5.15: Неинерциальные системы отсчета

Система отсчета, ускоряющаяся или замедляющаяся относительно инерциальной системы отсчета, является неинерциальной системой отсчета. Чтобы понять это, подумайте о том, что общего между взлетом на самолете, поворотом на автомобиле, катанием на карусели и круговым движением тропического циклона. Все эти системы ускоряются, замедляются или вращаются относительно Земли; Следовательно, все они являются неинерциальными системами отсчета. Все эти системы проявляют силы инерции, которые только кажутся возникающими из движения, потому что система отсчета наблюдателя ускоряется или вращается. Мы можем примирить эти точки зрения, рассмотрев используемые системы отсчета. Физик выберет ту систему отсчета, которая наиболее удобна для анализируемой ситуации. Физики без проблем включают силы инерции и второй закон Ньютона, как обычно, если так удобнее. Точно так же неинерциальные (ускоренные) системы отсчета используются, когда это полезно. Необходимо учитывать различные системы отсчета, например, при обсуждении движения астронавта в космическом корабле, движущемся со скоростью, близкой к скорости света, поскольку это относится к специальной теории относительности.

Землю можно использовать в качестве инерциальной системы отсчета, практически не беспокоясь о каких-либо эффектах, вызванных ее вращением. Тем не менее, такие эффекты существуют, например, при вращении погодных систем. Если смотреть сверху на Северный полюс, то Земля вращается против часовой стрелки, и любое движение в Северном полушарии Земли вызывает силу Кориолиса вправо. Обратное происходит в Южном полушарии, где сила находится слева. Поскольку угловая скорость Земли мала, сила Кориолиса обычно пренебрежимо мала, но она оказывает существенное влияние на крупномасштабные движения, такие как ветровые режимы. Сила Кориолиса заставляет ураганы в Северном полушарии вращаться против часовой стрелки, в то время как тропические циклоны в Южном полушарии вращаются по часовой стрелке.

Вращение тропических циклонов и траектория шара на карусели с таким же успехом можно объяснить инерцией и вращением системы под ними. При использовании неинерциальных систем отсчета необходимо изобретать силы инерции, такие как сила Кориолиса, чтобы объяснить искривленную траекторию. Не существует идентифицируемого физического источника этих инерционных сил. Когда используются инерциальные системы отсчета, инерция объясняет путь, и для каждой силы существует идентифицируемый источник. Мы можем использовать любую точку зрения для описания природы, но точка зрения в инерциальной системе отсчета проще, так как все силы имеют истоки и объяснения.

Этот текст адаптирован из Openstax, University Physics Volume 1, Section 5.6: Common Forces и Раздел 6.3: Центростремительная сила.

Вспомним, что системы отсчета, в которых справедливы законы Ньютона, известны как инерциальные системы отсчета. Тем не менее, существуют системы отсчета, которые бросают вызов законам Ньютона, называемые неинерциальными системами отсчета.

Неинерциальные системы отсчета либо ускоряются, либо замедляются относительно инерциальных систем отсчета.

Например, когда самолет взлетает, пассажиры ощущают обратную силу, противоположную ускорению самолета. Это нарушает второй закон Ньютона, согласно которому объекты ускоряются в направлении результирующей внешней силы.

В неинерциальных системах отсчета инерционные или фиктивные силы, не имеющие физического происхождения, необходимы для объяснения движения объектов. Так, в механике удобнее использовать инерциальную систему отсчета.

В идеале, система отсчета, закрепленная на Земле, должна быть неинерциальной из-за ее вращения и вращения. Тем не менее, силы, обусловленные вращением Земли, пренебрежимо малы при небольших механических движениях, но влияют на крупномасштабные движения, такие как ветровые режимы.

Фиктивная сила в этой системе отсчета отклоняет ветер по часовой стрелке в северном полушарии и против часовой стрелки в южном полушарии.