Принцип относительности Галилея кратко – механический принцип, формула
Одним из важных законов механики, который позволяет точно описывать движение тел, несмотря на то, что понятие движения является относительным, является принцип относительности Галилея. Рассмотрим кратко суть этого принципа.
Механика в разных Системах Отсчета
Любая попытка описания движений любого тела быстро приводит к выводу, что нельзя говорить о «движении вообще». Для описания движения следует принять некоторую инерциальную Систему Отсчета, относительно которой и будет описано движение тела.
Рис. 1. Относительность движения.
Данный вопрос волновал еще античных философов, и связан он с вопросом о движении Земли. Если Земля движется – то почему мы этого не замечаем? В самом деле, люди, движущиеся в повозке, как правило, замечают это.
Однако, уже средневековые ученые отмечали, что люди на повозке замечают движение лишь только по неравномерностям – по толчкам и тряске. Если же их нет (например, движение происходит на корабле в спокойной воде) – то отличить движение от покоя невозможно. Причина этого лежит в том, что корабль, плывущий по спокойной воде – является инерциальной Системой Отсчета.
Рис. 2. Инерциальные Системы Отсчета.
Принцип относительности Галилея
Наиболее полно принцип относительности сформулировал Г. Галилей в трактате «Диалог о двух системах мира»:
Для предметов, захваченных равномерным движением, это последнее «как бы не существует» и проявляет своё действие только на вещах, не принимающих в нём участия. В современных терминах это означает, что все механические процессы во всех инерциальных Системах Отсчета происходят одинаково. Все формулы будут одинаковы.
Например, если измерять ускорение свободного падения на поверхности Земли и в движущей равномерно и прямолинейно лаборатории – то значение будет одинаковым. При этом не имеет значение направление движения – лаборатория может равномерно двигаться вверх или вниз, все равно изменение скорости падающих в ней предметов будет одинаковым (изменением гравитации с высотой пренебрежем).
Тоже самое произойдет с любыми другими механическими взаимодействиями. Например, если тело получает некоторый импульс с помощью пружины, то импульс будет совершенно одинаков как в покоящейся, так и в движущейся лаборатории. Измерение массы тел, уравновешивание весов – все это также будет происходить независимо от того, движется ли Система Отсчета, в которой это происходит, или нет.
Рис. 3. Принцип относительности Галилея.
Неинерциальные Системы Отсчета
Вернемся к вопросу «Почему люди замечают движение на повозке, а движение Земли нет?». Был приведен ответ, что люди замечают движение по неравномерностям. А неравномерности движения означают, что повозка в эти моменты движется с ускорением, и не является инерциальной.
При подъеме в лифте любой человек в первые моменты ощущает, что вес его тела «увеличился», а в последние моменты – что он на некоторое время «уменьшился». Если мы возьмем пружинные весы – они подтвердят, что вес предметов в первые моменты движения лифта увеличивается, а перед остановкой – уменьшается.
Казалось бы, это означает нарушение принципа относительности – ведь ясно, что масса человека не менялась. Однако, необходимо учесть, что принцип относительности применим для инерциальных систем отсчета, то есть для тех систем, которые движутся без ускорения.
Движущийся лифт в первые и последние моменты движения движется с ускорением, и он в это время не является инерциальной Системой Отсчета. Принцип относительности на него не распространяется.
Что мы узнали?
Механический принцип Относительности Галилея гласит, что все механические процессы в любых инерциальных Системах Отсчета происходит одинаково. Описание любого движения, любого взаимодействия тел в любой инерциальной Системе Отсчета даст одинаковые результаты, независимо от того, покоится ли эта Система или движется равномерно и прямолинейно.
При́нцип относи́тельности (принцип относительности Эйнштейна) — фундаментальный физический принцип, один из принципов симметрии, согласно которому все физические процессы в инерциальных системах отсчёта протекают одинаково, независимо от того, неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения.
Частным случаем принципа относительности Эйнштейна является принцип относительности Галилея, который утверждает то же самое, но не для всех законов природы, а только для законов классической механики, подразумевая применимость преобразований Галилея и оставляя открытым вопрос о применимости принципа относительности к оптике и электродинамике.
В современной литературе принцип относительности в его применении к инерциальным системам отсчёта (чаще всего при отсутствии гравитации или при пренебрежении ею) обычно выступает терминологически как лоренц-ковариантность (или лоренц-инвариантность).
Автор — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев
Темы кодификатора ЕГЭ: инерциальные системы отсчёта, принцип относительности Галилея.
Изучение теории относительности Эйнштейна мы начинаем с более глубокого рассмотрения принципа относительности Галилея. Это позволит нам лучше понять, каковы были предпосылки создания теории относительности.
Ключевую роль в механике и теории относительности играет понятие инерциальной системы отсчёта. Если вы забыли, что это такое, то обязательно прочитайте ещё раз Первый закон Ньютона.
В конце этой темы было кратко сказано о принципе относительности Галилея. Настало время поговорить о нём подробнее. В чём же суть данного принципа?
Наблюдатель на корабле.
Никаких отклонений обнаружить не удастся! Поставив в каюте корабля любой механический эксперимент и сопоставив его с аналогичным экспериментом на земле, вы увидите, что полученные результаты не отличаются друг от друга. Например, вы бросаете мячик со скоростью 5 м/с под углом к горизонту относительно палубы. Оказывается, мячик на корабле опишет ровно ту же самую траекторию, что и на берегу при тех же начальных условиях (скорость и угол броска).
Равномерное прямолинейное движение корабля никак не сказывается на протекании механических явлений на этом корабле. Поэтому никакой опыт из механики, проведённый в лаборатории корабля, не в состоянии определить, покоится ли корабль или движется равномерно и прямолинейно.
Систему отсчёта, связанную с землёй, во многих ситуациях можно считать инерциальной.(Конечно, Земля совершает суточное вращение и движется вокруг Солнца, поэтому земная лаборатория будет иметь ускорение. Но во многих задачах этим ускорением можно пренебречь.) Система отсчёта корабля, движущаяся относительно земной системы отсчёта равномерно и прямолинейно, также будет инерциальной. Мы приходим к выводу, что с точки зрения механических явлений инерциальные системы отсчёта совершенно равноправны: никакой механический эксперимент не в состоянии выделить и сделать привилегированной какую-то одну инерциальную систему отсчёта по сравнению с остальными.
Это и есть принцип относительности, открытый Галилеем.
Принцип относительности Галилея. Всякое механическое явление при одних и тех же начальных условиях протекает одинаково в любой инерциальной системе отсчёта.
Инвариантность законов механики.
Принцип относительности Галилея означает, что законы механики одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта. А именно, математическая форма второго и третьего законов Ньютона не меняется при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой. Давайте убедимся в этом непосредственно на следующем простом примере.
Рис. 1. Система движется относительно системы
Прежде всего, выясним, как связаны друг другом координаты частицы и моменты времени в обеих системах отсчёта.
Таким образом, преобразования Галилея в механике служат математическим описанием перехода от одной инерциальной системы отсчёта к другой. Рассмотрим некоторые следствия, вытекающие из преобразований Галилея.
Три равенства (2) можно записать в виде одной векторной формулы:
Получился хорошо известный нам закон сложения скоростей: скорость тела относительно неподвижной системы отсчёта есть скорость тела относительно движущейся системы отсчёта плюс скорость движущейся системы относительно неподвижной. Мы видим, таким образом, что закон сложения скоростей в механике является следствием преобразований Галилея.
Итак, ускорение частицы одинаково во всех инерциальных системах отсчёта. Это ещё одно следствие преобразований Галилея.
Теперь запишем второй закон Ньютона для нашей частицы в системе :
Силы в механике зависят от расстояний между телами и, быть может, скоростей тел друг относительно друга. Но расстояние между двумя точками пространства одинаково во всех инерциальных системах отсчёта. Скорость одной частицы относительно другой также не зависит от того, в какой инерциальной системе отсчёта рассматривается движение. Стало быть, сила одинакова во всех инерциальных системах отсчёта.
Величины и соотношения, не меняющиеся при определённых условиях, часто называются инвариантными. Так, ускорение, масса и сила инвариантны относительно выбора инерциальной системы отсчёта. Поэтому второй и третий законы Ньютона во всех системах отсчёта имеют одинаковый вид, т. е. инвариантны относительно преобразований Галилея.
Механические явления протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета, т. е. описывающие их законы динамики одинаковы. Поэтому все инерциальные системы отсчета равноправны.
Это значит, что уравнения, выражающие законы механики, не меняются при преобразованиях Галилея.
Преобразования Галилея заключаются в преобразовании координат и времени t движущейся материальной точки при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой:
Для координаты x это выражается так:
Здесь и — радиус-векторы, и — координаты точки в двух инерциальных системах отсчета, а υ – относительная скорость движения этих двух инерциальных систем отсчета. Время не изменяется при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую: принцип относительности Галилея основан на представлениях об абсолютном времени и абсолютном пространстве. Это означает, что во всех инерциальных системах отсчета события протекают одинаково (одновременно).
Из этого уравнения вытекает закон сложения скоростей:
где — скорости точки относительно систем K и K´ соответственно. Дифференцируем по времени это выражение и получим w = w´. Это значит, что ускорение точки в данный момент времени одинаково относительно любой из систем, неускоренно движущихся относительно друг друга.
Галилей на основании наблюдений сформулировал классический принцип относительности, согласно которому законы механики одинаковы в любых инерциальных системах отсчета. То есть, уравнения движения относительно любых инерциальных систем совпадают друг с другом. Это значит, что уравнение mw=F эквивалентно уравнению m´w´ = F´.
Из принципа Галилея следует, что F=F´, т. е. силы, действующие на точку, неизменны при переходе от одной инерциальной системы к другой, также инерциальной системе.
Следовательно, все величины, входящие в уравнение Ньютона, не изменяются при преобразовании от одной инерциальной системы к другой инерциальной системе.
Принцип относительности Галилея: формулировка, примеры
Содержание:
Великий ученый эпохи Возрождения, изобретатель первого телескопа, Галилео Галилей за свою жизнь совершил немало научных открытий, как в астрономии, так и физике, математике, других науках. И среди них, в том числе, один из краеугольных камней современной физики – классический принцип относительности Галилея, о нем наша сегодняшняя статья.
В чем состоит принцип относительности
Попробуем же сформулировать принцип относительности Галилея максимально кратко и доходчиво. Итак, он утверждает, что все механические процессы и явления протекают одинаково в инерциальных системах отсчета. Теперь давайте немножко расшифруем, начнем с инерциальных систем отсчета.
Что такое инерциальная система отсчета? Под ней в классической физике понимается система, где все тела движутся линейно и прямолинейно. Простым примером инерциальной системы может быть поезд, двигающийся по рельсам, или в глобальном масштабе – наша планета, вращающаяся вокруг Солнца. К слову все законы Ньютона также относятся к инерциальной системе отсчета.
Для каких физических явлений применим
Но вернемся к принципу относительности Галилея, а точнее к его практическому применению. Представьте, что Вы едете в поезде или плывете на корабле. Если вы при этом в каюте корабля, либо вагоне поезда будет совершать какие-то простые физические опыты, даже банально подкидывать шарик, вы увидите, что результаты этих действий будут точно такими же как если бы Вы просто стояли на земле (тот же шарик в вагоне поезда будет падать вниз с такой же траекторией как и просто на земле). Иными словами, и каюта корабля и вагон поезда являются закрытыми инерциальными системами отсчета, и механические процессы внутри них протекают по одним и тем же законам.
Как мы уже говорили выше, наша планета Земля также является большой инерциальной системой, она движется вокруг Солнца, так и вращается вокруг своей оси, но мы ведь не ощущаем этого движения. А все потому, что для движения, как нашей Земли, так и других планет Солнечной системы действенен принцип относительности Галилея, все механические процессы, несмотря на движение Земли, протекают одинаково.
История открытия
В далекие времена Галилея когда в науке того времени господствовали ложные идеи Аристотеля, считалось что именно Земля находится в центре Вселенной и пребывает в недвижимом положении. Идея же о том, что это именно Земля движется вокруг Солнца, вызывала у людей того времени смех, так как если она движется то почему мы не ощущаем этого движения, недоумевали они.
Опыты Галилея в области механики привели его к тому, что мы и зовем «принципом относительности», иными словами, главный физический смысл принципа относительности Галилея заключается в том, чтобы объяснить людям средневековья (ну и нам жителям 21-го века заодно) почему, несмотря на движение Земли, мы сами не замечаем и никак не ощущаем этого движения, почему все тела всегда падают перпендикулярно вниз, а не под наклоном и так далее.
Видео
И в дополнение полезный видео урок об принципе относительности Галилея.
Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка
При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.
Эта статья доступна на английском языке – Galilean Relativity.
и времени t движущейся материальной точки при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой:
и 
— радиус-векторы, 
и 
— координаты точки в двух инерциальных системах отсчета, а υ – относительная скорость движения этих двух инерциальных систем отсчета. Время не изменяется при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую: принцип относительности Галилея основан на представлениях об абсолютном времени и абсолютном пространстве. Это означает, что во всех инерциальных системах отсчета события протекают одинаково (одновременно).
— скорости точки относительно систем K и K´ соответственно. Дифференцируем по времени это выражение и получим w = w´. Это значит, что ускорение точки в данный момент времени одинаково относительно любой из систем, неускоренно движущихся относительно друг друга.
