Учебник для 10 класса

ФИЗИКА

§ 2.13. Принцип относительности в механике

• Как меняются законы механики при рассмотрении движения в различных инерциальных системах? Ответ прост: они не меняются никак. Существует принцип относительности.

Равномерное прямолинейное движение системы тел не влияет на механические процессы, происходящие внутри нее

Галилей первым обратил внимание на то, что равномерное прямолинейное движение по отношению к Земле не сказывается на течении всех механических процессов.

Допустим, вы находитесь в каюте корабля или в вагоне поезда, движущегося совершенно плавно, без толчков. Вы можете спокойно играть в бадминтон или пинг-понг, если хватит места, точно так же, как и на Земле (рис. 2.29). Волан или мяч будут по отношению к стенкам и полу перемещаться точно так же, как и по отношению к Земле при игре в обычных условиях. Если не смотреть в окно, то с уверенностью нельзя сказать, что же происходит с поездом: движется он или стоит.

Рис. 2.29

Если в движущемся с постоянной скоростью вагоне изучать падение тел, колебания маятника и другие явления, то результаты будут точно такими же, как и при исследовании этих явлений на Земле. Когда современный реактивный самолет летит со скоростью около 1000 км/ч, в его салоне не происходит ничего, что позволило бы ощутить эту огромную скорость. Вы можете есть, спать, играть в шахматы, чувствуя себя как дома на Земле.

Лишь при резком торможении поезда нужно прилагать дополнительные усилия, чтобы устоять на ногах. При большой болтанке самолета или качке парохода на большой волне об игре с мячом не может быть и речи. Все предметы приходится закреплять, для того чтобы они остались на своих местах.

Принцип относительности

На основании подобных наблюдений можно высказать один из самых фундаментальных законов природы — принцип относительности.

Все механические процессы протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета.

Это утверждение известно как принцип относительности в механике. Его еще называют принципом относительности Галилея.

Другая формулировка принципа относительности

Если все механические явления протекают одинаково в различных инерциальных системах, то уравнения движения, описывающие эти явления, не должны меняться при переходе от одной инерциальной системы к другой. Так и есть на самом деле. Ускорения одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.

Силы зависят от расстояний между телами и их относительных скоростей. Так как расстояния и относительные скорости, согласно преобразованиям Галилея (1.30.4), не меняются при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой, то не меняются и силы. Независимость массы тела от выбора системы отсчета — важнейший опытный факт механики Ньютона. Следовательно, второй закон Ньютона

не будет меняться при переходе от одной инерциальной системы к другой. Не будет меняться и третий закон Ньютона, так как силы не изменяются.

Утверждение о независимости законов механики от выбора инерциальной системы отсчета является другой формулировкой принципа относительности в механике. Обе формулировки равноценны.

Движение тел в различных инерциальных системах отсчета

Не следует думать, что выполнение принципа относительности означает полную тождественность движения одного и того же тела относительно различных инерциальных систем отсчета. Одинаковы лишь законы движения. Характер же движения тела определяется не только законами движения, но и начальными скоростями и начальными координатами. А начальные скорости и начальные координаты данного тела относительно разных систем отсчета различны. Так, камень будет падать отвесно, если его начальная скорость равна нулю по отношению к Земле. В равномерно движущемся поезде камень также будет падать отвесно по отношению к стенкам вагона, если начальная скорость камня по отношению к поезду равна нулю. Но с точки зрения наблюдателя на Земле камень, падающий отвесно в поезде, будет двигаться по параболе (рис. 2.30).

Рис. 2.30

Дело в том, что начальная скорость камня по отношению к системе отсчета, связанной с Землей, отлична от нуля и равна скорости поезда.

Специальная теория относительности

В 1905 г. А. Эйнштейн распространил принцип относительности на электромагнитные и любые другие процессы. Благодаря этому принцип относительности стал общим законом природы. Не только механические, но и все другие явления протекают совершенно одинаково во всех инерциальных системах отсчета.

О теории Эйнштейна, называемой специальной теорией относительности, будет рассказано в дальнейшем.

Открытие принципа относительности — одно из величайших достижений человеческого разума. Оно оказалось возможным лишь после того, как люди поняли, что ни Земля, ни Солнце не являются центром Вселенной.