Принцип относительности и система отсчета.

Законами Ньютона можно­ пользоваться не в любой системе отсчета, а только в инерциальных системах.

Если существует хотя бы одна инерциальная система отсчета, то существует и бесчисленное множество их.

В системах отсчета, движущихся друг относительно друга равномерно и прямолинейно, ускорение - вели­чина инвариантная. В механике paссматриваются силы, зависящие от расстояния между телами - силы тяготения, от деформации тел – си­лы упругости, от относительной ско­рости движения одного тела относи­тельно другого – силы трения. Но и расстояние, и деформация, и относи­тельная скорость - величины, инвариантные в системах отсчета, движу­щихся равномерно и прямолинейно друг относительно друга. Потому в таких системах отсчета сила также является инвариантной величиной.

Если при переходе из одной системы отсчета в другую, движущуюся относительно первой прямолинейно и равномерно, силы, ускорения и мас­сы тел не меняются, то при таком переходе остаются неизменными и все соотношения между этими вели­чинами, в том числе и законы Нью­тона.

Г. Галилей, исходя из наблюдений над природными явлениями, сформу­лировал фундаментальный физичес­кий принцип (впоследствии назван­ный классическим принципом относи­тельности), согласно которому во всех инерциальных системах отсчета все механические явления протекают одинаково при одинаковых началь­ных условиях.

Оговорка о том, что должны быть заданы одинаковые начальные ус­ловия, играет весьма существенную роль. Так, например, наблюдатели на Земле и в вагоне, движущемся от­носительно ее поверхности равномер­но и прямолинейно, следя за свободным падением тела, увидят разныe траектории движения. Если тело в начальный момент неподвижно относительно Земли, то в системе отсчета, связанной с Землей, траекто­рией тела является прямая линия, а в системе отсчета, связанной с ваго­ном,— парабола. Это, однако, не противоречит принципу относитель­ности, так как в этих системах от­счета различны начальные условия. В момент начала падения в системе отсчета, связанной с Землей, рассматриваемое тело покоится, а в сис­теме отсчета, связанной с движущим­ся вагоном, оно имеет начальную ско­рость, равную по модулю скорости движения вагона относительно Земли, но направленную в противоположную сторону. Именно поэтому падение тела и выглядит неодинаково для разных наблюдателей.

Но если в равномерно и прямо­линейно движущемся вагоне тело в начальный момент времени непо­движно относительно вагона, то, как утверждает классический принцип относительности, в вагоне все про­изойдет точно так же, как и на Земле: траекторией падающего тела будет прямая. Время падения его на пол нагона будет равно времени па­дения тела с той же высоты на Землю. Опыты подтверждают этот принцип.

Классический принцип относи­тельности утверждает одинаковость протекания механических явлений в разных инерциальных системах от­счета, но отсюда не следует, что все механические величины в этих систе­мах одинаковы. Например, скорость летящей птицы, измеренная в сис­теме отсчета «берег», будет отличать­ся от скорости, измеренной в систе­ме отсчета «корабль». Но нет никаких оснований считать, что одна из этих скоростей «истинная», а другая— нет. Другими словами, классический принцип относительности, раскрывая относительность некоторых характе­ристик движения (перемещения, ко­ординаты, скорости), утверждает аб­солютность законов динамики (зако­нов Ньютона).

Именно поэтому, находясь в ка­кой-либо инерциальной системе от­счета, нельзя с помощью механи­ческих опытов установить, движется эта система равномерно и прямоли­нейно или покоится. Нет никаких оснований отдать какой-либо из сис­тем отсчета предпочтение.