На столе в равномерно и прямолинейно движущемся поезде стоит легко подвижный игрушечный автомобиль. при торможении поезда автомобиль без внешнего действия покатился в перед сохраняя скорость относительно поверхности земли выполняется ли закон инерции: а) в системе отсчёта связанной с землёй. б) в системе отсчёта связанной с поездом во время его прямолинейного и равномерного движения во время торможения? можно ли в описанном случае считать инерциальной систему отсчёта священную с землёй;с поездом?

Краткое пояснение перед выводами - Закон инерции ( Newton’s first law ) действует в инерциальной системе отсчёта: тело сохраняет прямолинейное равномерное движение, если на него не действует внешняя сила. - Система, связанная с Землей, в обычных условиях считается инерциальной. - Система, связанная с поездом во время его торможения (пуск торможения — это ускорение поезда заднее направление) является неинерциальной. В ней для получения верных результатов нужно вводить фиктивную силу. Задача и принятые допущения - Картина: игрушечный автомобиль стоит на столе внутри вагона поезда, который движется равномерно по прямой. Затем поезд тормозит (его скорость уменьшается по времени). - Условия задачи: автомобиль «без внешнего действия» катится вперёд относительно поверхности земли (то есть мы предполагаем, что на автомобиль не действует горизонтальная внешняя сила и его скорость в системе Земля не меняется в момент торможения поезда). Это допущение и формулировка задачи задают, что в системе земли на автомобиль не действует горизонтальная сила. а) Закон инерции в системе отсчёта, связанной с Землёй - В этом inertial-качестве системе автомобиль имеет начальную скорость v0 (совпадает со скоростью поезда до начала торможения). - При торможении поезда автомобиль “без внешнего действия” продолжает движение с той же самой скоростью v0 по Земле (a_car, Земля, = 0), потому что на него не действует горизонтальная внешняя сила (согласно условию задачи). То есть в системе Земли автомобиль движется прямолинейно и равномерно. - Следовательно, в системе Земли закон инерции выполняется: автомобиль сохраняет равномерное движение (в рамках допускаемой модели) несмотря на то, что поезд тормозит и его скорость уменьшается. - Важное замечание: здесь мы исходили из допущения, что на автомобиль не действует горизонтальная сила (например, трение с полом вагона может передавать ускорение, но условие задачи явно говорит “без внешнего действия”). В реальной жизни трение между автомобилем и полом вагона обычно присутствует и меняет ситуацию. б) Система отсчёта, связанная с поездом, во время торможения - Во время торможения поезда он испытывает ускорение a_train < 0 (направлен назад поезда, если считать движение вперёд как положительное). - В системе отсчёта, связанной с поездом, это неинерциальная система (есть ускорение). В такой системе закон инерции в его простом виде F = ma для тела без фиктивных сил не применяется. - Чтобы использовать законы механики в этой системе, нужно ввести фиктивную (инерциальную) силу F_fictitious = −m a_frame, где a_frame — ускорение самой системы (в нашем случае ускорение поезда a_train). Направление фиктивной силы противоположно ускорению системы. - Применим к нашему случаю: если на автомобиль не действует реальная горизонтальная сила (F_real = 0), то в системе поезда сумма реальных сил плюс фиктивная сила равна m a_rel: F_real + F_fictitious = m a_rel. Так как F_real = 0 и F_fictitious направлена вперёд (при торможении поезд имеет ускорение назад), мы получаем a_rel = F_fictitious / m > 0, т.е.Car будет ускоряться вперёд относительно поезда. - Практически это значит: в вагоне во время торможения автомобиль будет двигаться вперёд относительно пола вагона (к фронтальной части вагона), если трение с полом вагона не слишком велико и не удерживает автомобиль на месте. - Если же имеется достаточное сцепление (трение) между автомобилем и полом вагона, то сила трения может компенсировать фиктивную силу и автомобиль останется неподвижным относительно вагона. Но в общем случае и по условию задачи, где говорят, что автомобиль “покатился вперёд”, в неинерциальной системе поезда он действительно будет двигаться вперёд относительно вагона в силу фиктивной силы. в) Можно ли считать инерциальной систему отсчёта, связанную с землёй; с поездом? - Система отсчёта, связанная с Землёй: да, приблизительно инерциальная. В рамках задач по механике на обычной планете земной гравитации Земля считается инерциальной, если не учитывать некие очень большие вращения Земли или глобальные ускорения. - Система, связанная с поездом во время торможения: неинерциальная, потому что поезд имеет ускорение. В такой системе прямой закон F = ma в своей базовой форме не выполняется; нужен фиктивный фактор силы. - Замену можно: любую систему, которая движется с постоянной скоростью относительно инерциальной системы, можно считать инерциальной (Галилеевская относительность). Но во время торможения поезда эта условность нарушается, и поездная система не является инерциальной. Итоговые выводы - а) В системе отсчёта, связанной с Землёй: да, закон инерции выполняется (при условии, что на автомобиль не действует горизонтальная внешняя сила). Автомобиль сохраняет скорость относительно Земли во время торможения поезда. - б) В системе отсчёта, связанной с поездом во время его торможения: неинерциальная система. Чтобы описывать движение автомобиля в ней, нужно учитывать фиктивную силу −m a_train. В этой системе автомобиль будет стремиться двигаться вперёд относительно поезда (если реальных сил на него нет), и движение будет зависеть от силы трения между автомобилем и полом вагона (если трение велико — может не двигаться относительно поезда; если трение слабое — двигаться вперёд). - Можно ли считать инерциальной системой отсчёта связанной с землёй; с поездом? Земля — да, инерциальная (приближённо). Поезд — нет во время торможения; только до начала торможения (когда скорость постоянная) поездная система можно считать инерциальной. Если хотите, могу привести короткий пример с числами (начальная скорость v0, тормозной коэффициент a_train, масса m, коэффициент трения μ) и нарисовать динамику в обеих системах.