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惯性系定义

(2012-03-04 22:36:48)
标签:

牛顿

惯性系

伽利略

相对运动

惯性参照系

杂谈

分类: 科学探索

惯性系定义

陈波  2012-3-4

    惯性系:在力学上各处等效的运动参照系。惯性系在形式上可区分为牛顿直线式惯性运动的伽利略惯性系、平衡力作用下的旋转运动惯性系。前者可称为相对运动参照系,而后者可称为绝对运动参照系。

继伽利略及牛顿后300多年来,人们一直沿用伽利略惯性系即一种理想的平直空间的惯性系,用于解决一切现实运动问题,也包括圆周及曲线运动问题。但人们并没有意识到,现实中真正存在的惯性系其实并非平直空间的惯性系,而是处于匀速转动中的惯性系——因为我们无时无刻不是处于匀速旋转的地球之上,而并非处于静止不动的某个不受力的空间。

从牛顿的惯性原理出发虽然不能接受地球的自转及公转运动是惯性运动,但人们在选取地球上的任一空间位置作为惯性参照系时却是毫无疑问的。其中的原因不仅是因为我们通常所选取的参照空间是足够小的地面空间,关键还在于匀速自转中的地球,它本身确实就是处于惯性运动状态。不过地球自转的这类惯性运动并非是不受力的惯性运动,而是受平衡力的惯性运动。

换句话说,牛顿定律和伽利略惯性系在每秒钟数百米速度绕地轴转动的地球表面依然有效,那不是由于某种侥幸的原因,而是由于人们忽视了一对力的存在——就是人们每时每刻面对的重力和支持力。

由于忽视了这对平衡力的存在,伽利略和牛顿在惯性认识上都被引入一个误区,使得他们根据小球在小范围内保持直线运动的实验结果认识到物体的惯性本质应当是保持静止或者做匀速直线运动,然而却没注意到伽利略的惯性小球其实是会围绕地球做匀速圆周运动的。

由于人们忽视了由重力及支持力构成的这对平衡力的存在,也导致了人们对于物质惯性本质的不完全认识,以及对于惯性参照系的不完全认识。以至于就像如今我们所熟知的这样,认为物质的惯性本质就是要保持其原有的静止或者匀速直线运动状态,而实用的惯性参照系仍然只是牛顿惯性平直空间的伽利略惯性系。并导致诸如旋转运动、圆周运动及曲线运动之类问题在解法上显得极其复杂并且甚至缺乏相应原理的支持,而不得不掺入一些假想力学因素以使得经典力学的原理在其中得到合理的利用。

就如同对于运动的认识那样,我们可以将牛顿惯性式的运动空间认为是标准的相对运动空间,伽利略惯性系可以被认为是标准的相对运动参照系。而事实也如此,在解决相对运动以及局部运动问题时都是绝对有效和实用的。对于旋转运动,由于其中产生一种在相对运动中所不可能产生的力,所以可以认为是绝对运动。牛顿在《自然哲学之数学原理》中也曾提及“绝对运动与相对运动的效果的区别,是飞离旋转运动轴心的力”。由此看来,现在将旋转运动定义为绝对运动依然是合情合理的,而平衡力作用下的旋转空间惯性系,我们也可以称为绝对运动参照系。

至此,我们已经可以将相对运动问题与旋转运动问题,分别放在不同形式的惯性参照系中进行考虑,并进行相应的力学计算。但对于在力学上各处等效概念的理解则需要作相对的区分,因为等效概念在不同参照系内其内涵是有所不同的。比如在伽利略惯性系内研究相对运动时,不但要精确地研究物体的受力及其所产生的运动大小,同时也得严格地考虑受力及其运动的方向。然而在旋转参照系内,物体在旋转平面内运动的瞬时方向却显得相对次要,求其相对于旋转中心的速度大小及其受力关系,以及因此而产生的运动却成为研究圆周运动的主要目的,比如对于各类机械的旋转运动研究以及天体运动规律的研究,等等。

所以,将旋转运动问题从伽利略惯性系内分离出来,并建立平衡力作用下的旋转运动参照系,能恰如其分地实现对于相关计算问题的简化的目的。

 

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