07. Принцип относительности Галилея

Принцип относительности Галилея

Принцип относительности Галилея состоит в том, что все механические процессы и явления протекают одинаково в инерциальных системах отсчёта.

Мы говорили, что инерциальных систем может быть много и что именно в этих системах все наблюдаемые механические явления протекают одинаково.

Инерциальными можно считать такие системы отсчёта, которые покоятся или движутся равномерно прямолинейно относительно Земли. Данное утверждение можно рассматривать на многих примерах, но необходимо отметить, что в инерциальных системах отсчёта законы движения тел являются одинаковыми, а величины могут быть разными. То есть если мы рассматриваем две инерциальные системы отсчёта, то законы движения, зависимость координаты от времени в обеих системах по своей форме будут одинаковыми, а величины, входящие в эти законы, могут быть разными: разные скорости, в том числе начальные, разные точки отсчёта, а следовательно, траектории и пути тоже будут отличаться. Но тем не менее сами законы остаются всё теми же.

Движение тела в различных инерциальных системах отсчёта

Рассмотрим пример.

Если мы наблюдаем падающее тело в какой-либо системе отсчёта, связанной с Землёй, то мы можем утверждать, что тело движется вдоль прямой. Мы знаем начальную высоту, с которой падает тело, ускорение, с которым оно движется, и его начальную скорость, следовательно, можем найти его положение в любой момент времени.

Если мы рассмотрим движение этого тела из другой системы отсчёта, например связанной с поездом, движущимся равномерно, то обнаружим, что тело также падает с некоторой высоты вертикально вниз.

Мы можем вывести определённый закон и установить все величины, характеризующие положение этого тела. Исходя из этого можно сказать, что закон относительно инерциальной системы отсчёта, связанной с Землёй, и системы отсчёта, связанной с поездом, получается одинаковым. Можно сделать вывод, что систему отсчёта, связанную с поездом, тоже можно считать инерциальной. Эти два примера хорошо иллюстрируют то, о чём говорил Галилей в своей работе.

Галилей пишет буквально следующее: «Если мы разместимся в каюте парусного корабля и если мы будем производить там какие-либо эксперименты и опыты, то мы абсолютно не сможем отличить эти эксперименты, результаты этих экспериментов от тех, которые мы проводили на берегу. И, только выйдя на палубу, мы сможем сказать, что вот оказывается, что наш корабль движется, то есть он движется прямолинейно и равномерно, и именно поэтому всё, что происходит в каюте, полностью соответствует тому, что происходило бы на берегу».

Вы можете в этом легко убедиться, попав на паром в туманную погоду. До тех пор, пока туман не рассеется и вы не увидите окружающих предметов, вы не сможете сказать, движется паром или нет. Пример Галилея, как и вышеприведённые нами примеры, говорит о том, что все процессы, происходящие в инерциальных системах отсчёта, протекают одинаково.

Почему системы отсчёта, связанные с Землёй, инерциальные?

Однако здесь нужно сделать оговорку. Вы все прекрасно знаете, что прямолинейное и равномерное движение встречается крайне редко. Это означает, что и инерциальных систем отсчёта тоже существует крайне мало, поэтому необходимо всегда говорить и помнить о том, что существует некое приближение к инерциальной системе отсчёта.

Чаще всего мы связываем систему отсчёта с Землей, хотя все мы знаем, что Земля движется вокруг Солнца, а значит, движется она с ускорением, а не равномерно.

Земля крутится вокруг своей оси и, соответственно, имеет ускорение. Но тем не менее мы почему-то всегда говорим о том, что все системы отсчёта, связанные с Землёй, являются инерциальными. Всё дело в том, что это ускорение очень невелико по своему значению. Например, на экваторе ускорение при вращении Земли определяется примерно 0,035 м/с², т. е. величина этого ускорения очень и очень невелика по сравнению, например, с ускорением свободного падения.

Поэтому, раз оно невелико, мы можем считать, что движение равномерное. Обычно мы учитываем это ускорение, говоря, что ускорение свободного падения меняется в зависимости от широты, на которой мы находимся.

Если мы будем рассматривать движение Земли вокруг Солнца, это ускорение будет многократно меньше. Это означает, что мы тоже с определённой степенью достоверности можем применять понятие инерциальной системы отсчёта и к Земле. Поэтому и говорят, что если поезд движется относительно Земли прямолинейно и равномерно, то он тоже может считаться инерциальной системой отсчёта.

Заключение

В заключение отметим интересный факт: когда мы говорим о принципе относительности Галилея, нельзя забывать, что этот принцип был использован Ньютоном при выводе первого закона Ньютона, а также вошёл как частный случай в общую теорию относительности Эйнштейна. Обращаем ваше внимание также на то, что принцип относительности Галилея мы так или иначе используем при решении многих задач, когда говорим о движении и о его законах в инерциальной системе отсчёта.

Проверь себя

1. Решив задачи к данному уроку, вы сможете подготовиться к вопросам 2 ГИА и вопросам А2-А4 ЕГЭ.

2. Задачи 146, 152, 154, 156, 158 в сборнике задач А. П. Рымкевича, изд. 10 (Источник).

3. Оцените ускорение, с которым Земля движется вокруг Солнца. Сравните это ускорение с ускорением свободного падения и ускорением, связанным с движением тела вокруг своей оси.

4. Рассмотрите следующие вопросы и ответы на них:
   Вопрос: Всегда ли работает принцип относительности Галилея?
   Ответ: Всегда, когда скорости тел намного меньше скорости света.
   Вопрос: Если тело покоится в лабораторной системе отсчёта и мы рассматриваем его в движущейся инерциальной системе отсчёта, можно ли сказать, что характер поведения тела изменился?
   Ответ: Да, кажется, что тело начало двигаться равномерно прямолинейно в другой системе отсчёта, однако с точки зрения динамики неподвижность и равномерное прямолинейное движение — равнозначные понятия, поскольку скорость тела при этом не меняется, а следовательно, на тело не действуют силы или их действие скомпенсировано.

Полезные ссылки

1. Список рекомендованных учебников.

2. Словари и энциклопедии на Академике.

Список использованных источников:

Рис. 1, 2, 5. Моушн-дизайнер Саблина С. О.

Рис. 3, 4, 6. Изображения используются согласно лицензии Shutterstock / FOTODOM