In der Physik ist ein Trägheitsbezugssystem (auch Trägheitsbezugsrahmen oder Trägheitsrahmen oder galiläischer Bezugsrahmen) ein Bezugssystem, das Zeit und Raum homogen, isotropisch, und auf eine zeitunabhängige Weise beschreibt.

Alle Trägheitsrahmen sind in einem Staat von unveränderlichen, Bewegung in Bezug auf einander; sie beschleunigen sich im Sinn nicht, dass ein Beschleunigungsmesser ruhig in man Nullbeschleunigung entdecken würde. Maße in einem Trägheitsrahmen können zu Maßen in einem anderen durch eine einfache Transformation (die galiläische Transformation in der Newtonischen Physik und die Transformation von Lorentz in der speziellen Relativität) umgewandelt werden. In der allgemeinen Relativität, in jedem Gebiet klein genug für die Krümmung der Raum-Zeit, um unwesentlicher zu sein, kann eine Reihe von Trägheitsrahmen finden, die ungefähr dieses Gebiet beschreiben.

Physische Gesetze nehmen dieselbe Form in allen Trägheitsrahmen an. Im Vergleich, in einer Nichtträgheitsverweisung entwickeln sich die Gesetze der Physik ändern sich, je nachdem die Beschleunigung dieses Rahmens in Bezug auf einen Trägheitsrahmen und die üblichen physischen Kräfte durch Romankräfte ergänzt werden müssen. Zum Beispiel geht ein zum Boden fallen gelassener Ball genau gerade unten nicht, weil die Erde rotiert. Jemand, mit der Erde rotierend, muss die Kraft von Coriolis einschließen, um die horizontale Bewegung vorauszusagen. Ein anderes Beispiel einer mit rotierenden Bezugsrahmen vereinigten Romankraft ist die Zentrifugalkraft.

Einführung

Die Bewegung eines Körpers kann nur hinsichtlich etwas anderen - andere Körper, Beobachter oder eine Reihe von Raum-Zeit-Koordinaten beschrieben werden. Diese werden Bezugssysteme genannt. Wenn die Koordinaten schlecht gewählt werden, können die Gesetze der Bewegung komplizierter sein als notwendig. Nehmen Sie zum Beispiel an, dass ein freier Körper (keine Außenkräfte darauf ein zu haben), in einem Moment beruhigt ist. In vielen Koordinatensystemen würde es beginnen, sich im nächsten Moment zu bewegen, wenn auch es keine Kräfte darauf gibt. Jedoch kann ein Bezugssystem immer gewählt werden, in dem es stationär bleibt. Ähnlich, wenn Raum gleichförmig oder Zeit unabhängig nicht beschrieben wird, konnte ein Koordinatensystem den einfachen Flug eines freien Körpers im Raum als ein komplizierter Zickzack in seinem Koordinatensystem beschreiben. Tatsächlich kann eine intuitive Zusammenfassung von Trägheitsrahmen als gegeben werden: In einem Trägheitsbezugsrahmen nehmen die Gesetze der Mechanik ihre einfachste Form an.

In einem Trägheitsrahmen ist das erste Gesetz von Newton (das Gesetz der Trägheit) zufrieden: Jede freie Bewegung hat einen unveränderlichen Umfang und Richtung. Das zweite Gesetz von Newton für eine Partikel nimmt die Form an:

:

mit F die Nettokraft (ein Vektor), M die Masse einer Partikel und die Beschleunigung der Partikel (auch ein Vektor), der von einem Beobachter ruhig im Rahmen gemessen würde. Die Kraft F ist die Vektorsumme aller "echten" Kräfte auf der Partikel, solcher als elektromagnetisch, Gravitations-, Kern- und so weiter. Im Gegensatz nimmt das zweite Gesetz des Newtons in einem rotierenden Bezugssystem, an der winkeligen Rate Ω über eine Achse rotierend, die Form an:

:

der dasselbe als in einem Trägheitsrahmen schaut, aber jetzt ist die Kraft F  das Endergebnis nicht nur F, sondern auch zusätzliche Begriffe (präsentiert der Paragraf im Anschluss an diese Gleichung die Hauptinhalte ohne ausführliche Mathematik):

:

wo die winkelige Folge des Rahmens durch den Vektoren Ω ausgedrückt wird, in der Richtung auf die Achse der Folge, und mit dem Umfang hinweisend, der der winkeligen Rate der Folge Ω gleich ist, zeigt Symbol × das Vektor-Kreuzprodukt an, Vektor x macht den Körper ausfindig, und Vektor ist v die Geschwindigkeit des Körpers gemäß einem rotierenden Beobachter (verschieden von der Geschwindigkeit, die vom Trägheitsbeobachter gesehen ist).

Die Extrabegriffe in der Kraft F  sind die "Roman"-Kräfte für diesen Rahmen. (Der erste Extrabegriff ist die Kraft von Coriolis, das zweite die Zentrifugalkraft und das dritte die Kraft von Euler.) Diese Begriffe haben alle diese Eigenschaften: Sie verschwinden wenn Ω = 0; d. h. sie sind Null für einen Trägheitsrahmen (der natürlich nicht rotiert); sie übernehmen einen verschiedenen Umfang und Richtung in jedem rotierenden Rahmen abhängig von seinem besonderen Wert von Ω; sie sind im rotierenden Rahmen allgegenwärtig (betreffen Sie jede Partikel, unabhängig vom Umstand); und sie haben keine offenbare Quelle in identifizierbaren physischen Quellen, insbesondere Sache. Außerdem fallen Romankräfte mit der Entfernung (unterschiedlich, zum Beispiel, Kernkräfte oder elektrische Kräfte) nicht ab. Zum Beispiel nimmt die Zentrifugalkraft, die scheint, von der Achse der Folge in einem rotierenden Rahmen auszugehen, mit der Entfernung von der Achse zu.

Alle Beobachter einigen sich über die echten Kräfte, F; nur Nichtträgheitsbeobachter brauchen Romankräfte. Die Gesetze der Physik im Trägheitsrahmen sind einfacher, weil unnötige Kräfte nicht da sind.

In der Zeit von Newton wurden die festen Sterne als ein Bezugsrahmen vermutlich ruhig hinsichtlich des absoluten Raums angerufen. In Bezugsrahmen, die entweder ruhig in Bezug auf die festen Sterne oder in der gleichförmigen Übersetzung hinsichtlich dieser Sterne waren, haben Newtonsche Gesetze der Bewegung halten sollen. Im Gegensatz, in Rahmen, die sich in Bezug auf die festen Sterne, ein wichtiger Fall beschleunigen, der Rahmen ist, die hinsichtlich der festen Sterne rotieren, haben die Gesetze der Bewegung in ihrer einfachsten Form nicht gehalten, aber mussten durch die Hinzufügung von Romankräften, zum Beispiel, der Kraft von Coriolis und der Zentrifugalkraft ergänzt werden. Zwei interessante Experimente wurden von Newton ausgedacht, um zu demonstrieren, wie diese Kräfte entdeckt werden konnten, dadurch einem Beobachter offenbarend, dass sie nicht in einem Trägheitsrahmen waren: Das Beispiel der Spannung in der Schnur, die zwei Bereiche verbindet, die über ihr Zentrum des Ernstes und das Beispiel der Krümmung der Oberfläche von Wasser in einem rotierenden Eimer rotieren. In beiden Fällen würde die Anwendung des zweiten Gesetzes von Newton für den rotierenden Beobachter nicht arbeiten, ohne zentrifugal und Kräfte von Coriolis anzurufen, um für ihre Beobachtungen verantwortlich zu sein (Spannung im Fall von den Bereichen; parabolischer Wasserspiegel im Fall vom rotierenden Eimer).

Wie wir jetzt wissen, werden die festen Sterne nicht befestigt. Diejenigen, die in der Milchstraße-Umdrehung mit der Milchstraße wohnen, richtige Bewegungen ausstellend. Diejenigen, die außerhalb unserer Milchstraße sind (wie Nebelflecke, die einmal falsch sind, um Sterne zu sein), nehmen an ihrer eigenen Bewegung ebenso, teilweise wegen der Vergrößerung des Weltalls, und teilweise wegen eigenartiger Geschwindigkeiten teil. (Die Milchstraße von Andromeda ist auf dem Kollisionskurs mit der Milchstraße mit einer Geschwindigkeit von 117 km/s.) Das Konzept von Trägheitsbezugssystemen wird entweder an die festen Sterne oder an den absoluten Raum nicht mehr gebunden. Eher basiert die Identifizierung eines Trägheitsrahmens auf die Einfachheit der Gesetze der Physik im Rahmen. Insbesondere die Abwesenheit von Romankräften ist ihr sich identifizierendes Eigentum.

In der Praxis, obwohl nicht eine Voraussetzung, mit einem Bezugssystem auf den festen Sternen gestützt hat, als ob es ein Trägheitsbezugssystem war, führt sehr wenig Diskrepanz ein. Zum Beispiel ist die Schleuderbeschleunigung der Erde wegen seiner Folge über die Sonne ungefähr dreißig Millionen Male größer als diese der Sonne über das galaktische Zentrum.

Um weiter zu illustrieren, denken Sie die Frage: "Rotiert unser Weltall?" Um zu antworten, könnten wir versuchen, die Gestalt der Milchstraße-Milchstraße mit den Gesetzen der Physik zu erklären. (Andere Beobachtungen könnten endgültiger sein (d. h. stellen Sie größere Diskrepanzen oder weniger Maß-Unklarheit zur Verfügung), wie der anisotropy der Mikrowellenhintergrundradiation oder des Urknalls nucleosynthesis.) Gerade, wie flach die Scheibe der Milchstraße ist, hängt von seiner Rate der Folge in einem Trägheitsbezugssystem ab. Wenn wir seine offenbare Rate der Folge völlig zur Folge in einem Trägheitsrahmen zuschreiben, wird eine verschiedene "Flachheit" vorausgesagt, als wenn wir annehmen, dass ein Teil dieser Folge wirklich wegen der Folge des Weltalls ist und in die Folge der Milchstraße selbst nicht eingeschlossen werden sollte. Gestützt auf den Gesetzen der Physik wird ein Modell aufgestellt, in dem ein Parameter die Rate der Folge des Weltalls ist. Wenn die Gesetze der Physik genauer mit Beobachtungen in einem Modell mit der Folge zustimmen als ohne es, neigen wir dazu, den be-passenden Wert für die Folge, das Thema allen anderen sachdienlichen experimentellen Beobachtungen auszuwählen. Wenn kein Wert des Folge-Parameters erfolgreich ist und Theorie nicht innerhalb des Beobachtungsfehlers ist, wird eine Modifizierung des physischen Gesetzes betrachtet. (Zum Beispiel wird dunkle Sache angerufen, um die galaktische Folge-Kurve zu erklären.) Bis jetzt zeigen Beobachtungen, dass jede Folge des Weltalls sehr langsam ist (nicht schneller als einmal alle 60 · 10 Jahre (10 rad/yr)), und Debatte dauert an, ob es eine Folge gibt. Jedoch, wenn Folge gefunden würde, würde die Interpretation von Beobachtungen in einem an das Weltall gebundenen Rahmen für die solcher Folge innewohnenden Romankräfte korrigiert werden müssen. Zweifellos nimmt solch eine Annäherung die Ansicht an, dass "ein Trägheitsbezugssystem dasjenige ist, wo unsere Gesetze der Physik" gelten (oder kleinste Modifizierung brauchen).

Hintergrund

Ein kurzer Vergleich von Trägheitsrahmen in der speziellen Relativität und in der Newtonischen Mechanik und der Rolle des absoluten Raums ist folgend.

Eine Reihe von Rahmen, wo die Gesetze der Physik einfach

sind

Gemäß dem ersten Postulat der speziellen Relativität nehmen alle physischen Gesetze ihre einfachste Form in einem Trägheitsrahmen an, und dort bestehen vielfache durch die gleichförmige Übersetzung zueinander in Beziehung gebrachte Trägheitsrahmen:

Der Grundsatz der Einfachheit kann innerhalb der Newtonischen Physik sowie in der speziellen Relativität verwendet werden; sieh Nagel und auch Blagojević.

In praktischen Begriffen bedeutet die Gleichwertigkeit von Trägheitsbezugsrahmen, dass Wissenschaftler innerhalb eines Kastens, der sich gleichförmig bewegt, ihre absolute Geschwindigkeit durch kein Experiment bestimmen können (sonst, würden die Unterschiede einen absoluten Rahmen des normativen Verweises aufstellen). Gemäß dieser Definition, die mit der Beständigkeit der Geschwindigkeit von leichten Trägheitsbezugssystemen ergänzt ist, verwandeln sich unter sich gemäß der Gruppe von Poincaré von Symmetrie-Transformationen, von denen die Transformationen von Lorentz eine Untergruppe sind. In der Newtonischen Mechanik, die als ein Begrenzungsfall der speziellen Relativität angesehen werden kann, in der die Geschwindigkeit des Lichtes unendlich ist, sind Trägheitsbezugssysteme durch die galiläische Gruppe von symmetries verbunden.

Absoluter Raum

Newton hat einen absoluten Raum betrachtet gut näher gekommen durch ein hinsichtlich der festen Sterne stationäres Bezugssystem postuliert. Ein Trägheitsrahmen war dann ein in der gleichförmigen Übersetzung hinsichtlich des absoluten Raums. Jedoch haben einige Wissenschaftler (genannt "Relativisten" durch das Mach), sogar zur Zeit von Newton, gefunden, dass absoluter Raum ein Defekt der Formulierung war und ersetzt werden sollte.

Tatsächlich wurde der Ausdruck Trägheitsbezugssystem von Ludwig Lange 1885 ins Leben gerufen, um die Definitionen von Newton der "absoluten Zeit und Raums" durch eine betrieblichere Definition zu ersetzen. Wie Verweise angebracht, durch Iro hat Lange vorgehabt:

Eine Diskussion des Vorschlags von Lange kann im Mach gefunden werden.

Die Unangemessenheit des Begriffs des "absoluten Raums" in der Newtonischen Mechanik wird durch Blagojević dargelegt: {= }\\

\frac {1} {\\sqrt {1 - (v/c_0) ^2}} \\ge 1.

</Mathematik>

Die Lorentz Transformation ist zur galiläischen Transformation in der Grenze c   (ein hypothetischer Fall) oder v  0 (niedrige Geschwindigkeiten) gleichwertig.

Unter Lorentz Transformationen können sich die Zeit und Entfernung zwischen Ereignissen unter Trägheitsbezugsrahmen unterscheiden; jedoch ist die Skalarentfernung von Lorentz s zwischen zwei Ereignissen dasselbe im ganzen Trägheits-Verweisung Rahmen

:

s^ {2} =

\left (x_ {2} - x_ {1} \right) ^ {2} + \left (y_ {2} - y_ {1} \right) ^ {2} +

\left (z_ {2} - z_ {1} \right) ^ {2} - c_0^ {2} \left (t_ {2} - t_ {1 }\\Recht) ^ {2 }\

</Mathematik>

Von dieser Perspektive ist die Geschwindigkeit des Lichtes nur zufällig ein Eigentum des Lichtes, und ist eher ein Eigentum der Raum-Zeit, eines Umwandlungsfaktors zwischen herkömmlichen Zeiteinheiten (wie Sekunden) und Länge-Einheiten (wie Meter).

Beiläufig, wegen der Beschränkungen auf Geschwindigkeiten schneller als die Geschwindigkeit des Lichtes, bemerken Sie, dass ein rotierendes Bezugssystem (der ein Nichtträgheitsrahmen natürlich ist) an willkürliche Entfernungen nicht gewöhnt sein kann, weil am großen Radius sich seine Bestandteile schneller bewegen würden als die Geschwindigkeit des Lichtes.

Allgemeine Relativität

Allgemeine Relativität basiert auf den Grundsatz der Gleichwertigkeit:

Diese Idee wurde im 1907-Artikel "Principle of Relativity and Gravitation" von Einstein eingeführt und hat sich später 1911 entwickelt. Die Unterstützung für diesen Grundsatz wird im Experiment von Eötvös gefunden, das bestimmt, ob das Verhältnis von Trägheits-zur Gravitationsmasse dasselbe für alle Körper, unabhängig von der Größe oder Zusammensetzung ist. Bis heute ist kein Unterschied zu einigen Teilen in 10 gefunden worden. Für etwas Diskussion der Subtilität des Experimentes von Eötvös, wie der lokale Massenvertrieb um die experimentelle Seite (einschließlich eines Hiebs über die Masse von Eötvös selbst), sieh Franklin.

Die allgemeine Theorie von Einstein modifiziert die Unterscheidung zwischen nominell "Trägheits-" und "Nichtträgheits"-Effekten durch das Ersetzen "der flachen" Euklidischen Geometrie der speziellen Relativität durch einen gekrümmten metrischen. In der allgemeinen Relativität wird der Grundsatz der Trägheit durch den Grundsatz der geodätischen Bewegung ersetzt, wodurch sich Gegenstände in einem durch die Krümmung der Raum-Zeit diktierten Weg bewegen. Demzufolge dieser Krümmung ist es nicht ein gegebener in der allgemeinen Relativität, die Trägheitsgegenstände, die sich an einer besonderen Rate in Bezug auf einander bewegen, fortsetzen werden, so zu tun. Dieses Phänomen der geodätischen Abweichung bedeutet, dass Trägheitsbezugssysteme allgemein nicht bestehen, wie sie in der Newtonischen Mechanik und speziellen Relativität tun.

Jedoch nimmt die allgemeine Theorie zur speziellen Theorie über genug kleine Gebiete der Raum-Zeit ab, wo Krümmungseffekten weniger wichtig werden und die früheren Trägheitsrahmenargumente ins Spiel zurückkommen können. Folglich wird moderne spezielle Relativität jetzt manchmal als nur eine "lokale Theorie" beschrieben. (Jedoch bezieht sich das auf die Anwendung der Theorie aber nicht auf seine Abstammung.)

Siehe auch

• Diffeomorphism
• Galiläischer invariance
• Allgemeine Kovarianz
• Lokaler Bezugsrahmen
• Lorentz invariance
• Das erste Gesetz des Newtons

Weiterführende Literatur

• Edwin F. Taylor und John Archibald Wheeler, Raum-Zeit-Physik, 2. Hrsg. (Ehrenbürger, New York, 1992)
• Albert Einstein, Relativität, das spezielle und die allgemeinen Theorien, 15. Hrsg. (1954)
• Henri Poincaré, (1900) "La theorie de Lorentz et la Principe de Reaction", Archive Neerlandaises, V, 253-78.
• Albert Einstein, Auf der Elektrodynamik, Körper Zu bewegen, die in Den Grundsatz der Relativität, Seite 38 eingeschlossen sind. Dover 1923

Folge des Weltalls

• B Ciobanu, ich Radinchi das Modellieren der elektrischen und magnetischen Felder in einem rotierenden Weltall Rom. Journ. Phys. Vol. 53, Nr. 1-2, P. 405-415, Bukarest, 2008
• Yuri N. Obukhov, Thoralf Chrobok, Mike Scherfner Shear - freie rotierende Inflation Phys. Hochwürdiger. D 66, 043518 (2002) [5 Seiten]
• Yuri N. Obukhov Auf physischen Fundamenten und Beobachtungseffekten der kosmischen Folge (2000)
• Li-Xin Li Effect der Globalen Folge des Weltalls auf der Bildung von Milchstraßen Allgemeine Relativität und Schwerkraft, 30 (1998)
• P Birke rotiert das Weltall? Natur 298, 451 - 454 (am 29. Juli 1982)
• Kurt Gödel Ein Beispiel eines neuen Typs von kosmologischen Lösungen der Feldgleichungen von Einstein des Schwerkraft-Hochwürdigen. Mod. Phys. Vol. 21, p. 447, 1949.

Links

• Enzyklopädie von Stanford des Philosophie-Zugangs
• Zeichentrickfilm-Büroklammer-Vertretungsszenen, wie angesehen sowohl von einem Trägheitsrahmen als auch von einem rotierenden Bezugssystem, sich Coriolis und Zentrifugalkräfte vergegenwärtigend.