УПРАЖНЕНИЕ 10 На столе в равномерно и прямолинейно движущемся поезде стоит легкоподвижный игрушечный автомобиль. При торможении поезда автомобиль без внешнего воздействия покатился вперёд, сохраняя свою скорость относительно земли. Выполняется ли закон инерции: а) в системе отсчёта, связанной с землёй; б) в системе отсчёта, связанной с поездом, во время его пря- молинейного и равномерного движения; во время торможения? Можно ли в описанном случае считать инерциальной систему ОУТ- счёта, связанную с землёй; с поездом? ​

Вопрос касается того, выполняется ли закон инерции в различных системах отсчёта в описанном случае, а также можно ли считать эти системы инерциальными. Давайте разберем это подробно.

Система отсчёта, связанная с землёй (а): Когда мы рассматриваем систему отсчёта, связанную с землёй, мы говорим о такой системе, в которой Земля воспринимается как неподвижная (или движущаяся с очень малой скоростью относительно объекта, который мы анализируем). В этой системе, когда поезд движется равномерно и прямолинейно, он обладает какой-то скоростью относительно земли, и в момент, когда поезд начинает тормозить, на автомобиль, стоящий на столе поезда, действует инерция.

Итак, на примере автомобиля:

1. Когда поезд двигается равномерно, автомобиль стоит на столе, не двигаясь относительно поезда. Однако по отношению к Земле автомобиль движется с той же скоростью, что и поезд, поскольку он изначально находится в покое относительно поезда.
2. При торможении поезда автомобиль будет продолжать двигаться с той же скоростью, что и до торможения, то есть относительно Земли его скорость останется неизменной, а поезд будет замедляться.

Таким образом, автомобиль сохраняет свою скорость относительно Земли, и это является проявлением закона инерции: он продолжает двигаться с той же скоростью, если на него не действуют внешние силы (или они действуют незначительно). Это показывает, что закон инерции в системе отсчёта, связанной с Землёй, выполняется.

Система отсчёта, связанная с поездом (б): Теперь рассмотрим систему отсчёта, связанную с поездом. Эта система является неинерциальной в момент, когда поезд начинает тормозить. Когда поезд двигался равномерно и прямолинейно, система отсчёта, связанная с поездом, могла быть инерциальной, поскольку не было ускорений. Но как только поезд начинает тормозить, его скорость меняется, и система отсчёта, связанная с ним, становится неинерциальной.

В неинерциальной системе отсчёта (связанной с поездом) автомобиль будет двигаться вперёд, несмотря на то, что внешних сил на него не воздействует. Это можно объяснить тем, что при замедлении поезда относительно системы отсчёта, связанной с поездом, создаётся иллюзия того, что автомобиль движется вперёд. В реальности автомобиль сохраняет свою скорость относительно Земли (поскольку она не изменяется), но в системе отсчёта, связанной с поездом, она будет восприниматься как движение вперёд из-за ускорения самой системы (поезда).

Таким образом, в системе отсчёта, связанной с поездом, закон инерции в чистом виде не выполняется, поскольку это неинерциальная система.

Можем ли мы считать системы отсчёта инерциальными?

• Система отсчёта, связанная с Землёй, можно считать инерциальной, если мы исключаем влияние на движение поезда каких-либо внешних факторов (например, избыточных сил, которые могут воздействовать на Землю). Однако на практике Земля всё-таки немного ускоряется и вращается, и в точности её движение не является идеальным инерциальным, но для большинства повседневных задач её можно принять за инерциальную.

• Система отсчёта, связанная с поездом, не является инерциальной в момент торможения поезда, поскольку ускорение, создаваемое торможением, нарушает условие инерциальности.

Заключение:

• В системе отсчёта, связанной с Землёй, закон инерции выполняется, так как автомобиль сохраняет свою скорость относительно Земли.
• В системе отсчёта, связанной с поездом, закон инерции не выполняется, поскольку поезд тормозит, а система отсчёта в таком случае является неинерциальной.