18. Принцип относительности в механике.

Если все механические явления протекают одинаково в различных инерциальных системах, то уравнения движения, описывающие эти явления, не должны меняться при переходе от одной инерциальной системы к другой. Так и есть на самом деле. Ускорения одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.

Силы зависят от расстояний между телами и их относительных скоростей. Так как расстояния и относительные скорости, согласно преобразованиям Галилея, не меняются при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой, то не меняются и силы

Системы отсчета, для которых выполняется закон инерции, называют инерциальными системами. Опыты Галилея показали, что Земля — инерциальная система отсчета. Но Земля — не единственная такая система. Инерциальных систем отсчета — бесчисленное множество. Например, поезд, идущий с постоянной скоростью по прямому участку пути,— тоже инерциальная система отсчета. Тело получает ускорение относительно поезда также только под действием других тел.

Вообще всякая система отсчета, движущаяся относительно какой-либо инерциальной системы (например, Земли) поступательно, равномерной прямолинейно,— также инерциальная система. Действительно, в § 28 мы видели, что в таких системах ускорения тел одинаковы; значит, тело, на которое не действуют другие тела, будет двигаться относительно таких систем отсчета без ускорения, так же как и относительно Земли.

Если какая-либо система отсчета движется относительно инерциальной системы поступательно, но не равномерно и прямолинейно, а с ускорением или же вращаясь, то такая система не может быть инерциальной. Действительно, относительно такой системы тело может иметь ускорение даже в отсутствие действия на него других тел. Например, тело, покоящееся относительно Земли, будет иметь ускорение относительно тормозящего поезда или поезда, проходящего закругление пути, хотя никакие тела это ускорение не вызывают.

Будем производить разные механические опыты в вагоне поезда, идущего равномерно по прямолинейному участку пути, а затем повторим те же опыты на стоянке или просто на земной поверхности. Будем считать, что поезд идет совершенно без толчков и что окна в поезде завешены, так что не видно, идет поезд или стоит. Пусть, например, пассажир ударит по мячу, лежащему на полу вагона, и измерит скорость, которую мяч приобретет относительно вагона, а человек, стоящий на Земле, ударит таким же образом по мячу, лежащему на Земле, и измерит скорость, полученную мячом относительно Земли. Оказывается, мячи приобретут одинаковую скорость, каждый относительно «своей» системы отсчета. Точно так же яблоко упадет с полки вагона по тому же закону относительно вагона, по которому оно падает с ветки дерева на Землю. Производя различные механические опыты в вагоне, мы не смогли бы выяснить, движется вагон относительно Земли или стоит.

Все подобные опыты и наблюдения показывают, что относительно всех инерциальных систем отсчета тела получают одинаковые ускорения при одинаковых действиях на них других тел: все инерциальные системы совершенно равноправны относительно причин ускорений. Это положение было впервые установлено Галилеем и называется по его имени принципом относительности Галилея.

Итак, когда мы говорим о скорости какого-либо тела, мы обязательно должны указать, относительно какой инерциальной системы отсчета она измерена, так как в разных инерциальных системах эта скорость будет различна, хотя бы на тело и не действовали никакие другие тела. Ускорение же тела будет одинаковым относительно всех инерциальных систем отсчета. Например, относительно вагона данное тело может иметь скорость нуль, имея относительно земли скорость 100 км/час и в то же время имея относительно системы отсчета «Солнце и звезды» скорость 30 км/сек (скорость Земли в ее движении вокруг Солнца). Но если пассажир ударил по мячу, то ускорение мяча будет одним и тем же (например, 25 м/сек2) и относительно поезда, и относительно Земли, и относительно Солнца и звезд. Поэтому говорят, что по отношению к разным инерциальным системам отсчета ускорение абсолютно, а скорость относительна.