Eylemsiz referans çerçevesi

Fizikte, eylemsiz referans sistemi, zamanı ve uzayı homojen ve izotropik olarak zamandan bağımsız bir şekilde tanımlanan referans sistemidir.
Tüm eylemsizlik sistemleri, sıfır ivmelenmenin olduğu sabit ve doğrusal bir hareket içerisindedir. Bir eylemsizlik sisteminde yapılan ölçümler basit bir dönüşümle diğer sistemlerdeki ölçümlere dönüştürülebilir (Newton fiziğindeki Galile dönüşümü ve Özel rölativitedeki Lorentz dönüşümü). Genel görelilikte uzay-zaman eğrisi için yeterince küçük olan bir bölge ihmal edilebilir, bir dizi eylemsizlik sistemleri bu bölgeyi açıklayabilir.
Fiziksel yasalar tüm eylemsizlik sistemlerinde aynı formu alırlar. Buna karşın, eylemsiz olmayan referans sistemlerinde, fizik yasaları sistemin ivmelenmesine bağlı olarak değişiklik gösterir ve olağan fizik kuvvetleri gerçek olmayan kuvvetlere eklenmelidir. Örneğin, yere düşen bir top gerçekten de düz bir şekilde aşağı gitmez çünkü dünya dönüyor. Dünya üzerinde dönen kişiler Coriolis etkisini hesaba katmalıdır. Yani yatay bir hareketi tahmin etmek için bir kuvvetin varlığı kabul edilmelidir. Dönen referans sistemlerindeki gerçek olmayan kuvvetlerle ilgili diğer bir örnek merkezkaç etkisidir.
Giriş
Bir cismin hareketi sadece başka cisimlere, gözlemcilere veya uzay zaman koordinatlarına göre tanımlanabilir. Bunlara referans sistemi denilmektedir. Koordinatlar kötü seçilirse, hareket yasaları gereğinden fazla karmaşık olabilir. Örneğin, serbest bir cismin herhangi bir dış etken olmaksızın bir an için hareketsiz olduğunu düşünelim. Çoğu koordinat sisteminde, bu cisim üzerine etki eden kuvvetler olmamasına rağmen, bir sonraki aşamada harekete geçecektir. Ancak, daima durağan kalacağı bir referans sistemi seçilebilir. Uzay, homojen bir biçimde ve zamandan bağımsız olarak tanımlanmamışsa, bir koordinat sistemi serbest bir cismin uzaydaki uçuşunu karmaşık zig-zag biçiminde tanımalayabilir. Nitekim, eylemsizlik sistemleri anlaşılır bir biçimde şöyle verilebilir: Eylemsizlik referans sisteminde, mekanik yasaları kendi basit formunu alır.
Eylemsizlik referansında Newton un birinci kuralı sağlanır. Her serbest hareket sabit bir büyüklük ve yöne sahiptir. Newton un ikinci kuralı parçacıklar için:
formundadır.
F, net kuvvet ve vektörel bir büyüklüktür; m parçacığın kütlesi ve a, sistemde yer alan bir gözlemci tarafından ölçülen vektörel bir değer olan parçacık ivmesidir. F kuvveti parçacık üzerindeki elektromanyetik, çekimsel veya nükleer tüm kuvvetlerin toplamıdır. Newton'un ikinci yasası dönen referans sistemini içerir; bir eksen etrafında Ω açısal hızıyla dönüşü içerir:
formundadır.
Yukarıdaki formül eylemsizlik sistemiyle aynı görünmektedir, fakat F′ kuvveti sadece F kuvveti değil diğer ek terimlerden de meydana gelmektedir:
Sistemin açısal dönüşü, dönüş ekseniyle aynı yönde olan ve dönmenin açısal hızıyla eşit büyüklükte olan Ω vektörüyle tanımlanır. X vektör çarpımını belirtmektedir, xB vektörü cismin konumunu, vB vektörü ise, dönen gözlemciye göre cismin hızını belirtir (hareketsiz bir gözlemci tarafından görülen hızdan farklıdır).
F′ kuvvetindeki ekstra terimler bu sistem için gerçek olmayan kuvvetlerdir (İlk ekstra terim Coriolis kuvveti, ikincisi santrifüj kuvveti ve üçüncüsü Euler kuvveti). Bu terimler şu özelliklere sahiptir: Bu terimler, Ω = 0 olduğunda ortadan kaybolmaktadırlar. Yani, eylemsizlik sistemi için sıfırdırlar; Ω değerine bağlı olarak, her dönen sistemde farklı büyüklük ve yönde olmaktadırlar; dönen sistemlerde yaygındırlar (Durum ne olursa olsun her parçacığı etkilerler); bunlar tanımlanabilir fiziksel kaynaklar içerisinde belirgin bir kaynağa sahip değildirler. Tüm gerçek olmayan kuvvetler mesafeyle azalmaz (nükleer ve elektrik kuvvetleri dahil değil). Örneğin, bir dönen sistemi içerisinde dönme ekseninden yayılan merkezkaç kuvveti eksenden uzaklaştıkça artar.
Tüm gözlemciler gerçek F kuvvetleri konusunda hemfikirdir; sadece eylemsiz olmayan gözlemciler için gerçek olmayan kuvvetler vardır. Eylemsizlik sistemi içerisinde fizik yasaları daha basittir fakat, gereksiz kuvvetler yoktur.
Newton zamanında sabit yıldızlar bir referans sistemi olarak kabul edildi; mutlak uzaya göre sabit durdukları varsayıldı. Referans sistemlerinde, sabit yıldızlara göre durmakta veya bu yıldızlara göre düzgün bir ötelenme-yer değiştirme olmaktadır. Newton'ın hareket yasaları tutmak gerekiyordu. Buna karşılık, sabit yıldızlar, sabit yıldızlara göre döndürülmesi çerçeveleri olmanın önemli bir durum ile ilgili hızlanan çerçeveler, ancak, onların basit formu tutun vermedi hareket kanunları için, hayali güçlerin eklenmesiyle takviye gerekiyordu örnek, Coriolis kuvveti ve merkezkaç kuvveti. İki ilginç deneyler bu kuvvetler dolayısıyla onlar Eylemsiz olmayan bir gözlemciye açığa keşfedilen nasıl göstermek için Newton tarafından geliştirilen edilmiştir: ağırlık merkezinin kendi etrafında dönen iki küre birbirine bağlayan kordon gerginlik örnek ve döner bir kovada su yüzeyinin eğrilik örneği. Her iki durumda da, Newton'un ikinci yasasının uygulama kendi gözlemlerine ( dönen kepçenin durumunda parabolik su yüzeyi küre durumunda gerilim) hesaba merkezkaç ve Coriolis kuvvetleri yürütmesini olmadan dönen gözlemci için işe yaramaz.