§ 2. Механическое движение. Система отсчета

Простейший вид движения — механическое движение — заключается в изменении пространственного положения тела с течением времени. Как определить положение тела в пространстве? Оказывается, это можно сделать, только указав его положение относительно каких-либо других тел. Не существует физического способа указать положение тела в пустом пространстве, где никаких других тел нет. Поэтому нельзя говорить и об изменении положения тела в пустом пространстве. Значит, механическое движение тела может происходить только относительно других тел. В этом заключается простейший смысл относительности механического движения.

Система отсчета. Будем называть телом отсчета некоторое тело, условно принимаемое за неподвижное, относительно которого рассматривается движение других тел. Например, движение людей,

автомобилей, самолетов удобно рассматривать относительно Земли, считая ее неподвижной. В свою очередь, движение Земли и других планет удобно рассматривать относительно Солнца, выбирая его в качестве тела отсчета.

Рис. 1. Спутник на околоземной орбите (а). Автоматическая станция на пути к Марсу (б)

Движение космических аппаратов по околоземным орбитам удобно рассматривать относительно Земли, а при межпланетных полетах — относительно Солнца (рис. 1).

Чтобы указать положение движущегося тела и изменение этого положения со временем, т. е. описать механическое движение, необходимо уметь измерять промежутки времени и расстояния. Тело отсчета вместе с совокупностью приборов для измерения времени и расстояний называют системой отсчета.

Любое механическое движение рассматривается в какой-либо системе отсчета. Одно и то же движение можно рассматривать в разных системах отсчета. Относительность механического движения проявляется в том, что одно и то же движение с точки зрения разных систем отсчета происходит по-разному.

Рис. 2. Движение Луны относительно Земли (а). Движение Земли и Луны относительно Солнца (б)

Например, движение Луны относительно Земли (в так называемой геоцентрической

системе отсчета) происходит по замкнутой почти круговой орбите. Но относительно Солнца (т. е. в гелиоцентрической системе отсчета) Луна движется по сложной незамкнутой орбите (рис. 2). Масштаб на рисунке не соблюден. В частности расстояние Луна—Земля сильно преувеличено. В действительности орбита Луны относительно Солнца везде (а не только в среднем) обращена в сторону от Солнца.

• Как вы думаете, чем следует руководствоваться при выборе той или иной системы отсчета для описания некоторого движения? Поясните свою мысль примерами.

• Мальчик в вагоне движущегося поезда подбрасывает вверх мячик и ловит его, не сходя с места. Каким представляется это движение мяча наблюдателю, стоящему на платформе железнодорожной станции, мимо которой проходит поезд?

Объективное и субъективное в законах природы. Физика изучает объективные закономерности окружающего мира, не зависящие от того, кто именно их изучает. Но описание механического движения требует некоторой системы отсчета, которую можно выбирать произвольно. Каждый исследователь может выбрать систему отсчета по-своему. Тем самым в изучение движения вносится некоторый субъективный момент. В действительности этот произвол ограничивается соображениями целесообразности и удобства: систему отсчета всегда следует выбирать так, чтобы изучаемое движение и его закономерности выглядели как можно проще. Например, в системе Коперника закономерности движения планет Солнечной системы оказываются значительно проще, чем в системе Птолемея, хотя для земного наблюдателя движение планет выглядит именно так, как оно описывается в системе Птолемея.

Отмеченное обстоятельство характерно для всех естественных наук, т. е. наук о природе. На первый взгляд кажется, что у природы можно непосредственно «выведать» гораздо больше, чем это возможно на самом деле. В действительности целый ряд понятий не познается, а определяется для познания природы. В частности, приходится вводить по определению систему отсчета, чтобы с ее помощью изучать объективные закономерности механического движения.

• Как согласовать разный вид одного и того же механического движения в разных системах отсчета с объективным характером этого движения?

• Приведите известные вам примеры вводимых по определению понятий, которые используются для изучения объективных закономерностей физических явлений.