Инерциальная система координат представляет собой систему, в которой каждое невзаимодействующее тело либо двигается равномерно и прямолинейно, либо находится в состоянии покоя. Такое определение системы происходит из первого закона Ньютона. Другой вариант его интерпретации гласит: «Инерциальная система — это такая система координат, в которой пространство однородно и не зависит от направления, а время имеет однородную структуру». Научные наблюдения подтверждают существование систем, которые практически полностью соответствуют этому определению.
Основные законы динамики в классической механике, включая второй и третий законы Ньютона, применяются преимущественно к инерциальным системам координат. При этом к таким системам можно также отнести локальные инерциальные системы, правильно выбранные в контексте сильного принципа эквивалентности гравитационных и инерционных сил.
Терминология «инерциальная система» была впервые введена Людвигом Ланге в 1885 году. Изначально он описывал систему координат, где действовали законы Ньютона. Ланге внес это понятие как альтернативу абсолютному пространству, которое в то время подвергалось критике. Однако с разработкой теории относительности, это понятие было дополнено до «инерциальной системы отсчёта».
Характеристики инерциальных систем отсчета
Инерциальная система отсчета (ИСО) подразумевает такую систему, которая двигается равномерно и по прямой линии без вращения по отношению к другой ИСО. По принципу относительности, каждая ИСО имеет одинаковое значение, и физические законы не меняются, когда мы переходим из одной системы в другую. Это означает, что физические процессы в различных ИСО проявляются идентично.
Признавая, что в изотропном пространстве существует хотя бы одна ИСО, можно сделать вывод о наличии множества таких систем, которые двигаются между собой равномерно и прямолинейно с различными скоростями. В условиях существования ИСО, пространство является однородным и одинаковым во всех направлениях, в то время как время сохраняет свою последовательность. Так, однородность пространства ведет к закону сохранения импульса, его изотропность — к сохранению углового момента, а однородность времени обеспечивает сохранение энергии.
В элементарной физике, движение между ИСО, созданными реальными объектами, может быть любым, и связь между событиями в разных ИСО определяется Галилеевыми преобразованиями.
Однако в специальной теории относительности есть ограничение: скорость движения между ИСО, созданными физическими телами, не может превзойти скорость света в вакууме. В этом контексте связь между событиями в разных ИСК определяется преобразованиями Лоренца.
Взаимосвязь с конкретными системами координат
Полностью инерциальные системы являются чисто теоретическим понятием и фактически отсутствуют в реальном мире. Тем не менее, существуют системы координат, где относительное ускорение между объектами, отделенными на большое расстояние (измеряемое с использованием эффекта Доплера), редко превышает 10−10 м/с².
Примером может служить Международная система координат, дополняемая Барицентрическим временем. В этой системе относительные ускорения редко превышают 1,5⋅10−10 м/с². Точность современных экспериментов, таких как изучение импульсов пульсаров или астрометрические измерения, настолько высока, что скоро мы сможем измерить ускорение Солнечной системы из-за её движения в гравитационном поле нашей Галактики, ожидаемое на уровне примерно 2⋅10−10 м/с².
В зависимости от задачи и требуемой точности, системы координат, связанные с Землей, Солнцем или теми, что статичны по отношению к звездам, могут рассматриваться как относительно инерциальные.
Геоцентрическая инерциальная система отсчета
Использование Земли как опорной точки для системы координат, хоть и является приближенным методом, часто применяется в области навигации. Для создания такой инерциальной системы координат следуют определенным шагам. Центр земли становится отправной точкой O для этой системы, исходя из общепринятой модели планеты. Вертикальная ось z соответствует оси вращения Земли, в то время как горизонтальные оси x и y расположены на уровне экватора. Важно подчеркнуть, что данная система не затрагивается вращением Земли.
