Принцип относительности в классической механике

Важную роль в развитии естествознания сыграл принцип относительности для механического движения, впервые установленный Галилеем и окончательно сформулированный Ньютоном. Для его понимания потребуется ввести понятие системы отсчета или координат.

Таким образом, механическое движение всегда является относительным, и его описание зависит от того, по отношению к какой системе координат рассматривается это движение.

Среди систем отсчета особо выделяются инерциальные системы, которые находятся друг относительно друга либо в покое, либо в равномерном и прямолинейном движении.

Смысл принципа относительности Галилея заключается в том, что во всех инерционных системах отсчета законы классической механики имеют одинаковую математическую форму записи.

А по существу это означает, что из совокупности инерциальных систем невозможно выделить какую-либо одну преимущественную систему.

Например, на судне, движущемся равномерно, тело, выпущенное из рук, падает вертикально вниз независимо от того, стоит судно или движется; вода, налитая в сосуд, на движущемся судне, как и в покое, имеет горизонтальную поверхность; на движущемся корабле при выстреле пуля летит столько же времени от носа к корме, сколько от кормы к носу, и т. д.

Для описания механических движений в разных инерциальных системах координат обычно пользуются так называемыми преобразованиями Галилея, которые выражают связь координат материальной точки в условно движущейся (х´, у´, z´) со скоростью V в момент времени t и условно неподвижной (x, у, z) системе координат (рисунок ). Для простоты оси х и х´ совмещены.

Очевидно, что координаты точки А в движущейся системе (х´, у´, z´) связаны с координатами этой же точки в неподвижной системе (х, у, z) следующими соотношениями: х´ = х –Vt; y´= у; z´ = z.

В классической механике, например, следующим образом выглядит закон сложения скоростей. Пусть материальная точка А движется в системе координат (х´, у´, z´) со скоростью U, а сама система координат (х´, у´, z´) движется со скоростью V относительно системы координат (х, у, z). Тогда в системе координат (х, у, z) точка A будет двигаться со скоростью W = U + V.

А время, масса, ускорение, сила и, следовательно, все законы Ньютона при таких преобразованиях остаются неизменными, т. е. инвариантными. Это и отражено в механическом принципе относительности Галилея.