4.1 Referansesystemer

referansesystem

FIGUR 4-1

Kan guten finne ut om togvogna beveger seg? Romulus seier at han såg eit lyn slå ned framme i romskipet før eit lyn slo ned bakarst i romskipet, mens Jorid seier at lyna slo ned framme og bak samtidig. Kva er det som skjer her? Kan du tenkje deg ein situasjon der dette er mogleg?

I dette kapittelet skal vi sjå på korleis fysikklovene fungerer ved hastigheiter som er mykje høgare enn dei vi har erfaring med frå vår eigen kvardag. Det viser seg at vi må utvide lovene vi kjenner, for å ta omsyn til effektar som først blir viktige når farten er svært høg. Desse nye, utvida lovene har konsekvensar som du nok vil synast strir mot all fornuft – men hugs at fornufta di er basert på erfaringar med låge hastigheiter!

4.1 Referansesystem

For å kunne beskrive rørsler i rommet matematisk må vi først definere eit koordinatsystem. Når vi har valt kvar origo skal vere, kan vi beskrive rørsla til ulike objekt i koordinatsystemet. Vanlegvis oppfattar vi det som om origo ligg i ro, altså på same stad på jorda heile tida. Vi skriv «oppfattar» her, for når vi tenkjer etter, veit vi at jorda roterer, både rundt sin eigen akse og rundt sola. Dette viser at det er fullt mogleg å velje origo slik at heile koordinatsystemet beveger seg sett frå eit anna koordinatsystem, til dømes dersom vi legg eit koordinatsystem med origo i sola i staden for på jordoverflata.

Generelt kallar vi eit koordinatsystem der vi gjer målingar, eit referansesystem. Du har kanskje høyrt uttrykket alt er relativt? Då meiner vi gjerne at korleis noko blir oppfatta, er avhengig av ståstaden til den som oppfattar det, og at ulike syn er likeverdige. Dersom vi ser på to ulike referansesystem, seier vi at dei beveger seg relativt til kvarandre dersom det eine har fart i forhold til det andre. Dei to referansesystema er likeverdige. Vi kan ikkje avgjere kva for eit system som beveger seg i forhold til det andre, for dersom system A beveger seg med ein fart v vekk frå system B, kan vi like gjerne sjå det som at system B beveger seg vekk frå system A med ein fart –v. Sagt på ein annan måte: Det finst ikkje noko punkt som er i absolutt ro, og som vi kan bruke som referansepunkt. All rørsle av objekt kan berre definerast relativt til andre objekt. Ingen målingar som er gjorde i eitt system, er rettar enn målingar som er gjorde i eit anna system som beveger seg relativt til det første systemet.

Tenk deg at du er inne i ei togvogn utan vindauge. Kan du avgjere om toget akselererer, beveger seg med konstant fart eller står i ro?

Eit referansesystem kan vere akselerert sett frå eit anna system, det vil seie at farten til det eine referansesystemet endrar retning og/eller storleik sett frå det andre referansesystemet. Dersom vi til dømes legg eit koordinatsystem i ro på bakken, kan vi måle at togvogna akselererer i forhold til dette koordinatsystemet.

FIGUR 4-2

Sett frå jordoverflata vil luft som strøymer frå nordpolen og sørover mot ekvator, sjå ut som om ho blir bøygd av mot vest fordi jordoverflata roterer under luftstraumen.

tregleikssystem

Og dersom vi legg eit koordinatsystem på golvet inne i vogna, vil dette systemet vere akselerert i forhold til koordinatsystemet på bakken. Tenk deg at vi legg ei kule på golvet inne i vogna, og at kula begynner å trille bakover i vogna. Dersom vi sit inne i vogna, ser det ut som om kula trillar bakover heilt av seg sjølv, altså at det verkar krefter utan ytre årsaker, i strid med Newtons 1. lov. Dersom vi ser det utanfrå, ser det ut som om kula held seg i ro mens vogna beveger seg framover under kula. Dette viser at det faktisk er mogleg å utføre forsøk som kan avgjere om vi er i eit akselererande referansesystem eller ikkje: Vi kan observere om lekamar beveger seg som om det verkar krefter utan ytre påverknad.

Eit anna døme på eit referansesystem som er akselerert sett frå eit anna system, er den såkalla corioliseffekten som – sett frå vår ståstad på jordoverflata – får vindsystem til å dreie seg. Eigentleg er det jorda som roterer under lufta, og det er derfor store stormsystem får den karakteristiske spiralforma med eit auge i midten. Normalt sett er denne effekten så liten at vi ser bort frå han når vi reknar med rørsler som skjer på jordoverflata.

Dersom toget akselererer, begynner kula å trille av seg sjølv. Dersom toget derimot beveger seg med konstant fart i forhold til bakken, vil kula bli liggjande i ro, og ho vil òg bli liggjande i ro når toget står stille. Newtons 1. lov gjeld både i eit referansesystem som ligg i ro på bakken i forhold til toget, og i eit referansesystem der origo følgjer toget med konstant fart. System der Newtons 1. lov gjeld, er ikkje akselererte, og dei har fått sitt eige namn. Vi kallar dei tregleikssystem. Vi pleier å rekne som om dei referansesystema vi definerer som i ro på jordoverflata, er tregleikssystem. Eigentleg er dei akselererte system, men effektane av rotasjonsrørslene til jorda er så små at vi ser bort frå dei. Alle dei fysiske lovene du har lært, fungerer på akkurat same måten i alle tregleikssystem. Når ulike observatørar gjer målingar i det same eksperimentet ut frå ulike tregleikssystem, kan dei ha ulike talverdiar for ein storleik (til dømes farten), men utrekningar av til dømes energibevaring og bevaring av rørslemengd vil gi same resultat i alle system.