Система отсчёта связана с автомобилем. Будет ли она инерциальной, если автомобиль движется:
а) равномерно и прямолинейно по горизонтальному шоссе;
б) ускоренно по горизонтальному шоссе;
в) равномерно, поворачивая на улицу, расположенную под прямым углом;
г) равномерно в гору;
д) равномерно с горы;
е) ускоренно с горы?

Для ответа на этот вопрос необходимо подробно разобраться, что такое инерциальная система отсчёта, какие физические принципы лежат в её основе и как разные типы движения автомобиля влияют на свойства системы отсчёта.

Инерциальная система отсчёта (ИСО)

Инерциальная система отсчёта — это такая система, в которой выполняется первый закон Ньютона, также называемый законом инерции. Согласно этому закону:

Тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если на него не действуют силы или если равнодействующая всех сил равна нулю.

В инерциальной системе отсчёта:

1. Тело, на которое не действуют внешние силы (или сумма всех сил равна нулю), движется с постоянной скоростью по прямой либо остаётся в покое.
2. На тела не действуют дополнительные силы, вызванные ускорением самой системы отсчёта (например, центробежные силы, силы Кориолиса или силы инерции).

Примеры инерциальных систем отсчёта: Земля (с определённой степенью приближения), система отсчёта, связанная с неподвижным наблюдателем в космосе.

Если система отсчёта ускоряется, вращается или движется по криволинейной траектории, она становится неинерциальной. В таких системах появляются дополнительные силы инерции, которые не связаны с взаимодействием тел, а обусловлены движением самой системы отсчёта.

Система отсчёта, связанная с автомобилем

Теперь рассмотрим, какие свойства имеет система отсчёта, когда она связана с автомобилем. Движение автомобиля в разных сценариях может быть разным: прямолинейным или криволинейным, равномерным или с ускорением. В зависимости от этого система отсчёта может быть либо инерциальной, либо неинерциальной.

1. Равномерное прямолинейное движение по горизонтальному шоссе
   Если автомобиль движется равномерно и прямолинейно, то его скорость постоянна, а ускорение равно нулю. В этом случае система отсчёта, связанная с автомобилем, не испытывает ускорения, и на тела внутри неё не возникают дополнительные силы инерции. Таким образом, такая система является инерциальной.

2. Ускоренное движение по горизонтальному шоссе
   Если автомобиль движется с ускорением, то его скорость изменяется со временем. Это означает, что система отсчёта, связанная с автомобилем, ускоряется вместе с ним. В такой системе на тела внутри автомобиля возникают силы инерции, которые стремятся «оттолкнуть» тела в направлении, противоположном ускорению. Например, пассажиры чувствуют, как их «вдавливает» в спинку сиденья при разгоне. Следовательно, такая система отсчёта не является инерциальной.

3. Равномерное движение при повороте (по дуге)
   Когда автомобиль движется равномерно, но по криволинейной траектории (например, поворачивает на улицу под прямым углом), его скорость по модулю остаётся постоянной, но направление скорости изменяется. Это означает, что имеется нормальное ускорение, направленное к центру кривизны траектории. Возникают силы инерции, которые стремятся «вытолкнуть» тела наружу от поворота (центробежные силы). Таким образом, система отсчёта в этом случае становится неинерциальной.

4. Равномерное движение в гору или с горы
   Если автомобиль движется равномерно в гору (или с горы), его скорость постоянна по модулю и направлению. Система отсчёта, связанная с автомобилем, не имеет ускорения. Это означает, что она остаётся инерциальной, так как на тела внутри системы дополнительных сил инерции не возникает.

5. Ускоренное движение с горы
   Если автомобиль движется с ускорением с горы, то его скорость изменяется, и соответственно, система отсчёта, связанная с автомобилем, тоже ускоряется. В таком случае возникают силы инерции, и система отсчёта становится неинерциальной.

Выводы

Для каждого случая можно определить, является ли система отсчёта, связанная с автомобилем, инерциальной:

• а) Равномерное прямолинейное движение — система инерциальная.
• б) Ускоренное движение — система неинерциальная.
• в) Равномерное движение по криволинейной траектории (поворот) — система неинерциальная.
• г) Равномерное движение в гору — система инерциальная.
• д) Равномерное движение с горы — система инерциальная.
• е) Ускоренное движение с горы — система неинерциальная.

Таким образом, ключевым фактором является наличие или отсутствие ускорения (линейного или центростремительного): если ускорение есть, система неинерциальная; если ускорения нет, система инерциальная.