2.4.1　惯性参考系

在运动学中,研究物体的运动可任选参考系,只是所选择的参考系应给物体运动的研究带来方便。那么在动力学中,应用牛顿运动定律研究物体的运动时,参考系还能不能任意选择呢?我们通过下面的例子来进行讨论。

在火车车厢内的一个光滑桌面上放一个小球。当车厢相对地面匀速前进时,这个小球相对桌面处于静止状态,而路基旁的人则看到小球随车厢一起做匀速直线运动。这时,无论是以车厢还是以地面作为参考系,牛顿运动定律都是适用的,因为小球在水平方向不受外力作用,它保持静止或匀速直线运动状态,但当车厢突然相对于地面以向前的加速度a运动时,车厢内的乘客观察到此小球相对于车厢内的桌面以加速度a向后做加速运动。对于这个现象,处于不同参考系的观察者可以得出不同的结论。站在路基旁的人觉得这件事是很自然的。因为小球和桌面之间非常光滑,它们之间的摩擦力可以忽略不计,当桌面随车厢一起以加速度a向前运动时,小球在水平方向并没有受到外力作用,所以它仍保持原来的运动状态,牛顿运动定律此时仍然是适用的。然而对于坐在车厢内的乘客来说,这就很不好理解了,既然小球在水平方向没有受到外力作用,小球怎么会在水平方向具有加速度a呢?

由此可见,牛顿运动定律不是对任意的参考系都适用的。我们把适用牛顿运动定律的参考系叫作惯性参考系,简称惯性系;反之,就叫作非惯性系。例如,前面所述的地面以及相对地面做匀速直线运动的车厢都是惯性系,相对地面做加速运动的车厢则是非惯性系。

具备什么条件的参考系才是惯性系呢?马赫曾经指出:所谓惯性系,其实是相对整个宇宙的平均速度为零的参考系。显然,只有远离其他物体的孤立物体才能满足上述条件而作为惯性系,因此这种惯性系是一种理想的惯性系。

一个参考系是否是惯性系,只能依赖实验确定,如果在所选参考系中,应用牛顿定律所得结果在人们要求的精度要求范围内,与实验相符合,那么我们就可以认为这个参考系是惯性参考系。实验还表明,相对已知惯性系静止或匀速直线运动的参考系都是惯性系。图2.23所示为近似的惯性系。

天文学研究结果表明,选取太阳作为参考系,牛顿定律以很高的精确度成立,取地球作为惯性系,牛顿定律也颇为准确地成立。但是太阳绕银河系的中心旋转,地球有绕太阳公转和本身自转,它们与理想的惯性系仍有偏差,因此在研究恒星运动时,这种偏差就会表现出来,于是在天文学常采用选定的1 535颗恒星的平均位置作为基准的参考系——FK4参考系。

图2.23　近似的惯性系