5.15: Nicht-inertiale Referenzrahmene

Ein Referenzrahmen, das relativ zu einem inertialen Referenzrahmen beschleunigt oder verlangsamt wird, ist ein nicht-inertiales Referenzrahmen. Um dies zu verstehen, betrachten Sie, was das Starten eines Flugzeugs, das Abbiegen in einem Auto, das Fahren auf einem Karussell und die kreisförmige Bewegung eines tropischen Wirbelsturms gemeinsam haben. Alle diese Systeme beschleunigen, verlangsamen oder rotieren relativ zur Erde. Daher handelt es sich um nicht-inertiale Referenzrahmene. Alle diese Systeme zeigen träge Kräfte, die nur durch die Bewegung zu entstehen scheinen, da sich der Beobachtungsrahmen relativ zur Erde beschleunigt oder rotiert. Wir können diese Standpunkte versöhnen, indem wir die verwendeten Referenzrahmene untersuchen. Ein Physiker wählt dasjenige Referenzrahmen, das für die zu analysierende Situation am praktischsten ist. Physiker haben kein Problem damit, träge Kräfte und Newtons zweites Gesetz wie gewohnt zu berücksichtigen, wenn dies praktischer ist. Ähnlich werden nicht-inertiale (beschleunigte) Referenzrahmene verwendet, wenn dies hilfreich ist. Unterschiedliche Referenzrahmene müssen berücksichtigt werden, wenn beispielsweise die Bewegung eines Astronauten in einem Raumschiff, das sich mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegt, diskutiert wird, da dies auf die spezielle Relativitätstheorie zutrifft.

Die Erde kann als inertialer Bezugspunkt mit wenig oder keinen Bedenken hinsichtlich der Auswirkungen, die durch ihre Rotation verursacht werden, verwendet werden. Es gibt jedoch solche Auswirkungen, zum Beispiel bei der Rotation von Wettersystemen. Aus der Sicht des Nordpols betrachtet dreht sich die Erde gegen den Uhrzeigersinn, und jede Bewegung auf der Nordhalbkugel der Erde erfährt eine Coriolis-Kraft nach rechts. Das Gegenteil geschieht auf der Südhalbkugel, wo die Kraft nach links zeigt. Da die Winkelgeschwindigkeit der Erde gering ist, ist die Coriolis-Kraft normalerweise vernachlässigbar, aber sie hat erhebliche Auswirkungen auf großräumige Bewegungen wie Windmuster. Die Coriolis-Kraft bewirkt, dass sich Hurrikans auf der Nordhalbkugel gegen den Uhrzeigersinn drehen, während sich tropische Wirbelstürme auf der Südhalbkugel im Uhrzeigersinn drehen.

Die Rotation von tropischen Wirbelstürmen und die Bahn eines Balles auf einem Karussell können ebenso gut durch Trägheit und die Rotation des darunter liegenden Systems erklärt werden. Wenn nicht-inertiale Referenzrahmene verwendet werden, müssen träge Kräfte wie die Coriolis-Kraft erfunden werden, um den gekrümmten Weg zu erklären. Es gibt keine erkennbare physikalische Quelle für diese trägen Kräfte. Wenn inertielle Referenzrahmene verwendet werden, erklärt die Trägheit den Weg und es gibt für jede Kraft eine identifizierbare Quelle. Wir können beide Ansichten verwenden, um die Natur zu beschreiben, aber eine Ansicht in einem inertialen Referenzrahmen ist einfacher, da alle Kräfte Ursprünge und Erklärungen haben.

Dieser Text ist angepasst von Openstax, University Physics Volume 1, Abschnitt 5.6: Gemeinsame Kräfte und Abschnitt 6.3: Zentripetalkraft.

Erinnern wir uns daran, dass die Bezugssysteme, in denen die Newtonschen Gesetze gelten, als Inertialsysteme bekannt sind. Es gibt jedoch Bezugssysteme, die sich den Newtonschen Gesetzen widersetzen, die sogenannten nicht-inertialen Bezugssysteme.

Nicht-Inertialsysteme beschleunigen oder verlangsamen sich relativ zu den Inertialsystemen.

Wenn zum Beispiel ein Flugzeug abhebt, spüren die Passagiere eine Rückwärtskraft, die der Beschleunigung des Flugzeugs entgegengesetzt ist. Dies verstößt gegen das zweite Newtonsche Gesetz, nach dem Objekte in Richtung der äußeren Nettokraft beschleunigt werden.

In nicht-inertialen Systemen sind inertiale oder fiktive Kräfte, die keinen physikalischen Ursprung haben, notwendig, um die Bewegung von Objekten zu erklären. In der Mechanik ist es also bequemer, einen Inertialrahmen zu verwenden.

Im Idealfall ist ein an die Erde gebundenes Bezugssystem aufgrund seiner Umdrehung und Rotation nicht inertial. Die Kräfte, die durch die Erdrotation entstehen, sind bei kleinen mechanischen Bewegungen jedoch vernachlässigbar, wirken sich aber auf großräumige Bewegungen wie Windmuster aus.

Die fiktive Kraft in diesem Rahmen lenkt den Wind auf der Nordhalbkugel im Uhrzeigersinn und auf der Südhalbkugel gegen den Uhrzeigersinn ab.