Erreferentzia-sistema

Fisikan, erreferentzia-sistema esatean, kontzeptuen multzo bat adierazi nahi da, puntu materialak non dauden eta bertako gertaerak noiz jazotzen diren zehazteko balio duena. Objektuen posizioa edo higidura deskribatu eta analitikoki aztertzeko, behar-beharrezkoa da aldez aurretik erreferentzia-sistema bat definitzea espazioan.

Erreferentzia-sistemen osagaiak 
Fisikan erabiltzen diren erreferentzia-sistemek hiru osagai nagusi dituzte: behatzailea, koordenatu-sistema eta erlojua.

Gertaera fisikoak neurtzeko gai den behatzailea 
Sistema osoan presente dagoen behatzaile berezi bat behar da, , neurketa espazio-denboralak egiteko. Izatez, behatzaile hori omnipresentea (toki guztietan dagoena) eta ahalguztiduna (edozer egiteko gai dena) dela imajinatuko dugu, “jainko” moduko bat, aldiune guztietan espazioko puntu guztien posizio espazio-denboralak neurtzeko gai izango dena. Neurketa horiek eginez, behatzaileak unibertsoko objektuen higidurei erreferentzia-sistema horretan dagozkien magnitude zinematikoak definitu ahalko ditu.

Puntuak espazioan kokatzeko koordinatu-sistema 
Koordenatu-sistemak espazio tridimentsionaleko zenbait elementu geometrikoz daude osatuta. Lehenik eta behin, espazioko puntu bat definitzen da, zeinari jatorria deritzon eta  sinboloaz adierazten den. Puntu horretatik abiatuta, jatorritiko distantzia metrikoak adierazten dituzten hiru lerro kontsideratzen dira, espazioko hiru norabide nagusitan: horiexek dira espazio tridimentsionaleko ardatz koordenatuak. Horietan oinarriturik, behatzaileak puntu materialen koordenatuak neurtuko ditu, ardatz bakoitzaren norabidean jatorritik punturainoko distantziak neurtuz. Horrela, unibertsoko puntu bakoitzean eta aldiune bakoitzean partikulak duen posizioa adieraziko du, hiru zenbakiren bitartez. Zenbaki horiek dira puntuaren koordenatuak, puntuaren posizio zehatza adierazten dutenak. Adibidez, koordenatu kartesiarren kasuan, hiru zenbakiok  sinboloez idazten dira. Beraz, puntuaren  posizioa  hirukotearen bidez adierazten da.

Gertaerak noiz jazotzen diren neurtzeko erlojua 
Erreferentzia-sistemak behar du, baita ere, espazioko puntu guztietako gertaerak noiz jazotzen diren neurtzeko erloju berezi bat. Erloju hori, izatez, erloju multzo bat da, honelaxe imajina dezakeguna praktikan: puntu guztietan erloju bat dago, eta erloju horiek guztiak elkarrekin sinkronizaturik daude. Horrela izanik, ordu bakarra izango dugu erreferentzia-sistema osoan.  Eta sinkronizazio horri esker, behatzaileak sistemako denbora neurtuko du edozein puntutan, eta gertakari fisiko bakoitza zein aldiunetan jazo den zehaztu ahalko du. Aldiune bakoitzeko denbora sinboloaz idatziko den zenbaki batez adieraziko da.

Mekanika newtondarreko koordenatu-sistemen ezaugarriak 
Jarraian ikusiko dugunez, mekanika newtondarrean erabiltzen diren erreferentzia-sistemek zenbait ezaugarri berezi dituzte koordenatuen osaerari dagokionez, baita denboraren eta espazioaren neurketei dagokienez ere.

Koordenatu-sistemetako ardatzak 

Fisikan, mota desberdinetako koordenatu-sistemak erabiltzen dira, aztergai den fenomeno fisikoak dituen ezaugarri geometrikoak kontuan hartuta. Sistema guztiak baliokideak dira fisikaren ikuspuntutik, baina, problemaren simetriaren arabera, kalkulu analitikoak erraztu egiten dira sistema egokia aukeratzean. Hiru dimentsioko espazio fisikoan ari garenez, espazioko puntu bakoitzaren posizioa zehazteko, hiru zenbaki edo parametro behar dira: puntuaren hiru koordenatuak.

Mekanika newtondarrean gehien erabiltzen diren sistemak aipatuko ditugu jarraian, puntu bakoitzeko ardatz koordenatuak nola definitzen diren azalduz. Sistema hauek guztiak ortogonalak dira; horrek esan nahi du, puntu bakoitzeko hiru ardatz koordenatuak elkarren perpendikularrak direla. Bestalde, ardatz koordenatuak binaka harturik, puntu bakoitzeko gainazal koordenatuak lortzen dira. Gainazal horiek bi dimentsioko objektu geometrikoak dira, batzuetan lauak (planoak) eta besteetan kurbadunak (zilindroak, konoak, esferak…).

Koordenatu-sistema kartesiarra 
Sistema kartesiarra da sinpleena, espazio euklidearretan gehien erabiltzen dena eta beste sistemen zehaztapenerako baliagarria dena. Ardatz koordenatuak jatorritik pasatuz elkarrekiko perpendikularrak diren hiru lerro zuzen dira (  ardatzak), eta espazioko puntu bakoitzari dagozkion koordenatuak jatorritik  punturako distantzien proiekzio ortogonalen luzerak dira,  koordenatuak. Korrdenatu kartesiarrak erabiliz gero, honelaxe adierazten dira bektorea eta  distantzia:

Puntu bakoitzean, sistema kartesiarretako gainazal koordenatuak hiru plano dira, elkarrekiko perpendikularrak, jatorriko hiru plano koordenatuen paraleloak direnak, banaka harturik. Horien arteko ebakidurak hiru lerro zuzen dira,  puntutik pasatzen direnak eta elkarrekiko perpendikularrak direnak; horiexek dira  puntutik pasatzen diren hiru ardatz koordenatuak: Ardatz koordenatuen norabideetako bektore unitarioak berberak dira espazioko puntu guztietan:  edo . Kordenatu kartesiarretako bektore unitarioek balio berbera dute espazioko puntu guztietan. Askotan, horrek erraztu egiten ditu kalkuluak 

Mota honetako koordenatuak erabili zituen lehena René Descartes (1596-1650) izan zen, eta horregatik deitzen dira “kartesiarrak”.

Koordenatu-sistema zilindrikoa 
Honelaxe definitzen dira sistema zilindrikoaren gainazal koordenatuak eta  puntuko koordenatuak, jatorri bereko sistema kartesiarrean oinarriturik.

 Lehenengo gainazal koordenatuak  ardatzaren inguruko  erradiodun zilindroak dira. Erradio horren balioa da sistema honetako lehenengo koordenatua, eta hortik datorkio sistemari “zilindrikoa” deitzea. Lehenengo ardatz koordenatua erradioaren norabideko lerro zuzen horizontala da: Norabide horretako bektore unitarioa  da.
 Bigarren gainazal koordenatua hauxe da:  ardatza barnean edukirik  plano bertikalarekin  angelua osatzen duen plano bertikala. Bi plano horien arteko  angelua da, hain zuzen, sistema honetako bigarren koordenatua. Eta puntuko bigarren ardatz koordenatua  da. Norabide horretako bektore unitarioa  da.
 Hirugarren gainazal koordenatua  puntutik pasatzen den plano horizontala da. Sistemako hirugarren koordenatua plano horren altuera kartesiarra da: . Eta ardatz koordenatua puntutik pasatzen den lerro zuzen bertikala da: Norabide horretako bektore unitarioa  da.

Kasu honetan, honelaxe adierazten dira  bektorea eta  distantzia hiru koordenatu zilindrikoen bidez: Bestalde, ikus daitekeenez, lehenengo bi bektore unitarioak aldatu egiten dira puntutik puntura.

Koordenatu-sistema esferikoa 
Sistema esferikoaren gainazal koordenatuak eta  puntuko koordenatuak honakoak dira, jatorri bereko sistema kartesiarrean oinarriturik.

 Lehenengo gainazal koordenatuak  puntuan zentraturiko  erradiodun esferak dira. Erradio horren balioa da sistema honetako lehenengo koordenatua, eta hortik datorkio sistemari “esferiko” deitzea. Lehenengo kordenatua erradio hori da, , eta berari dagokion ardatz koordenatua puntutik eta jatorritik pasatzen den norabideko lerro zuzen erradiala da: 
 Bigarren gainazal koordenatua hauxe da: erpina jatorrian eta ardatza  ardatzean daukan konoa,  ardatzarekin  angeluko irekiera duena. Hain zuzen  angelua da sistema honetako bigarren koordenatua. Eta puntuko bigarren ardatz koordenatua honako hau da: puntua eta  ardatza barnean dauzkan plano bertikalaren eta esferaren arteko ebakidura, hots, jatorrian zentraturiko zirkunferentzia bertikala: . Norabide horretako bigarren bektore unitarioa  da.
 Hirugarren gainazal koordenatua hauxe da:  ardatza barnean daukan eta planoarekin  angelua osatzen duen plano bertikala. Plano horren eta planoaren arteko  angelu diedroa da, hain zuzen, sistema honetako hirugarren koordenatua. Eta puntuko hirugarren ardatz koordenatua konoaren eta esferaren arteko ebakidura da, alegia,  zirkunferentzia horizontala. Norabide horretako bektore unitarioa  bektore horizontala da.

Kasu honetan, honelaxe adierazten da  bektorea hiru koordenatuen bidez: Bestalde, hiru bektore unitarioak aldatu egiten dira puntutik puntura.

Koordenatu-sistema guztiak baliokideak dira 
Koordenatu-sistema guztiak baliokideak dira fenomeno fisikoak deskribatzeko, eta erlazio zehatzak daude sistema bateko koordenatuen beste sistemetako koordenatuekin erlazionatzeko. Hori dela eta, sistema desberdinetan higidura jakin bat deskribatzen duten ekuazio matematikoak desberdinak izan arren, guztiak dira baliokideak. Kalkuluak egiteko zein sistema aukeratu, hori problemaren simetria geometrikoak kontuan hartuz erabakiko da.

Denboraren eta espazioaren izaera 
Fenomeno fisikoak aztertzeko oinarrizkoak diren denborari eta espazioari ezaugarri berezia du esleitzen zaie.

Denbora absolutua da 
Mekanika newtondarrean, denbora kontzeptu absolutua da. “Absolutua” dela esatean adierazi nahi da, denbora modu berean pasatzen dela erreferentzia-sistema guztietan, eta sistema desberdinetako erlojuek modu berean neurtzen dutela. Alegia, bi puntu desberdinetan jazoriko bi gertaera puntualen arteko denbora-tartea berbera dela edozein erreferentzia-sistematan neurturik; bestela esanda, posible dela erreferentzia sistema guztietako erlojuak sinkronizatzea, eta behatzaile guztiek ordu berbera neurtzea. Besteak beste, horrek esan nahi du denbora-tarteak ez daukala menpekotasunik partikula materialen posizio eta abiadurarekiko.

Espazioa ere absolutua da 
Mekanika newtondarrean espazioa ere kontzeptu absolutua da. Horrekin adierazi nahi da, espazioko puntuak finko daudela, nahiz eta erreferentzia-sistema higitu, eta edozein behatzailek espazioko bi punturen artean neurtutako distantzia berbera izango dela edozein erreferentzia-sistematatik neurtuta.

Denbora eta espazioa independenteki azter daitezke 
Denboraren eta espazioaren absolututasuna onarturik, banandurik azter daitezke bi erreferentzia-sistematako denboraren dimentsioa, , espazioaren hiru dimentsioak, , eta horiei buruko neurketen arteko erlazioak; hots, denbora eta espazioa elkarrekiko independenteak dira mekanika newtondarrean. Hain zuzen ere, denboraren eta espazioaren izaera absolutuari buruz aurreko lerroetan esandakoak laburbiltzeko, kontsidera ditzagun bi gertaera puntual  eta  sistema inertzialen behatzaileen ikuspuntuetatik:

  sisteman lehenengo gertaera  puntuan gertatuko da  aldiunean; bigarren gertaera,  puntuan gertatuko da  aldiunean.
 Bestalde,  sisteman lehenengo gertaera  puntuan gertatuko da  aldiunean; bigarren gertaera,  puntuan gertatuko da  aldiunean.

Denbora absolutua izateak esan nahi du ezen bi gertaera horien arteko denbora-tartea berbera dela bi sistematan neurturik, hau da,

betetzen dela. Halaber, espazioa absolutua izateak esan nahi du ezen bi gertaera jazo diren puntuen arteko arteko distantzia berbera dela bi sistematan neurturik, hau da

dela. Horregatik, denboraren eta espazioaren absolututasuna onarturik, banandurik azter daitezke bi erreferentzia-sistematako denboraren dimentsioa, , espazioaren hiru dimentsioak, , eta horiei buruko neurketen arteko erlazioak; hots, denbora eta espazioa elkarrekiko independenteak dira mekanika newtondarrean.

Mota desberdinetako erreferentzia-sistemak 
Mekanika newtondarrean, Newtonen lehenengo legean oinarriturik, bi motatako erreferentzia-sistemak erabili ohi dira, inertziaren printzipioa betetzen duten ala ez kontuan izanik.

Inertziaren printzipioa eta Galileoren sistemak 

Inertziaren printzipioa betetzen duten erreferentzia-sistemak bereziak direla esan dezakegu, zeren sistema horietan inolako indarren eraginik jasaten ez duen gorputz puntuala higidura zuzen uniformearekin higitzen baita: erreferentzia-sistema inertzialak dira. Sistema hauei Galileoren sistemak ere esaten zaie.

Erreferentzia-sistema ez-inertzialak 
Inertziaren printzipioa betetzen ez dutenei erreferentzia-sistema ez-inertzialak deritze. Sistema ez-inertzialak azelerazioz edo biraka higitzen dira sistema inertzialekiko.

Fisikaren legeen adierazpena baliozkoa izan behar du errefererentzia-sistema guztietan, baina mekanika newtondarrean arazo txiki bat dago, zeren, Newtonen legeak sistema inertzialei baitagozkie bakarrik, bertan agertzen diren indar "errealak" kontuan hartuz gero. Lege horiek sistema ez-inertzialetan ere erabili ahal izateko, inertzia-indarrak gehitu behar izaten dira. Indar horiei indar "irudikari" edo "fiktizio" ere esaten zaie, baina nahitaezkoak dira Newtonen legeak sistema ez-inertzialetan aplikatzeko; horien artean daude indar zentrifugoa eta Coriolis-en indarra, besteak beste.

Adibideak 
Fisika newtondarrean, hiru erreferentzia-sistema hauek erabiltzen dira gehienbat, besteak beste.

Lurreko erreferentzia-sistema 
Sistema hau da fisikan gehien erabiltzen dena, fenomeno fisikoa behatzen ari garen tokian,  puntuan, koka baitaiteke beraren jatorria. Hiru ardatz koordenatuak honako hauek izan daitezke: lehena, hegoalderako norabidea, ; bigarrena, ekialderako norabidea, ; eta hirugarrena, tokiko bertikalaren norabidea, . Gizakiok sistema honetan bizi gara, eta bertoko behatzaileok gara fenomeno fisikoak aztertzen dugunak; berdin dio lurrazaleko zein puntutan gauden esperimentua egiten. Irudietan  sinboloaz adieraziko ddugu

Dakigunez, Lurrak birabetea osatzen du egunean zehar bere ardatzaren inguruan. Biraketa-higidura horri dagokion abiadura angeluarrak balio hau du:

Argi dago, hortaz,  sistema ez dela inertziala. Dena den, abiadura angeluarra hain txikia izanik, lurrazalaren gaineko higidura laburrak aztertzeko, inertzia-indarren efektua txikia da, eta arbuiatu egin daiteke lehenengo hurbilketa batean; ondorioz, horrelako kasuetan Lurreko sistema inertzialtzat hartzen da, hurbilketa modura. Baina higidura luzeak direnean, atmosferako haize-korronteak aztertzean, adibidez, oso kontuan hartu behar izaten da inertzia-indarren eragina kalkuluak egitean.

Erreferentzia-sistema geozentrikoa 
Sistema honen jatorria Lurraren zentroa dago, eta hiru ardatzak oso urruneko izarretarako norabideetan daude orientaturik. Hori dela eta, sistema honek ez du Lurraren biraketarik, baina Lurrarekin batera parte hartzen du Eguzkiaren inguruko higidura eliptikoan (ia zirkularra). Kasu honetan birabetea osatzeko urte bat behar duenez, batez besteko abiadura angeluarra honakoa da:

Agerikoa denez, Lurreko sistemaren abiadura angeluarra baino askoz txikiagoa. Ondorioz, sistema geozentrikoa inertzialtzat har daiteke higidura “ez oso luzeak” aztertu behar direnean, horrela oso hurbilketa ona lortzen baita kalkuluetan. Alboko irudian  eran sinbolizatu dugu.

Erreferentzia-sistema heliozentrikoa (Keplerren sistema) 
Kasu honetan, sistemaren jatorria Eguzkiaren zentroan dago, eta ardatzak, sistema geozentrikoan bezala daude definiturik, alegia, haiekiko paraleloak baitira. Zehaztasun handiz, sistema helizentrikoa inertziala dela kontsidera daiteke, zeren Eguzkiak galaxiaren zentroarekiko biraketan duen abiadura angeluarra oso-oso txikia baita. Sistema hau  sinboloaz adierazi dugu.

Mekanika erlatibistako erreferentzia-sistemen ezaugarriak 
Orain arte aipatu duguna XIX. mendean fisikariek intuitiboki onartzen zuten fisikako espazio-denbora newtondarra izan da, zeinean independenteki aztertzen ziren espazioa eta denbora, biak ala biak absolutuak izanik. Baina XX. mendearen hasieran erlatibitatearen teoria berezia plazaratzean, abiadura handien kasuan suposizio hori egokia ez zela konturatu ziren fisikariak. Izan ere, mekanika erlatibistan denbora eta espazioa hertsiki erlazionaturik daude eta ez dira jadanik absolutuak. Hori dela eta. espazio-denbora kontzeptu bakarra erabili behar da, espazio tetradimentsionala bere osotasunean kontsideratuz

Erlatibitatearen teoria berezian, ezin da definitu erreferentzia-sistema batean neurketa denboralak neurtzeko balio duen erloju bakar bat. Aitzitik, puntu bakoitzean erloju bat kontsideratu behar da eta erloju horiek guztiak elkarrekin sinkronizaturik egon behar dute, argi-seinaleen bitartez. Horretarako, kontuan eduki behar da argiaren abiaduraren postulatua, zeinaren arabera abiadura berberaz higitzen den sistema inertzial guztietan. Eta postulatu hori onartuz gero, aldiberekotasuna eta sinkronizazioa erlatiboak direla ondorioztatzen da, erreferentzia-sistemaren araberakoa. Horrek ondorio bereziak dauzka, mekanika newtondarrean harrigarriak zirenak:

 Sistema inertzial batean aldi berean gertatzen diren bi gertaera puntual ez dira aldi berean gertatzen beste sistema batean. Denbora erlatiboa da, hots, erreferentzia-sistemaren araberakoa. Bestela esanda, elkarrekiko higitzen ari diren bi sistema inertzial ezin dira elkarrekin sinkronizatu, ez baitute denbora berbera adierazten.
 Antzera gertatzen da objektuen luzerekin. Objektuaren luzera geldi dagoen erreferentzia-sistema batean neurtzean eta luzera berbera luzeraren norabidean higitzen ari den beste sistema batean neurtzean, emaitza desberdinak lortzen dira. Bestela esanda, espazioa ere erlatiboa da, erreferentzia-sistemaren araberakoa.

Aldaezin espazio-denborala 
Nolanahi dela, denboraren eta espazioaren erlatibotasun horiek hertsiki lotuta daude, eta biak batera kontuan harturik magnitude berri batek balio berbera hartzen du sistema inertzial guztietan. Magnitude horrek gertaera puntualen arteko distantzia espazio-denborala definitzen du erlatibitateko espazio tetradimentsionalean. Honelaxe definitzen dena edozein sistematan  eta  gertaera puntualen arteko distantzia espazio-denboralaren karratua:

Adierazpen horretan  sinboloak argiaren abiadura adierazten du. Erlatibitate berezian, magnitude hori aldaezina da. Horrek esan nahi du ezen bi gertaera puntual horien arteko distantzia espazio-denborala  eta  sistema inertzialetatik kalkulatzean, kasu bietan distantzia berbera neurtuko dela:

Aldaezin espazio-denboralak erlatibitate bereziko espazio tetradimentsionalaren bi punturen arteko "distantzia" adierazten du, edo, beste hitz batzuekin esanda, Minkowskiren espazioaren metrika ez-euklidearra definitzen du.

Erreferentziak

Bibliografia 

 Fisika Orokorra, UEU, 2003, 
 Fishbane, Paul (2008) Fisika zientzialari eta ingeniarientzat. 1. bolumena, (1.etik-21.era Gaiak) Universidad del País Vasco/Euskal Herriko Unibertsitatea ISBN9788490820308PMC932800438.
 J.R. Etxebarria & F. Plazaola (1992) Mekanika eta Uhinak , UEU,

Ikus, gainera 
 Erreferentzia-sistema inertzial
 Erreferentzia-sistema ez inertzial
 Indar zentrifugo
 Coriolisen indar
 Teoria geozentrikoa
 Teoria heliozentrikoa
 Zinematika
 Dinamika

Kanpo estekak 

Zinematika
Prospekzioak
Erreferentzia-sistemak