ДИНАМИКА (продолжение и окончание)
Есть, однако же, и другой раздел механики (физики) – Динамика. И вот в этом разделе уже доказывается, что есть особые системы отсчёта, которые не крутятся, а движутся равномерно и прямолинейно друг относительно друга, и называют такие системы отсчёта – инерциальными. Галилей был первым, кто сформулировал их особое свойство: «Во всех таких системах все наблюдаемые механические опыты неразличимы». И вот если мы заглянем в золотую клетку попугая – то увидим, что вода в его поилке всегда отклоняется в сторону края карусели, чего при обычной покоящейся клетке – не наблюдается. И из-за несоответствия этого простейшего наблюдения состоянию покоя – можно оказать, что система отсчёта, связанная с каруселью – не является инерциальной. Полвека спустя в XVII в. Ньютон сформулировал свои гениальные законы, которые верны в инерциальных системах Галилея и только в них.
Так, вот, с точки зрения Динамики – система, связанная с Солнцем является инерциальной (почти :–), а система, связанная с Землёй – сильно неинерциальна. Именно в этом смысле мы и говорим, что «на самом деле» не Солнце крутится вокруг Земли, а просто Земля вращается вокруг своей оси и поэтому нам кажется, что Солнце крутится вокруг Земли. Смысл словоупотребления «на самом деле» в этом утверждении, за которое шёл на костёр Коперник и страдал Галилей – связан именно с понятием инерциальных систем Галилея, вводимых в Динамике. С точки зрения Кинематики – никакого «на самом деле» нет. Любой взгляд на мироустройство формально оправдан.
Эффекты неинерциальности карусельной Земли можно обнаружить во многих опытах. С маятником Фуко, в приоритетном закручивании воды в равновесных воронках (например, при спуске ванны), в том, что Земля представляет собой не сферу, а геоид – т.е. распухшую на экваторе из-за вращения сферу, в зависимости ускорения свободного падения (гравитационной напряжённости) от географической широты, и в некоторых других экспериментах.
Тем не менее, хотя с точки зрения Астрономии – Земля и представляет собой карусель, т.е. неинерциальную систему отсчёта, в повседневной жизни и при решении простых школьных задач: эффекты неинерциальности – достаточно малы (коло 0.1%), а поэтому часто в школьных задачах Землю считать упрощённо – инерциальной системой отсчёта. Строго говоря, и Солнце – не является инерциальной системой отсчёта, поскольку, во-первых оно крутится вокруг своей собственной оси, а во-вторых Солнце совершает круговое орбитальной движение внутри Галактики Млечный Путь вокруг Центрального Квазара Балдж с чёрной дырой. Но поправки, вносимые в расчёты движения спутников в Солнечной Системе – ещё менее значительны и составляют миллионные доли процентов, так что чаще всего Солнце считаются инерциальной системой отсчёта.
Ну а теперь о вашей задаче:
а) На камень действуют только две силы:
Сила тяжести, возникающая в гравитационном поле Земли, и сила нормальной реакции поверхности, на которой лежит камень. В соответствии с законами Ньютона – тело покоится или движется прямолинейно и равномерно в инерциальных системах отсчёта, если на него не действуют внешние силы, либо если действие всех внешних сил взаимно скомпенсировано. Две силы скомпенсированы, только если они равны друг другу и направлены противоположно. И именно так тут и есть. Сила нормальной реакции равна силе тяжести. А общая результатирующая сила в данном случае равна нулю.
б)
1) Система отсчёта, связанная сравномерно движущимся автобусом – инерциальна по определению (она движется равномерно и прямолинейно), а значит, согласно Принципу Галилея и Первому Закону Ньютона – все механические опыты будут протекать аналогично. Т.е. как в системе отсчета, связанной с Землёй камень имеет нулевое ускорение, так и в системе отсчёта с равномерно движущимся автобусом – его ускорение по прежнему равно нулю. Камень, относительно автобуса просто движется равномерно, навстречу ему, без ускорения.
2) Шишка, падающая с дерева – движется в поле гравитации Земли, а значит, имеет ускорение при падении – равное ускорению свободного падения (численно совпадающего с гравитационной напряжённостью). Таким образом – система отсчёта, связанная с падающей шишкой – является неинерциальной системой отсчёта. Такая система отсчёта уже не соответствует Принципу Галилея, а значит, она может иметь ускорение. И именно так и будет. Система отсчёта, связанная с шишкой будет иметь ускорение, а поэтому и покоящийся в инерциальной системе камень – будет иметь ускорение в неинерциальной системе отсчёта, связанной с падающей шишкой. Жучку, сидящему на шишке, будет казаться, что шишка относительно него покоится, а Земля и лежащий на ней камень – налетают на эту шишку снизу вверх с ускорением.
в) Как уже было сказано: система отсчёта, связанная с равномерно движущимся автобусом является инерциальной, а система отсчёта, связанная с падающей с дерева шишкой – является неинерциальной.
