Законы природы и системы отсчета

Мы очень подробно остановились на изуче­нии движения тел относительно различных наблюдателей потому, что это имеет фундамен­тальное значение не только для механики, но и для всей физики. Физика изучает различные явления природы и стремится подметить законы, управляющие этими явлениями. Например, утверждение Ньютона, что сила равна массе, умноженной на ускорение,— это закон приро­ды. Закон природы потому и называется зако­ном, что он действует всегда независимо от того, кто и как наблюдает его проявления. Физики условились называть «настоящими» законами природы только такие, которые не зависят от состояния и движения системы от­счета. В этом смысле утверждение «сила равна массе, умноженной на ускорение» есть закон природы, справедливый для всех инерциальных систем отсчета.

Поясним это на примерах. При падении на землю любого тела проявляется закон сох­ранения энергии. Приращение кинетической энергии в любой момент равно убыли потенциаль­ной энергии. Для наблюдателя, стоящего на земной поверхности, в течение всего времени справедливо соотношение:

 где m — масса тела, v — его мгновенная скорость относительно земного наблюдателя, g — коэф­фициент ускорения, h — расстояние от Зем­ли, Е — постоянная энергия падающего тела. Для наблюдателя, двигающегося равномер­но вверх, формулу этого закона следует пре­образовать, как это показано в формулах (3) и (4):

Здесь v₀ — постоянная скорость движения наблюдателя, а v₁— мгновенная скорость тела от­носительно движущегося наблюдателя.

Это уравнение подтверждает закон сохра­нения энергии, он, как говорят физики, инва­риантен, т. е. остается неизменным при преобра­зованиях Галилея. Таким образом, закон сохра­нения энергии — «настоящий» закон природы, не зависящий от наблюдательного пункта.

Рассмотрим также другой закон природы — закон сохранения количества движения, или, как он иначе называется, закон импульса (рис. 4). Представим себе, что из лодки, двигающейся со скоростью течения реки v, пры­гает в воду пловец с начальной скоростью v₁.

Масса лодки и масса пловца соответственно равны т и М. Тогда относительно неподвиж­ного наблюдателя закон сохранения количества движения можно записать формулой:

К этой лодке приближается другая — с наблюда­телем. Если скорость лодки относительно тече­ния реки будет v₀, наблюдатель запишет закон сохранения импульса в таком виде:

Скорости v₁, v¹₁, v¹₂ для подвижного наблю­дателя получаются после простых преобразова­ний по формулам Галилея. Итак, для подвиж­ного наблюдателя закон сохранения импульса имеет такой же вид, как и для неподвижного. Такой же способ применяется во всех слу­чаях , когда надо определить, возможно ли назвать законом природы экспериментально обнаружен­ную или выведенную теоретически законо­мерность. Для этого нужно написать соотно­шение между физическими величинами для неподвижного наблюдателя и применить к нему преобразования Галилея. Если соотношение не изменится, значит, закономерность — закон природы. Если соотношение физических вели­чин при переходе от одной инерциальной систе­мы отсчета к другой изменится радикальным образом, то эта закономерность представляет собой лишь частную зависимость, свою для каждой инерциальной системы отсчета.