Относительность движения
Механическим движением называют изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени. В этом определении ключевой является фраза «относительно других тел». Каждый из нас относительно какой-либо поверхности неподвижен, но относительно Солнца мы совершаем вместе со всей Землей орбитальное движение со скоростью 30 км/с, то есть движение зависит от системы отсчета.
Система отсчета – совокупность системы координат и часов, связанных с телом, относительно которого изучается движение. Например, описывая движения пассажиров в салоне автомобиля, систему отсчета можно связать с придорожным кафе, а можно с салоном автомобиля или с движущимся встречным автомобилем, если мы оцениваем время обгона (рис. 1).
Рис. 1. Выбор системы отсчета
Какие же физические величины и понятия зависят от выбора системы отсчета?
1. Положение или координаты тела
Рассмотрим произвольную точку 
. В различных системах она имеет разные координаты (рис. 2).
Рис. 2. Координаты точки в разных системах координат
2. Траектория
Рассмотрим траекторию точки, находящейся на пропеллере самолета, в двух системах отсчета: системе отсчета, связанной с пилотом, и системе отсчета, связанной с наблюдателем на Земле. Для пилота данная точка будет совершать круговое вращение (рис. 3).
Рис. 3. Круговое вращение
В то время как для наблюдателя на Земле траекторией данной точки будет винтовая линия (рис. 4). Очевидно, что траектория зависит от выбора системы отсчета.
Рис. 4. Винтовая траектория
Относительность траектории. Траектории движения тела в различных системах отсчета
Рассмотрим, как меняется траектория движения в зависимости от выбора системы отсчета на примере задачи.
Задача
Какой будет траектория точки на конце пропеллера в разных СО?
1. В СО, связанной с летчиком самолета.
2. В СО, связанной с наблюдателем на Земле.
Решение:
1. Относительно самолета ни летчик, ни пропеллер не перемещаются. Для летчика траектория точки будет казаться окружностью (рис. 5).
Рис. 5. Траектория точки относительно летчика
2. Для наблюдателя на Земле точка движется двумя способами: вращаясь и двигаясь вперед. Траектория будет винтовой (рис. 6).
Рис. 6. Траектория точки относительно наблюдателя на Земле
Ответ: 1) окружность; 2) винтовая линия.
На примере данной задачи мы убедились, что траектория – это относительное понятие.
В качестве самостоятельной проверки предлагаем вам решить следующую задачу:
Какой будет траектория точки на конце колеса относительно центра колеса, если это колесо совершает поступательное движение вперед, и относительно точек, находящихся на земле (неподвижный наблюдатель)?
3. Перемещение и путь
Рассмотрим ситуацию, когда плывет плот и в какой-то момент с него спрыгивает пловец и стремится переправиться на противоположный берег. Перемещение пловца относительно рыбака, сидящего на берегу, и относительно плота будет разным (рис. 7).
Перемещение относительно земли называют абсолютным, а относительно движущегося тела – относительным. Перемещение движущегося тела (плота) относительно неподвижного тела (рыбака) называют переносным.
Рис. 7. Перемещение пловца
Из примера следует, что перемещение и путь являются относительными величинами.
4. Скорость
С помощью предыдущего примера можно легко показать, что скорость тоже относительная величина. Ведь скорость – это отношение перемещения ко времени. Время у нас одно и то же, а перемещение разное. Следовательно, скорость будет разной.
Зависимость характеристик движения от выбора системы отсчета называется относительностью движения.
В истории человечества были и драматичные случаи, связанные как раз с выбором системы отсчета. Казнь Джордано Бруно, отречение Галилео Галилея – все это следствия борьбы между сторонниками геоцентрической системы отсчета и гелиоцентрической системы отсчета. Уж очень сложно было человечеству привыкнуть к мысли о том, что Земля – это вовсе не центр мироздания, а вполне обычная планета. А движение можно рассматривать не только относительно Земли, это движение будет абсолютным и относительно Солнца, звезд или любых других тел. Описывать движение небесных тел в системе отсчета, связанной с Солнцем, намного удобнее и проще, это убедительно показали сначала Кеплер, а потом и Ньютон, который на основании рассмотрения движения Луны вокруг Земли вывел свой знаменитый закон всемирного тяготения.
Закон сложения перемещений и скоростей
Если мы говорим, что траектория, путь, перемещение и скорость являются относительными, то есть зависят от выбора системы отсчета, то про время мы этого не говорим. В рамках классической, или Ньютоновой, механики время есть величина абсолютная, то есть протекающее во всех системах отсчета одинаково.
Рассмотрим, как находить перемещение и скорость в одной системе отсчета, если они нам известны в другой системе отсчета.
Рассмотрим предыдущую ситуацию, когда плывет плот и в какой-то момент с него спрыгивает пловец и стремится переправиться на противоположный берег.
Как же связано перемещение пловца относительно неподвижной СО (связанной с рыбаком) с перемещением относительно подвижной СО (связанной с плотом) (рис. 8)?
Рис. 8. Иллюстрация к задаче
Перемещение в неподвижной системе отсчета мы назвали 
. Из треугольника векторов следует, что 
. Теперь перейдем к поиску соотношения между скоростями. Вспомним, что в рамках Ньютоновой механики время является абсолютной величиной (время во всех системах отсчета течет одинаково). Значит, каждое слагаемое из предыдущего равенства можно разделить на время. Получаем:
– это скорость, с которой движется пловец для рыбака;
– это собственная скорость пловца;
– это скорость плота (скорость течения реки).
Задача на закон сложения скоростей
Рассмотрим закон сложения скоростей на примере задачи.
Задача
Два автомобиля движутся навстречу друг другу: первый автомобиль со скоростью 
, второй – со скоростью 
. С какой скоростью сближаются автомобили (рис. 9)?
Рис. 9. Иллюстрация к задаче
Решение
Применим закон сложения скоростей. Для этого перейдем от привычной СО, связанной с Землей, к СО, связанной с первым автомобилем. Таким образом, первый автомобиль становится неподвижным, а второй движется к нему со скоростью (относительная скорость). С какой скоростью, если первый автомобиль неподвижен, вращается вокруг первого автомобиля Земля? Она вращается со скоростью и скорость направлена по направлению скорости второго автомобиля (переносная скорость). Два вектора, которые направлены вдоль одной прямой, суммируются. 
.
Ответ: 
.
Границы применимости закона сложения скоростей. Закон сложения скоростей в теории относительности
Долгое время считалось, что классический закон сложения скоростей справедлив всегда и применим ко всем системам отсчета. Однако порядка 
лет назад оказалось, что в некоторых ситуациях данный закон не работает. Рассмотрим такой случай на примере задачи.
Представьте себе, что вы находитесь на космической ракете, которая движется со скоростью 
. И капитан космической ракеты включает фонарик в направлении движения ракеты (рис. 10). Скорость распространения света в вакууме составляет 
. Какой же будет скорость света для неподвижного наблюдателя на Земле? Будет ли она равна сумме скоростей света и ракеты?
Рис. 10. Иллюстрация к задаче
Дело в том, что тут физика сталкивается с двумя противоречащими концепциями. С одной стороны, согласно электродинамике Максвелла, максимальная скорость – это скорость света, и она равна . С другой стороны, согласно механике Ньютона, время является абсолютной величиной. Задача решилась, когда Эйнштейн предложил специальную теорию относительности, а точнее ее постулаты. Он первым предположил, что время не является абсолютным. То есть где-то оно течет быстрее, а где-то медленнее. Конечно, в нашем мире небольших скоростей мы не замечаем данный эффект. Для того чтобы почувствовать эту разницу, нам необходимо двигаться со скоростями, близкими к скорости света. На основании заключений Эйнштейна был получен закон сложения скоростей в специальной теории относительности. Он выглядит следующим образом:
– это скорость относительно неподвижной СО;
– это скорость относительно подвижной СО;
– это скорость подвижной СО относительно неподвижной СО.
Если подставить значения из нашей задачи, то получим, что скорость света для неподвижного наблюдателя на Земле будет составлять .
Противоречие было решено. Также можно убедиться, что если скорости очень малы по сравнению со скоростью света, то формула для теории относительности переходит в классическую формулу для сложения скоростей.
В большинстве случаев мы будем пользоваться классическим законом.
Заключение
Сегодня мы выяснили, что движение зависит от системы отсчета, что скорость, путь, перемещение и траектория – это понятия относительные. А время в рамках классической механики – понятие абсолютное. Научились применять полученные знания, разобрав некоторые типовые примеры.
Список литературы
- Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) – М.: Мнемозина, 2012.
- Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. – М.: Мнемозина, 2014.
- Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика – 9, Москва, Просвещение, 1990.
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
- Интернет-портал Class-fizika.narod.ru (Источник).
- Интернет-портал Nado5.ru (Источник).
- Интернет-портал Fizika.ayp.ru (Источник).
Домашнее задание
- Дать определение относительности движения.
- Какие физические величины зависят от выбора системы отсчета?
