Что такое инерциальная система отсчета (ИСО)?

Самое распространенное определение инерциальной системы отсчета дает Википедия:

Инерциальная система отсчёта (ИСО) – система отсчёта, в которой все свободные тела движутся прямолинейно и равномерно либо покоятся.

В той же Википедии дают и такое определение:

В классической физике и специальной теории относительности инерциальная система отсчета - это система отсчета, которая не подвергается ускорению.

Видите какое нелепое первое определение. Что в этой системе отсчета тела не могут двигаться с ускорением или криволинейно? Ну где вы найдете такую систему отсчета, в которой бы вы сидели и не имели права или возможности подняться и куда-нибудь пойти? Нет таких систем. А вот сами такие инерциальные системы отсчета существуют и их относительно бесконечное множество.

Вы сейчас читаете данный текст, возможно, на компьютере, стоящем на столе. Поставьте на экране монитора в любом месте точку. От этой точки вы можете замерить расстояние до определенной точки стула на котором вы сидите, до стула, который стоит в углу, до угла комнаты, до потолка, до окна и так далее. В общем, от выбранной вами точки отсчета, вы можете определить расстояние до любой точки в вашей комнате. И не только в комнате, но и на улице до соседнего дома, дерева, дороги, озера и так далее. А если есть необходимость и возможность, то определите расстояние до Калуги, если вы в Москве, или Лондона и даже до Луны и всего чего угодно.

Эта точка на экране вашего монитора и есть мудреная инерциальная система отсчета (ИСО). Чтобы легче определять расстояния от этой точки вы можете провести мысленную (а можно и длинные линейки или шесты) линию от этой точки вверх-низ, право-лево и вперед-назад, поставить на этих линиях перпендикуляры и продолжить их до требуемой точки стула, пола, дерева на улице, Луны или любого объекта, расстояние к которому вы хотите определить. Так у вас получились Декартовы координаты. Так вы построили ИСО.

Если вам эта ИСО по каким-то причинам стала неудобной, вы можете эту точку с координатами перенести на стол или лучше в угол комнаты, там проще представлять или устанавливать координаты. И теперь можете расстояния измерять от этой точки до всех же точек, как и в первом случае. Но если в первом случае вы уже много чего на мерили и вам не охота по новой ползать с рулеткой или другими измерительными приборами по измеренным точкам, то вы можете в предыдущей ИСО, точки на экране, измерить расстояние до другой ИСО, точки в углу комнаты, и теперь, если у вас есть координаты точки пола в старых координатах, то прибавляя или убавляя величины координат новой ИСО, вы получите координаты пола в этой новой ИСО. Вам не нужно будет что-то физически измерять. И так по всем объектам, при условии, что все стоит или движется прямо с постоянной скоростью.

Такое измерение места положения другой ИСО, при помощи координат первой ИСО, называют преобразование координат. Преобразование координат относится только к самим системам отсчета, а координаты событий появляются в результате использования этих преобразований.

Как вы сами понимаете, в вашей ИСО объекты могут как покоиться, так и двигаться с любыми скоростями, ускорениями и по любым траекториям. Главное, чтобы ваша точка с координатами не ускорялась, а стояла на месте или двигалась равномерно и прямолинейно. Понятно, что точка так может двигаться только вместе с экраном, компьютером, комнатой, двором, Землей и так далее.

Представьте, что наша Земля плоская, как диск. Если она покоиться или движется прямолинейно и равномерно, то вы можете по ней спокойно ходить, плавать, да хоть танцевать, в любом месте, стоять где хотите, в общем жить нормальной жизнью в какой угодно точке. Это и есть инерциальная система отсчета. Но как только этот диск завращается, наша жизнь изменится. В самом центре диска нам еще можно будет жить по-прежнему, а вот чем дальше от центра, тем больше надо нам и окружающему миру изменяться. Чтобы мы не падали, нам нужно наклонятся, ходить расставил ноги по радиусу или вообще встать на четвереньки, следует изменить силу трения между подошвами наших ботинок и опорой или изменить гравитацию и тому подобное.

Так наша инерциальная система отсчета превратилась в неинерциальную систему отсчета. Расстояние в этой системе от любой точки этой системы, до нужного объекта измеряется уже по-другому. Оно является переменной величиной и его можно выразить только какой-то функцией, зависящей от скорости вращения этой системы и расположения точки от оси вращения. Как не странно, но мы как раз и живем в такой неинерциальной системе и в то же время мы живем и в инерциальной системе. Если точку ИСО разместить в центре Земли, то мы вращаемся вокруг этой точки с ускорением. Нам кажется, что мы вращаемся с постоянной скоростью и никакого ускорения не ощущаем, такого как на карусели или при резком повороте автомобиля. Но это не так. Действительно величина вектора скорости не меняется, но его направление меняется постоянно. Если бы направление скорости не менялось, мы бы улетели с Земли по касательной. Центростремительная сила непрерывно тянет нас к оси вращения, создавая ускорение, но эта сила тут же уравновешивается центробежной силой.

С другой стороны, если мы выберем точку отсчета на поверхности Земли, то получим инерциальную систему. Никаких принудительных ускорений не наблюдается. Мы может создавать их сами для себя, но это не внешние условия из-за вращений или любых других действий ИСО, приводящих к возникновению ускорений.

Получается такая картина: явления инерционности или неинерционности понятия относительные и мы вправе выбирать, какая система нужна в данном случае. Если нам необходимо вывести на орбиту, как можно подешевле, спутник, то следует выбирать точку отсчета как можно ближе к экватору, чтобы использовать скорость вращения Земли. А полисмену с радаром выгодней всего выбирать точку отсчета в кустах, так чтобы видеть дорогу в обе стороны. Так выгода получается максимальной.