РУҚА
Тапсырмалар № 28, 29 · ЕГЭ

Энергия в неинерциальной системе

Как записывать работу сил и энергию в системе отсчёта, которая движется с ускорением
6 мин чтенияҚиындық: Обновлено 27 қыркүйек 2026

В инерциальной системе отсчёта закон сохранения механической энергии применяют, если работа неконсервативных сил равна нулю. В ускоренной, то есть неинерциальной, системе отсчёта к реальным силам добавляют силы инерции; их работа также должна быть учтена в уравнении энергии.

Основная идея

Система отсчёта называется неинерциальной, если она движется относительно инерциальной системы с ускорением или вращается. Например, такой системой может быть лифт, разгоняющийся вагон, автомобиль, который тормозит, или вращающаяся платформа. Подробно понятие силы инерции рассматривается на странице «Сила инерции».

D
Неинерциальная система отсчёта

Это система отсчёта, в которой свободное тело может двигаться с ускорением. Чтобы второй закон Ньютона имел обычный вид, в такой системе вводят силы инерции.

T
Правило жазбалар второго закона Ньютона

В неинерциальной системе сумма реальных сил и сил инерции равна произведению массы тела на его ускорение относительно этой системы: \(\sum \vec F_{\text{реал}}+\sum \vec F_{\text{ин}}=m\vec a'\). Здесь \(\vec a'\) — ускорение тела относительно ускоренной системы.

Если поступательная система движется с ускорением \(\vec a_0\) относительно инерциальной, то сила инерции для тела массы \(m\) равна

\[\vec F_{\text{ин}}=-m\vec a_0\]

Знак «минус» означает, что сила инерции направлена противоположно ускорению самой системы. Важно: сила инерции не является взаимодействием тела с другим телом. Она появляется из-за выбора ускоренной системы отсчёта.

\(m\)
масса
кг
\(a_0\)
ускорение системы
м/с²
\(A\)
работа силы
Дж
\(E\)
механическая энергия
Дж

Энергетическое уравнение в ускоренной системе

Теорема о кинетической энергии сохраняет вид: изменение кинетической энергии равно работе всех сил, действующих в выбранной системе. Поэтому в неинерциальной системе нужно включить в работу не только реальные силы, но и силы инерции.

\[\Delta E_k=A_{\text{реал}}+A_{\text{ин}}\]1

Если реальные консервативные силы, например сила тяжести или сила упругости, заменить потенциальной энергией, то уравнение можно записать так:

\[E_k+E_p-A_{\text{неконс}}-A_{\text{ин}}=\text{const}\]

Здесь \(A_{\text{неконс}}\) — работа реальных неконсервативных сил, например силы трения. Работа силы инерции может быть представлена как изменение дополнительной потенциальной энергии, если ускорение системы постоянно и направлено вдоль выбранной оси.

T
Энергия в поступательно ускоренной системе

Если система движется поступательно с постоянным ускорением \(a_0\), то сила инерции постоянна: \(F_{\text{ин}}=ma_0\). Для перемещения \(\Delta x\) вдоль её направления работа равна \(A_{\text{ин}}=-ma_0\Delta x\). Её можно учесть как изменение эффективной потенциальной энергии.

\[U_{\text{ин}}=ma_0x\]

Если ось \(x\) направлена в сторону ускорения системы, то \(F_{\text{ин}}=-ma_0\), а потенциальная энергия силы инерции возрастает при увеличении \(x\). При движении в противоположную сторону работа силы инерции положительна, и кинетическая энергия увеличивается.

xmNmga₀Fин
Тело в системе, ускоряющейся вправо: сила инерции направлена влево.

Эффективная сила тяжести

В лифте или кабине, движущейся вертикально с ускорением, сила инерции направлена вертикально. Поэтому сила тяжести и сила инерции могут складываться или вычитаться. Удобно вводить эффективное ускорение свободного падения.

\[\vec g_{\text{эфф}}=\vec g-\vec a_0\]

Если лифт ускоряется вверх с ускорением \(a\), то сила инерции направлена вниз, и \(g_{\text{эфф}}=g+a\). Если лифт ускоряется вниз, то \(g_{\text{эфф}}=g-a\). При свободном падении кабины \(a=g\), поэтому \(g_{\text{эфф}}=0\): внутри кабины возникает состояние невесомости.

Запомните

В лифте при ускорении вверх вес тела увеличивается, при ускорении вниз уменьшается. Это не означает, что масса тела изменилась: меняется сила реакции опоры.

Проверь себя

Лифт ускоряется вниз с ускорением \(a<g\). Каково эффективное ускорение свободного падения внутри лифта?

Разобранный пример: скольжение в ускоряющемся вагоне

Брусок массой \(m\) находится на гладком горизонтальном полу вагона. Вагон ускоряется вправо с постоянным ускорением \(a_0\). Брусок получает относительно вагона начальную скорость \(v_0\) влево. Найдём путь до остановки бруска относительно вагона.

№
Дано

Трение отсутствует; вагон ускоряется вправо; начальная скорость бруска относительно вагона направлена влево. Нужно найти расстояние \(s\), которое брусок пройдёт до остановки.

1
Переходим в систему вагона. В ней на брусок по горизонтали действует только сила инерции, направленная влево.
\(\displaystyle F_{\text{ин}}=ma_0\)
2
Выбираем ось \(x\) влево, то есть по направлению движения бруска и силы инерции. Тогда ускорение относительно вагона равно \(a_0\).
\(\displaystyle a'=a_0\)
3
Используем формулу кинематики для движения до остановки: конечная скорость равна нулю, начальная скорость равна \(v_0\).
\(\displaystyle 0=v_0^2-2a_0s\)
4
Выражаем путь.
\(\displaystyle s=\frac{v_0^2}{2a_0}\)

Тот же результат можно получить через энергию. При движении влево сила инерции совершает положительную работу, поэтому кинетическая энергия не исчезает сама по себе: она увеличивается. Но выбранное направление требует аккуратного знака скорости и ускорения. Проще выбрать ось по движению и применить теорему о кинетической энергии.

\[\Delta E_k=A_{\text{ин}}=ma_0s\]

Если брусок в начальный момент движется влево, а сила инерции тоже направлена влево, он не остановится. Поэтому в условии «начальная скорость влево» тело не имеет остановки в системе вагона: его скорость по модулю возрастает. Остановка возможна, если брусок бросили вправо, навстречу силе инерции. Тогда \(A_{\text{ин}}=-ma_0s\) и

\[0-\frac{mv_0^2}{2}=-ma_0s,\qquad s=\frac{v_0^2}{2a_0}\]
!
Важная проверка направления

В разобранной задаче сила инерции направлена противоположно ускорению вагона. Если тело движется по силе инерции, работа положительна и остановки не будет. Если тело движется против силы инерции, работа отрицательна и оно может остановиться.

Алгоритм шешімдер тапсырма

  1. Укажите систему отсчёта и проверьте, является ли она ускоренной.
  2. Нарисуйте реальные силы: тяжесть, реакцию опоры, натяжение, трение и другие.
  3. Добавьте силу инерции \(\vec F_{\text{ин}}=-m\vec a_0\).
  4. Выберите ось или направление перемещения и определите знак работы каждой силы.
  5. Запишите \(\Delta E_k=\sum A\) либо закон сохранения полной энергии с учётом работы силы инерции.
  6. Проверьте размерность, знак результата и предельные случаи: \(a_0=0\), отсутствие трения, свободное падение.
!
Частые ошибки

1. Силу инерции направляют по ускорению системы, а не противоположно ему. 2. Учитывают силу инерции в уравнении Ньютона, но забывают её работу в энергетическом уравнении. 3. Считают силу инерции реальной силой взаимодействия. 4. Путают ускорение системы \(a_0\) с ускорением тела относительно системы \(a'\). 5. Без проверки направления движения утверждают, что тело обязательно остановится.

Связь с законом сохранения энергии

В инерциальной системе удобнее применять обычный закон сохранения энергии в механике. При наличии трения работа силы трения уменьшает механическую энергию; способ учёта этой работы разобран в теме «Работа и энергия при движении». В неинерциальной системе к этому правилу добавляется работа силы инерции. Если система вращается, могут появиться центробежная и кориолисова силы; для школьных задач чаще рассматривают поступательное ускорение и лифт.

Q
Жылдам тест по теме

Быстрая проверка

~ 2 мин4 вопроса
Вопрос 1 / 4
Вопрос 1 из 4 · направление силы инерции
Куда направлена сила инерции в системе, ускоряющейся вправо?
Главное за минуту

Главное

  • В неинерциальной системе к реальным силам добавляют силу инерции \(\vec F_{\text{ин}}=-m\vec a_0\).
  • Работа всех сил, включая силу инерции, определяет изменение кинетической энергии: \(\Delta E_k=\sum A\).
  • При постоянном ускорении системы силу инерции можно описывать дополнительной потенциальной энергией \(U_{\text{ин}}=ma_0x\).
  • В вертикально ускоренной системе используют эффективное ускорение \(\vec g_{\text{эфф}}=\vec g-\vec a_0\).
  • Басты бет проверка шешімдер — направление силы инерции и знак её жұмысы.