tout être distinguées. Supposons, par exemple, que quelque part dans l’espace, un vaisseau spatial se déplace avec une accélération (due au fonctionnement des moteurs). L'astronaute qui s'y trouve subira une force le pressant contre le « plancher » (la paroi arrière par rapport à la direction du mouvement) du navire. Cette force va créer exactement le même effet et provoquer à l’astronaute les mêmes sensations que celles provoquées par la force gravitationnelle correspondante.

Si un astronaute croit que son vaisseau se déplace avec une accélération par rapport à l'Univers, alors il appellera la force agissant sur lui la force d'inertie. Si l'astronaute considère son vaisseau stationnaire et que l'Univers se précipite devant le vaisseau avec la même accélération a, alors il appellera cette force la force gravitationnelle. Et les deux points de vue seront totalement égaux. Aucune expérience menée à bord d’un navire ne peut prouver la justesse d’un point de vue et l’erreur de l’autre.

Il résulte des exemples considérés et d'autres exemples similaires que le mouvement accéléré du système de référence équivaut (dans son effet sur les corps) à l'émergence des forces gravitationnelles correspondantes. Cette position est appelée principe d'équivalence des forces de gravité et d'inertie (principe d'équivalence d'Einstein) ; Ce principe constitue la base de la théorie générale de la relativité.

Les forces d'inertie surviennent non seulement dans les systèmes de référence non inertiels en mouvement rectiligne, mais également dans les systèmes de référence non inertiels en rotation. Supposons, par exemple, que sur une plate-forme horizontale pouvant tourner autour d'un axe vertical, se trouve un corps de masse relié au centre de rotation O par un cordon en caoutchouc (Fig. 18). Si la plate-forme commence à tourner avec une vitesse angulaire co (et se transforme donc en un système non inertiel), alors en raison du frottement, le corps sera également impliqué dans la rotation. En même temps, il se déplacera dans la direction radiale depuis le centre de la plate-forme jusqu'à ce que la force élastique croissante du cordon d'étirement arrête ce mouvement. Ensuite, le corps commencera à tourner à une distance du centre O.

Du point de vue d'un observateur associé à la plate-forme, le mouvement du ballon par rapport à celui-ci est dû à une certaine force. Il s'agit de la force d'inertie, puisqu'elle n'est pas provoquée par l'action d'autres corps spécifiques sur le ballon ; c'est ce qu'on appelle la force centrifuge d'inertie. Il est évident que la force centrifuge d'inertie est égale en grandeur et en direction opposée à la force élastique de la corde tendue, qui joue le rôle d'une force centripète agissant sur un corps en rotation par rapport au système inertiel (voir § 13) Donc

par conséquent, la force centrifuge d'inertie est proportionnelle à la distance du corps à l'axe de rotation.

Nous soulignons qu'il ne faut pas confondre la force centrifuge d'inertie avec la force centrifuge « ordinaire » mentionnée à la fin du § 13. Il s'agit de forces de natures différentes appliquées à des objets différents : la force centrifuge d'inertie s'applique au corps, et la force centrifuge est appliquée à la connexion.

En conclusion, notons qu'à partir du principe d'équivalence des forces de gravité et d'inertie, une explication simple est donnée à l'action de tous les mécanismes centrifuges : pompes, séparateurs, etc. (voir § 13).

Tout mécanisme centrifuge peut être considéré comme un système rotatif non inertiel, provoquant l'apparition d'un champ gravitationnel de configuration radiale, qui dans une zone limitée dépasse largement le champ gravitationnel terrestre. Dans ce champ, les particules plus denses du milieu en rotation ou les particules faiblement associées se déplacent vers sa périphérie (comme si elles allaient « vers le bas »).

La première loi de la mécanique, ou loi de l'inertie ( inertie- c'est la propriété des corps de maintenir leur vitesse en l'absence d'action d'autres corps sur lui ), comme on l’appelle souvent, a été créée par Galilée. Mais Newton a donné une formulation stricte de cette loi et l’a incluse parmi les lois fondamentales de la mécanique. La loi de l'inertie s'applique au cas de mouvement le plus simple : le mouvement d'un corps qui n'est pas affecté par d'autres corps. De tels corps sont appelés corps libres.

Il est impossible de répondre à la question de savoir comment les corps libres se déplacent sans faire référence à l’expérience. Cependant, il est impossible de réaliser une seule expérience qui montrerait sous sa forme pure comment bouge un corps qui n'interagit avec rien, car de tels corps n'existent pas. Comment être?

Il n’y a qu’une seule issue. Il est nécessaire de créer des conditions pour le corps dans lesquelles l'influence des influences extérieures peut se faire de moins en moins, et d'observer à quoi cela conduit. Vous pouvez par exemple observer le mouvement d’une pierre lisse sur une surface horizontale après qu’on lui ait donné une certaine vitesse. (L'attraction d'une pierre vers le sol est équilibrée par l'action de la surface sur laquelle elle repose, et la vitesse de son mouvement n'est affectée que par le frottement.) Il est facile de constater que plus la surface est lisse, plus le mouvement est lent. la vitesse de la pierre diminuera. Sur de la glace lisse, une pierre glisse très longtemps, sans changer sensiblement sa vitesse. La friction peut être réduite au minimum en utilisant un coussin d'air - des jets d'air qui soutiennent le corps au-dessus d'une surface solide le long de laquelle se produit le mouvement. Ce principe est utilisé dans le transport fluvial (aéroglisseur). Sur la base de telles observations, nous pouvons conclure : si la surface était parfaitement lisse, alors en l'absence de résistance de l'air (dans le vide), la pierre ne changerait pas du tout de vitesse. C’est à cette conclusion qu’est arrivé Galilée pour la première fois.

D’un autre côté, il est facile de remarquer que lorsque la vitesse d’un corps change, l’influence d’autres corps sur lui est toujours détectée. De là, nous pouvons conclure que un corps suffisamment éloigné des autres corps et pour cette raison n'interagit pas avec eux se déplace à une vitesse constante.

Le mouvement est relatif, il est donc logique de parler uniquement du mouvement d’un corps par rapport à un référentiel associé à un autre corps. La question se pose immédiatement : un corps libre se déplacera-t-il à une vitesse constante par rapport à n’importe quel autre corps ? La réponse est évidemment négative. Ainsi, si par rapport à la Terre un corps libre se déplace de manière rectiligne et uniforme, alors par rapport à un carrousel en rotation, le corps ne bougera certainement pas de cette manière.

Les observations des mouvements des corps et les réflexions sur la nature de ces mouvements nous amènent à la conclusion que les corps libres se déplacent à vitesse constante, du moins par rapport à certains corps et leurs référentiels associés. Par exemple, par rapport à la Terre. C'est le contenu principal de la loi de l'inertie.

C'est pourquoi La première loi de Newton peut être formulé ainsi :

Il existe de tels systèmes de référence par rapport auxquels un corps (point matériel), en l'absence d'influences extérieures sur lui (ou avec leur compensation mutuelle), maintient un état de repos ou de mouvement rectiligne uniforme.

Référentiel inertiel

La première loi de Newton affirme (cela peut être vérifié expérimentalement avec différents degrés de précision) que les systèmes inertiels existent réellement. Cette loi de la mécanique place les systèmes de référence inertiels dans une position particulière et privilégiée.

Systèmes de référence, dans lesquels la première loi de Newton est satisfaite, sont appelés.

Systèmes de référence inertiels- ce sont des systèmes par rapport auxquels un point matériel, en l'absence d'influences extérieures sur lui ou de leur compensation mutuelle, est au repos ou se déplace de manière uniforme et rectiligne.

Il existe un nombre infini de systèmes inertiels. Le système de référence associé à un train se déplaçant à vitesse constante le long d'une section droite de voie est également un système inertiel (approximativement), comme le système associé à la Terre. Tous les référentiels inertiels forment une classe de systèmes qui se déplacent les uns par rapport aux autres de manière uniforme et rectiligne. Les accélérations de n'importe quel corps dans différents systèmes inertiels sont les mêmes.

Comment établir qu’un système de référence donné est inertiel ? Cela ne peut se faire que par l’expérience. Les observations montrent qu'avec un très haut degré de précision, un système héliocentrique peut être considéré comme un système de référence inertiel, dans lequel l'origine des coordonnées est associée au Soleil et les axes sont dirigés vers certaines étoiles « fixes ». Les systèmes de référence rigidement liés à la surface de la Terre, à proprement parler, ne sont pas inertiels, puisque la Terre se déplace sur une orbite autour du Soleil et tourne en même temps autour de son axe. Cependant, lors de la description de mouvements qui n'ont pas d'échelle globale (c'est-à-dire mondiale), les systèmes de référence associés à la Terre peuvent être considérés comme inertiels avec une précision suffisante.

Les systèmes de référence inertiels sont ceux qui se déplacent uniformément et de manière rectiligne par rapport à un référentiel inertiel..

Galilée a découvert que aucune expérience mécanique réalisée à l'intérieur d'un système de référence inertiel ne permet d'établir si ce système est au repos ou se déplace de manière uniforme et rectiligne. Cette déclaration s'appelle Le principe de relativité de Galilée ou principe mécanique de la relativité.

Ce principe a ensuite été développé par A. Einstein et est l'un des postulats de la théorie restreinte de la relativité. Les référentiels inertiels jouent un rôle extrêmement important en physique, car, selon le principe de relativité d’Einstein, l’expression mathématique de toute loi de la physique a la même forme dans chaque référentiel inertiel. Dans ce qui suit, nous utiliserons uniquement des systèmes inertiels (sans le mentionner à chaque fois).

Les cadres de référence dans lesquels la première loi de Newton ne s'applique pas sont appelés non inertiel Et.

De tels systèmes incluent tout système de référence se déplaçant avec une accélération par rapport à un système de référence inertiel.

En mécanique newtonienne, les lois d'interaction des corps sont formulées pour une classe de systèmes de référence inertiels.

Un exemple d'expérience mécanique dans laquelle se manifeste la non-inertialité d'un système associé à la Terre est le comportement Pendule de Foucault. C'est le nom d'une boule massive suspendue à un fil assez long et effectuant de petites oscillations autour de la position d'équilibre. Si le système associé à la Terre était inertiel, le plan d'oscillation du pendule de Foucault resterait inchangé par rapport à la Terre. En fait, le plan d’oscillation du pendule tourne en raison de la rotation de la Terre, et la projection de la trajectoire du pendule sur la surface de la Terre a la forme d’une rosace (Fig. 1). Riz. 2

Littérature

1. Physique ouverte 2.5 (http://college.ru/physics/)
2. Physique : Mécanique. 10e année : Manuel. pour une étude approfondie de la physique / M.M. Balachov, A.I. Gomonova, A.B. Dolitsky et autres ; Éd. G.Ya. Myakisheva. – M. : Outarde, 2002. – 496 p.

Les philosophes anciens ont tenté de comprendre l'essence du mouvement, d'identifier l'impact des étoiles et du Soleil sur l'homme. De plus, les hommes ont toujours essayé d'identifier les forces qui agissent sur un point matériel lors de son mouvement, ainsi qu'au moment du repos.

Aristote croyait qu’en l’absence de mouvement, le corps n’était affecté par aucune force. Essayons de savoir quels systèmes de référence sont appelés inertiels et donnons des exemples.

État de repos

Il est difficile d'identifier une telle condition dans la vie de tous les jours. Dans presque tous les types de mouvements mécaniques, la présence de forces extérieures est supposée. La raison en est la force de friction, qui empêche de nombreux objets de quitter leur position d'origine et de quitter un état de repos.

En considérant des exemples de système de référence inertiel, on constate qu’ils sont tous conformes à la 1ère loi de Newton. Ce n'est qu'après sa découverte qu'il a été possible d'expliquer l'état de repos et d'indiquer les forces agissant sur le corps dans cet état.

Énoncé de la 1ère loi de Newton

Dans l'interprétation moderne, cela explique l'existence de systèmes de coordonnées, par rapport auxquels on peut considérer l'absence d'influence sur un point matériel par des forces extérieures. Du point de vue de Newton, les systèmes de référence sont dits inertiels, qui permettent d'envisager la conservation de la vitesse d'un corps sur une longue période.

Définitions

Quels systèmes de référence sont inertiels ? Des exemples d'entre eux sont étudiés dans le cours de physique scolaire. Les systèmes inertiels sont considérés comme les référentiels par rapport auxquels un point matériel se déplace à une vitesse constante. Newton a précisé que n'importe quel corps peut être dans un état similaire tant qu'il n'est pas nécessaire de lui appliquer des forces susceptibles de changer un tel état.

En réalité, la loi de l’inertie n’est pas respectée dans tous les cas. En analysant des exemples de systèmes de référence inertiels et non inertiels, considérons une personne tenant les mains courantes dans un véhicule en mouvement. Lorsqu'une voiture freine brusquement, une personne se déplace automatiquement par rapport au véhicule, malgré l'absence de force extérieure.

Il s'avère que tous les exemples de système de référence inertiel ne correspondent pas à la formulation de la 1ère loi de Newton. Pour clarifier la loi de l'inertie, une référence raffinée a été introduite, dans laquelle elle s'accomplit impeccablement.

Types de systèmes de référence

Quels systèmes de référence sont appelés inertiels ? Cela deviendra bientôt clair. "Donner des exemples de systèmes de référence inertiels dans lesquels la 1ère loi de Newton est satisfaite" - une tâche similaire est proposée aux écoliers qui ont choisi la physique comme examen en neuvième année. Pour mener à bien cette tâche, il est nécessaire de comprendre les systèmes de référence inertiels et non inertiels.

L'inertie implique le maintien du repos ou du mouvement linéaire uniforme d'un corps tant que le corps est isolé. Les corps « isolés » sont considérés comme des corps qui ne sont pas connectés, n’interagissent pas et sont éloignés les uns des autres.

Regardons quelques exemples de systèmes de référence inertiels. Si l'on considère comme référentiel une étoile dans la Galaxie, et non un bus en mouvement, le respect de la loi d'inertie pour les passagers s'accrochant aux mains courantes sera parfait.

Lors du freinage, ce véhicule continuera à se déplacer uniformément en ligne droite jusqu'à ce qu'il soit sollicité par d'autres corps.

Quels sont quelques exemples de référentiel inertiel ? Ils ne doivent pas avoir de lien avec le corps analysé ni affecter son inertie.

C'est pour de tels systèmes que la première loi de Newton est satisfaite. Dans la vraie vie, il est difficile de considérer le mouvement d’un corps par rapport à des référentiels inertiels. Il est impossible d'atteindre une étoile lointaine pour y mener des expériences terrestres.

La Terre est considérée comme un système de référence conventionnel, malgré le fait qu'elle soit liée aux objets qui y sont placés.

L'accélération dans un référentiel inertiel peut être calculée si l'on considère la surface de la Terre comme référentiel. En physique, il n'existe pas de représentation mathématique de la première loi de Newton, mais elle constitue la base de la dérivation de nombreuses définitions et termes physiques.

Exemples de systèmes de référence inertiels

Les étudiants ont parfois du mal à comprendre les phénomènes physiques. Les élèves de neuvième année se voient proposer une tâche avec le contenu suivant : « Quels systèmes de référence sont dits inertiels ? Donnez des exemples de tels systèmes. Supposons que le chariot avec le ballon se déplace initialement sur une surface plane à une vitesse constante. Ensuite, il se déplace le long du sable, ce qui entraîne la balle dans un mouvement accéléré, malgré le fait qu'aucune autre force n'agit sur elle (leur effet total est nul).

L'essence de ce qui se passe peut s'expliquer par le fait qu'en se déplaçant sur une surface sablonneuse, le système cesse d'être inertiel, il a une vitesse constante. Des exemples de systèmes de référence inertiels et non inertiels indiquent que leur transition se produit dans un certain laps de temps.

Lorsqu'un corps accélère, son accélération a une valeur positive, et lors d'un freinage, cet indicateur devient négatif.

Mouvement curviligne

Par rapport aux étoiles et au Soleil, le mouvement de la Terre se produit le long d'une trajectoire curviligne, qui a la forme d'une ellipse. Le système de référence dans lequel le centre est aligné avec le Soleil et les axes sont dirigés vers certaines étoiles sera considéré comme inertiel.

Notez que tout système de référence qui se déplacera de manière rectiligne et uniforme par rapport au système héliocentrique est inertiel. Le mouvement curviligne s'effectue avec une certaine accélération.

Compte tenu du fait que la Terre se déplace autour de son axe, le référentiel associé à sa surface, par rapport au référentiel héliocentrique, se déplace avec une certaine accélération. Dans une telle situation, nous pouvons conclure que le référentiel, qui est associé à la surface de la Terre, se déplace avec une accélération par rapport au référentiel héliocentrique, il ne peut donc pas être considéré comme inertiel. Mais la valeur de l'accélération d'un tel système est si faible que dans de nombreux cas elle affecte de manière significative les spécificités des phénomènes mécaniques considérés par rapport à celui-ci.

Afin de résoudre des problèmes pratiques d'ordre technique, il est d'usage de considérer comme inertiel le référentiel rigidement relié à la surface de la Terre.

La relativité de Galilée

Tous les référentiels inertiels ont une propriété importante, décrite par le principe de relativité. Son essence réside dans le fait que tout phénomène mécanique dans les mêmes conditions initiales s'effectue de la même manière, quel que soit le référentiel choisi.

L'égalité des ISO selon le principe de relativité s'exprime dans les dispositions suivantes :

• Dans de tels systèmes, ils sont identiques, donc toute équation qu'ils décrivent, exprimée en termes de coordonnées et de temps, reste inchangée.
• Les résultats des expérimentations mécaniques réalisées permettent de déterminer si le système de référence sera au repos ou s'il effectuera un mouvement rectiligne uniforme. Tout système peut être conditionnellement reconnu comme stationnaire si un autre système se déplace par rapport à lui à une certaine vitesse.
• Les équations de la mécanique restent inchangées par rapport aux transformations de coordonnées en cas de passage d'un système au second. Il est possible de décrire le même phénomène dans différents systèmes, mais leur nature physique ne changera pas.

Résolution de problème

Premier exemple.

Déterminez si les éléments suivants constituent un système de référence inertiel : a) un satellite terrestre artificiel ; b) l'attraction des enfants.

Répondre. Dans le premier cas, il n'est pas question de référentiel inertiel, puisque le satellite se déplace en orbite sous l'influence de la force de gravité, le mouvement se produit donc avec une certaine accélération.

Deuxième exemple.

Le système de reporting est solidement connecté à l'ascenseur. Dans quelles situations peut-on parler d'inertie ? Si l'ascenseur : a) tombe ; b) se déplace uniformément vers le haut ; c) augmente rapidement ; d) uniformément dirigé vers le bas.

Répondre. a) Lors d'une chute libre, une accélération apparaît, donc le référentiel associé à l'ascenseur ne sera pas inertiel.

b) Lorsque l'ascenseur se déplace uniformément, le système est inertiel.

c) Lors d'un déplacement avec une certaine accélération, le système de référence est considéré comme inertiel.

d) L'ascenseur se déplace lentement et a une accélération négative, le référentiel ne peut donc pas être qualifié d'inertiel.

Conclusion

Tout au long de son existence, l’humanité a tenté de comprendre les phénomènes qui se produisent dans la nature. Des tentatives pour expliquer la relativité du mouvement ont été faites par Galileo Galilei. Isaac Newton a réussi à dériver la loi de l'inertie, qui a commencé à être utilisée comme postulat principal lors des calculs en mécanique.

Actuellement, un système de détermination de position corporelle comprend un corps, un dispositif permettant de déterminer le temps et un système de coordonnées. Selon que le corps est en mouvement ou à l'arrêt, il est possible de caractériser la position d'un certain objet dans la période de temps souhaitée.

Depuis l’Antiquité, le mouvement des corps matériels n’a cessé d’exciter l’esprit des scientifiques. Par exemple, Aristote lui-même croyait que si aucune force n’agit sur un corps, alors ce corps sera toujours au repos.

Et seulement 2000 ans plus tard, le scientifique italien Galileo Galilei a pu exclure le mot « toujours » de la formulation d’Aristote. Galilée s'est rendu compte qu'un corps au repos n'est pas la seule conséquence de l'absence de forces extérieures.

Alors Galilée déclara : un corps sur lequel aucune force n'agit sera soit au repos, soit se déplacera uniformément en ligne droite. Autrement dit, un mouvement à la même vitesse sur une trajectoire rectiligne, du point de vue de la physique, équivaut à un état de repos.

Qu'est-ce qu'un état de repos ?

Dans la vie, ce fait est très difficile à observer, car il existe toujours une force de friction qui empêche les objets et les choses de quitter leur place. Mais si vous imaginez un rouleau infiniment long, absolument glissant et lisse sur lequel se tient le corps, il deviendra évident que si vous donnez une impulsion au corps, le corps se déplacera indéfiniment et en ligne droite.

En effet, seules deux forces agissent sur le corps : la gravité et la force de réaction du sol. Mais ils sont situés sur la même ligne droite et dirigés les uns contre les autres. Ainsi, selon le principe de superposition, on a que la force totale agissant sur un tel corps est nulle.

Il s’agit cependant d’un cas idéal. Dans la vie, la force de friction se manifeste dans presque tous les cas. Galilée a fait une découverte importante en assimilant l'état de repos et le mouvement à vitesse constante en ligne droite. Mais cela ne suffisait pas. Il s’est avéré que cette condition n’est pas remplie dans tous les cas.

Cette question a été clarifiée par Isaac Newton, qui a résumé les recherches de Galilée et a ainsi formulé la première loi de Newton.

Première loi de Newton : nous la formulons nous-mêmes

Il existe deux formulations de la première loi de Newton : la formulation moderne et la formulation d'Isaac Newton lui-même. Dans la version originale, la première loi de Newton était quelque peu inexacte, et la version moderne, tentant de corriger cette inexactitude, s'est avérée très déroutante et donc infructueuse. Eh bien, puisque la vérité est toujours quelque part à proximité, nous allons essayer de la trouver « à proximité » et comprendre quelle est cette loi.

Formulation moderneça ressemble à ça : "Il existe de tels systèmes de référence, dits inertiels, par rapport auxquels un point matériel, en l'absence d'influences extérieures, conserve indéfiniment la grandeur et la direction de sa vitesse".

Systèmes de référence inertiels

Les systèmes de référence inertiels sont ceux dans lesquels la loi de l'inertie est satisfaite. La loi de l’inertie veut que les corps maintiennent leur vitesse inchangée s’ils ne sont pas sollicités par d’autres corps. Cela s'avère très indigeste, incompréhensible et rappelle une situation comique lorsque la question : « Où est-ce « ici » ? Ils répondent : « C’est ici », et à la question logique suivante : « Où est « ici » ? Ils répondent : « C’est ici. » Huile de beurre. Cercle vicieux.

La propre formulation de Newton est-ce: « Chaque corps continue d’être maintenu dans un état de repos ou de mouvement uniforme et rectiligne jusqu’à ce qu’il soit contraint par des forces appliquées de changer cet état. ».

Cependant, dans la pratique, cette loi n'est pas toujours respectée. Vous pouvez le vérifier facilement. Lorsqu'une personne se tient debout sans tenir les mains courantes dans un bus en mouvement et que le bus freine brusquement, la personne commence à avancer par rapport au bus, bien qu'aucune force visible ne l'y oblige.

Autrement dit, en ce qui concerne l’autobus, la première loi de Newton dans sa formulation originale n’est pas satisfaite. Cela nécessite évidemment des éclaircissements. Une clarification est l'introduction de systèmes de référence inertiels. C'est-à-dire des systèmes de référence dans lesquels la première loi de Newton est satisfaite. Ce n'est pas tout à fait clair, alors essayons de traduire tout cela en langage humain.

Systèmes de référence inertiels et non inertiels

La propriété d'inertie de tout corps est telle que tant que le corps reste isolé des autres corps, il maintient son état de repos ou de mouvement linéaire uniforme. « Isolé » signifie non connecté d'aucune façon, infiniment éloigné des autres corps.

En pratique, cela signifie que si dans notre exemple nous prenons comme système de référence non pas un bus, mais une étoile à la périphérie de la Galaxie, alors la première loi de Newton sera absolument exactement satisfaite pour un passager imprudent qui ne s'accroche pas au mains courantes. Lorsqu'un bus freine, il continue son mouvement uniforme jusqu'à ce que d'autres corps agissent sur lui.

De tels systèmes de référence, qui n'ont aucun lien avec le corps considéré, et qui n'affectent en rien l'inertie du corps, sont appelés inertiels. Pour de tels systèmes de référence, la première loi de Newton dans sa formulation originale est absolument valable.

C'est la loi peut être formulé comme ceci: dans des systèmes de référence qui ne sont absolument pas liés au corps, la vitesse du corps en l'absence d'influence extérieure reste inchangée. Sous cette forme, la première loi de Newton est facilement comprise.

Le problème est qu’en pratique, il est très difficile de considérer le mouvement d’un corps particulier par rapport à de tels systèmes de référence. Nous ne pouvons pas nous déplacer vers une étoile infiniment éloignée et de là réaliser des expériences sur Terre.

Par conséquent, la Terre est classiquement souvent considérée comme un tel système de référence, bien qu'elle soit liée aux corps qui s'y trouvent et affecte les caractéristiques de leur mouvement. Mais pour de nombreux calculs, cette approximation est suffisante. Par conséquent, des exemples de systèmes de référence inertiels peuvent être considérés comme la Terre pour les corps qui s'y trouvent, le système solaire pour ses planètes, etc.

La première loi de Newton n'est décrite par aucune formule physique, mais d'autres concepts et définitions en découlent. Essentiellement, cette loi postule l’inertie des corps. Il s’avère ainsi que pour les systèmes de référence inertiels, la loi de l’inertie est la première loi de Newton.

Plus d'exemples de systèmes inertiels et la première loi de Newton

Ainsi, par exemple, si un chariot avec une balle se déplace d'abord sur une surface plane, à vitesse constante, puis roule sur une surface sablonneuse, alors la balle à l'intérieur du chariot commencera à accélérer, bien qu'aucune force n'agisse sur elle (en en fait, ils le font, mais le montant est nul).

Cela se produit parce que le système de référence (dans ce cas, le chariot), au moment où il heurte la surface sablonneuse, devient non inertiel, c'est-à-dire qu'il arrête de se déplacer à une vitesse constante.

La première loi de Newton fait une distinction importante entre les référentiels inertiels et non inertiels. Une autre conséquence importante de cette loi est le fait que l’accélération, en un sens, est plus importante que la vitesse du corps.

Car se déplacer à vitesse constante en ligne droite, c’est être au repos. Alors que le mouvement avec accélération indique clairement que soit la somme des forces appliquées au corps n'est pas égale à zéro, soit que le référentiel lui-même dans lequel se trouve le corps est non inertiel, c'est-à-dire qu'il se déplace avec accélération.

De plus, l’accélération peut être soit positive (le corps accélère) soit négative (le corps ralentit).

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