Система відліку у фізиці – що це таке: визначення, які бувають системи та що вони включають в себе

Для вирішення завдань механіки необхідно визначити положення тіла в просторі. Тільки тоді можна буде розглядати його рух. Для цього необхідна система відліку у фізиці і механіці — це система координат і спосіб вимірювання часу.

Визначення

Система відліку у фізиці включає в себе тіло відліку, пов’язані з ним осі координат і прилад для вимірювання часу. Тіло відліку — це точка, від якої відлічують положення всіх інших точок. Вона може бути обрана в будь-якому місці простору. Іноді в якості початкової точки вибирають кілька тел.

Що таке система координат? Вона дає можливість однозначно визначити положення точки відносно початкової точки. Кожній точці простору зіставляються числа (одне або кілька), які відкладаються на координатних осях.

Приклад — шахова дошка. Кожна клітинка позначається літерою і цифрою, по одній осі йдуть літери, з іншої цифри. Завдяки їм ми можемо однозначно описати положення фігури.

Важливо! Осі позначаються латинськими або грецькими літерами. Вони мають позитивне і негативне спрямування.

Найбільш поширені у фізиці види координат — це:

  • прямокутні, або декартові — кут між осями прямий, використовуються дві (на площині) або три (у тривимірному просторі) осі;
  • полярні — на площині, де в якості координат використовується відстань від центра r і кут відносно полярної осі (полярний кут);
  • циліндричні — розширення полярних на тривимірний простір, додається вісь z, r перпендикулярний і площини, в якій лежить полярний кут;
  • сферичні — тривимірні, використовуються два кути і відстані від центру, так побудовані географічні та астрономічні координати.

Існує безліч інших варіантів координат. Можна переходити з одних в інші, перетворюючи координати за допомогою рівнянь.

Поняття системи відліку (СВ) включає прилад для вимірювання часу, іншими словами, годинник. Він необхідний, щоб розглядати рух точки — зміна її положення з часом.

Зміни положення точки відносно обраної ЗІ описуються рівняннями руху. Вони показують, як змінюється положення точки з плином часу.

Види систем відліку

В залежності від того, які завдання треба вирішити, можна вибрати ті або інші системи відліку.

Інерціальна і неинерциальная

З бувають інерціальні та неінерціальні. Поняття інерціальної ЗІ важливо для кінематики — розділу фізики, що вивчає рух тел.

Інерціальна ЗІ рухається прямолінійно з незмінною швидкістю відносно оточуючих тел. Навколишні предмети на неї не впливають. Якщо вона стоїть на місці — це теж окремий випадок рівномірного прямолінійного руху. Такі ЗІ мають наступні властивості:

  • інерціальна, яка рухається відносно іншої інерціальної З, також буде інерціальної;
  • всі закони фізики виконуються в різних ІСО однаково і мають однакову форму запису;
  • координати і час в різних ІСО в класичній механіці пов’язані перетвореннями Галілея;
  • у спеціальній теорії відносності замість них користуються перетвореннями Лоренца, а швидкість не може перевищувати деяку постійну (швидкість світла).

Приклад інерціальної З — геліоцентрична, з центром в Сонце. З, пов’язана з землею, інерціальної не буде. Наша планета рухається навколо сонця криволінійно, крім того, на неї діє гравітація Сонця. Проте для багатьох задач цим прискоренням і впливом Сонця можна знехтувати. Це завдання, де «місце дії» — поверхня Землі. Наприклад, якщо нам потрібно знайти швидкість снаряда, випущеного з гармати, вплив Сонця і обертання Землі нас не цікавить.

Неинерциальная ЗІ піддається впливу інших предметів, тому рухається з прискоренням. До неинерциальным відносяться і обертаються ЗІ. У неинерциальных ЗІ закони Ньютона не виконуються, але можна описувати переміщення тими ж рівняннями, що і в ІСО, якщо ввести додаткові сили.

Система центру мас і лабораторна

У механіці також використовується система центру мас (центру інерції), скорочено с. ц.м. або с. ц.і. В якості початку координат в такій ЗІ вибирають центр мас декількох об’єктів. Сума їх імпульсів у такій ЗІ дорівнює нулю.

Застосовують с. ц.і. найчастіше в задачах розсіяння. Завдання такого типу вирішують у механіки і ядерній фізиці, наприклад, це завдання про зіткнення частинок у прискорювачах.

У таких завданнях також використовують лабораторну СО. Вона протилежна с. ц.і. В ЛСО положення частинок визначають щодо спочиваючої мішені, на якій розсіюються інші частинки.

Корисне відео: інерціальні та неінерціальні системи відліку

Відносність руху

За сучасними уявленнями, абсолютної З не існує. Це означає, що розглядати рух тіл можна тільки по відношенню до інших тіл. Не має сенсу говорити про те, що предмет «рухається взагалі». Причина цього — властивості простору і часу:

  • простір ізотропно, тобто в ньому всі напрямки рівноцінні;
  • простір однорідно — всі точки володіють однаковими властивостями;
  • час однорідний — немає якихось особливих моментів часу, всі вони рівноцінні.

Важливо! За часів Ньютона вважалося, що можна розглядати рух стосовно абсолютного простору, пізніше — відносно ефіру в електродинаміці Максвелла. Розроблена Ейнштейном теорії відносності довела, що абсолютного початку відліку бути не може.

Корисне відео: визначення координат тіла

Висновок

Системи відліку у фізиці необхідні, щоб розглядати рух тел. Їх можна вибирати по-різному, як зручніше для конкретної задачі, так як рух відносно. Для механіки важливі інерціальні СО — ті, які рухаються рівномірно і прямолінійно відносно інших тел.