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.