Какие силы в механике сохраняют свое значение при переходе из одной инерциальной системы в другую?

Соколов Андрей Михайлович

Преподаватель Физтех-лицея

Проверено учителем

В классической механике Ньютона при переходе из одной инерциальной системы отсчета (ИСО) в другую (согласно преобразованиям Галилея) инвариантными (неизменными) остаются те силы, значение которых зависит от взаимного расположения тел или их относительных скоростей. Согласно второму закону Ньютона, сила определяется как F=mamodified cap F with right arrow above equals m modified a with right arrow above. Поскольку в рамках преобразований Галилея ускорение amodified a with right arrow above является инвариантом (оно одинаково во всех ИСО), то и результирующая сила Fmodified cap F with right arrow above сохраняет свое значение и направление. Основные типы инвариантных сил Ниже приведен перечень сил, которые не меняются при смене инерциальной системы координат:

  • Сила всемирного тяготения (Гравитационная сила):
    Зависит только от масс тел и расстояния между их центрами масс. Формула:
    F=Gm1m2r2cap F equals cap G the fraction with numerator m sub 1 m sub 2 and denominator r squared end-fraction Так как массы и расстояние rr между точками в классической механике абсолютны, сила тяжести остается неизменной. Силы упругости:
    Возникают при деформации тел. Величина силы (например, по закону Гука F=kΔxcap F equals k delta x) зависит от величины деформации Δxdelta x, которая представляет собой разность координат точек одного и того же тела. Эта разность не меняется при переходе между ИСО. Силы трения (покоя и скольжения):
    Сила трения зависит от коэффициента трения μmu и силы нормальной реакции опоры Ncap N. Поскольку эти параметры определяются внутренними взаимодействиями поверхностей и перпендикулярными составляющими других инвариантных сил, сила трения также является инвариантом. Силы вязкого трения (сопротивления среды):
    Хотя скорость тела vmodified v with right arrow above меняется при переходе из одной ИСО в другую, сила сопротивления среды зависит от относительной скорости тела относительно самой среды ( vvсредыmodified v with right arrow above minus modified v with right arrow above sub с р е д ы end-sub). Эта разность скоростей остается постоянной в любых ИСО. Электростатические силы (Кулоновские):
    Зависят от величины зарядов и расстояния между ними. Поскольку заряд и расстояние инвариантны в классической механике, сила взаимодействия неподвижных зарядов не меняется.

Особенности электродинамики (Сила Лоренца) Важно отметить, что в случае электромагнитных взаимодействий ситуация сложнее:

  1. Магнитная составляющая силы Лоренца зависит от скорости частицы.
  2. При переходе из одной ИСО в другую скорость меняется, что, на первый взгляд, должно изменить силу.
  3. Однако, согласно теории относительности, при переходе в другую систему отсчета изменяются также значения напряженностей электрического Emodified cap E with right arrow above и магнитного Bmodified cap B with right arrow above полей.

В итоге суммарная сила Лоренца остается инвариантной (или ковариантной в релятивистском смысле), обеспечивая выполнение принципа относительности. Что никогда не является силой в ИСО? При анализе инерциальных систем следует помнить, что силы инерции (центробежная, сила Кориолиса и др.) в них отсутствуют по определению. Они возникают только при переходе в неинерциальные системы отсчета и не являются результатом взаимодействия тел, поэтому к данному вопросу не относятся. Хотите, я составлю таблицу сравнения физических величин, которые меняются и которые остаются неизменными при преобразованиях Галилея?

Форма ответа

Ваш аватар