Номер 2, страница 23 - гдз по физике 10 класс учебник Казахбаева, Кронгарт

2. В каких случаях наблюдаются нарушения закона инерции в движениях тел относительно Земли? Приведите несколько примеров из своей личной практики, когда в выбранной вами системе отсчета происходило явление, противоречащее первому закону Ньютона.

Решение

Первый закон Ньютона, также известный как закон инерции, выполняется только в инерциальных системах отсчета (ИСО) — системах, которые движутся без ускорения (покоятся или движутся прямолинейно и равномерно). Нарушения закона инерции наблюдаются в неинерциальных системах отсчета (НИСО) — то есть в системах, движущихся с ускорением относительно ИСО. В таких системах на тела действуют так называемые силы инерции, которые не являются результатом взаимодействия с другими телами, а возникают из-за самого ускорения системы отсчета. В неинерциальной системе отсчета тело может изменять свою скорость без видимого силового воздействия, что и воспринимается как "нарушение" закона инерции.

Система отсчета, связанная с Землей, строго говоря, не является инерциальной, поскольку Земля участвует в двух основных вращательных движениях: суточном вращении вокруг своей оси и годовом вращении вокруг Солнца. Оба этих движения являются движениями с центростремительным ускорением. Поэтому в движениях тел относительно Земли наблюдаются нарушения закона инерции. Эти нарушения, однако, становятся заметными в основном в крупномасштабных явлениях или в очень точных экспериментах:

1. Влияние вращения Земли (сила Кориолиса): Эта сила инерции действует на движущиеся тела и отклоняет их от прямолинейной траектории. В Северном полушарии отклонение происходит вправо по ходу движения, а в Южном — влево. Этот эффект имеет большое значение для метеорологии (формирование циклонов), океанографии (направление течений) и баллистики (поправки при стрельбе на большие расстояния). Например, правые берега рек в Северном полушарии часто более крутые из-за подмывающего действия силы Кориолиса.

2. Маятник Фуко: Этот эксперимент наглядно демонстрирует вращение Земли. Плоскость качаний длинного маятника медленно поворачивается относительно Земли. С точки зрения земного наблюдателя, на маятник не действует никакая сила, способная вызвать такой поворот, что является "нарушением" закона инерции. На самом деле, плоскость качаний сохраняется неизменной в инерциальной системе отсчета (связанной со звездами), а Земля поворачивается под маятником.

В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с явлениями, противоречащими первому закону Ньютона, когда выбираем в качестве системы отсчета ускоренно движущиеся объекты. Вот несколько примеров из личной практики:

Если выбрать в качестве системы отсчета салон автобуса, то можно наблюдать следующее. Когда автобус резко тормозит, пассажиров "бросает" вперед. Когда автобус резко трогается с места, пассажиров "вдавливает" в спинки сидений. В системе отсчета, связанной с автобусом, пассажир, который до этого находился в покое, вдруг начинает двигаться без видимой причины (без приложения к нему силы), что противоречит первому закону Ньютона.

Другой пример — салон автомобиля при повороте. Когда автомобиль совершает резкий поворот, например, налево, пассажиров и предметы в салоне "прижимает" к правой двери. В системе отсчета автомобиля тело начинает двигаться вправо, хотя на него в этом направлении не действуют никакие реальные силы. Это явление, которое называют проявлением "центробежной силы", является нарушением закона инерции в данной неинерциальной системе.

Еще один частый пример — кабина лифта. Когда лифт начинает движение вверх с ускорением, мы чувствуем, что становимся "тяжелее". Наоборот, когда лифт начинает ускоренно спускаться вниз, мы ощущаем "легкость". В системе отсчета лифта наш вес (сила реакции опоры) изменяется без изменения массы тела или силы гравитации, что является проявлением силы инерции, направленной против ускорения.

Ответ: Нарушения закона инерции наблюдаются в неинерциальных (движущихся с ускорением) системах отсчета. Система отсчета "Земля" неинерциальна из-за своего вращения, что проявляется в глобальных явлениях, таких как отклонение ветров и течений силой Кориолиса или поворот плоскости колебаний маятника Фуко. В личной практике нарушения закона инерции проявляются в ускоренно движущемся транспорте. Примеры: 1) в тормозящем или разгоняющемся автобусе (система отсчета) пассажиры начинают двигаться вперед или назад относительно салона без видимого приложения силы; 2) в поворачивающем автомобиле (система отсчета) пассажиров "отбрасывает" в сторону, противоположную повороту; 3) в лифте (система отсчета), начинающем движение с ускорением, человек ощущает изменение своего веса. Во всех этих случаях в выбранной неинерциальной системе отсчета тело изменяет свое состояние движения при отсутствии действия на него реальных сил, что противоречит первому закону Ньютона.