In fisica , è impossibile definire una posizione o un movimento in relazione allo spazio "vuoto". Un quadro di riferimento è un solido (un insieme di punti fissi tra di loro) rispetto al quale viene individuata una posizione o un movimento. È inoltre necessario un dispositivo che funga da orologio per poter qualificare il movimento e definire il concetto di velocità . Un classico esempio di quadro di riferimento è il quadro di riferimento terrestre che è collegato alla Terra.
Per definire matematicamente le caratteristiche del movimento, definiamo quindi un sistema di coordinate dello spazio e del tempo per identificare gli eventi come un quadrupletto di numeri: tre coordinate di spazio e coordinate temporali. Un "riferimento" ( sistema di coordinate ) consente di quantificare posizioni e velocità e quindi di rappresentare una traiettoria mediante una curva matematica e di matematizzare l'effetto delle forze fisiche sui corpi. Tuttavia, non è necessario definire un sistema di coordinate per osservare un movimento, ad esempio per vedere che un deambulatore si sta muovendo rispetto al piano di riferimento a terra.
Il movimento dipende dal sistema di riferimento scelto: il deambulatore che avanza sul terreno non avanza rispetto a se stesso (rispetto al piano di deambulazione di riferimento è il terreno che arretra).
La meccanica ( newtoniana o relativista ) postula l'esistenza di una classe privilegiata di quadri di riferimento cosiddetti galileiani (o inerziali ) in cui si applica il principio di inerzia : un corpo puntuale non soggetto a forza si muove in moto rettilineo uniforme .
L'espressione delle leggi della fisica, se completa, non dovrebbe dipendere dal quadro di riferimento scelto, ma solo la relatività generale lo consente, o la relatività speciale se ci limitiamo ai quadri di riferimento galileiani. Nell'approssimazione non relativistica, un sistema di riferimento non inerziale può essere utilizzato come se fosse inerziale, a condizione di introdurre termini correttivi, le forze di inerzia (o forze fittizie, o pseudo-forze) "senza causa apparente" come la forza centrifuga o forza di Coriolis (nella relatività generale , la descrizione di questi effetti è inclusa nella teoria).
Poiché le equazioni del movimento dipendono dal sistema di coordinate (cartesiano, cilindrico, sferico, ecc.) Utilizzato per individuare le posizioni, lo stesso movimento può essere descritto matematicamente da diversi scritti ugualmente validi: le descrizioni del movimento in ciascuno dei sistemi di coordinate sono equivalenti tramite un cambio di riferimento .
Nella meccanica newtoniana il tempo è assoluto (vale a dire ovunque lo stesso, indipendentemente dalla posizione e dalla velocità) e la definizione del sistema di riferimento è apparentemente limitata a quella delle coordinate spaziali, ma questo non dispensa di non definire una marcatura temporale (trattati separatamente). Nella relatività speciale e nella relatività generale , il tempo è considerato come una dimensione aggiuntiva dei sistemi di tracciamento: si parla di spazio-tempo .
In fisica , un sistema di riferimento può essere definito utilizzando un sistema di coordinate spazio-temporali legato ad un osservatore (reale o immaginario), cioè stazionario rispetto a lui, composto da tre coordinate dello spazio e una coordinata del tempo , utilizzato definire i concetti di posizione, velocità e accelerazione. Una definizione simile è: si tratta di un sistema di coordinate della dimensione spaziale 3 la cui origine è un corpo una tantum reale o immaginato (aggiungendo una misura del tempo , considerata universale nella fisica classica ). Deve essere materializzato un vero quadro di riferimento: un'origine definita da un corpo identificabile, assi o sistema di coordinate definito da corpi o almeno da concetti sperimentali . Un'ipotesi , ancora mai negato, è che lo spazio può essere considerato euclidea , almeno localmente (su brevi distanze ).
Solitamente sono preferiti i frame galileiani , e selezionando una base ortogonale (come definita dalla geometria dello spazio-tempo) di tre vettori spazio ortonormali ( sistema di coordinate cartesiane , ortonormale ), un marker del tempo . Pertanto, i dati fisici del movimento di un oggetto sono forniti secondo questo quadro di riferimento.
Un sistema di riferimento galileiano è un sistema di riferimento in cui una massa puntiforme isolata (cioè non soggetta a forza ) è in traslazione rettilinea uniforme. La prima legge di Newton presuppone l'esistenza di tali archivi di categoria. Da notare che la maggior parte dei consueti quadri di riferimento non sono perfettamente galileiani, ma che, nei tempi considerati negli esperimenti, i fenomeni legati al loro carattere non galileiano restano trascurabili rispetto agli altri fenomeni.
Il quadro di riferimento terrestre è il quadro di riferimento più utilizzato: è centrato in un punto della Terra, e i suoi assi sono legati alla rotazione terrestre: un uomo “immobile” è quindi fissato nel quadro di riferimento terrestre.
Il quadro di riferimento terrestre può essere considerato galileiano nei consueti esperimenti. È necessaria una caduta libera partendo da un'altezza considerevole per mostrare la deviazione verso est , dovuta alla rotazione terrestre.
Possiamo considerare in prima approssimazione il sistema di riferimento terrestre come galileiano quando la durata dell'esperimento è molto inferiore al periodo di rotazione della Terra o quando è ovvio che l'effetto di questa rotazione è trascurabile rispetto ad altri fattori.
Il sistema di riferimento geocentrico ha origine dal centro di massa della Terra e i suoi assi sono definiti in relazione a tre stelle abbastanza lontane da apparire stazionarie. Due di queste stelle possono essere, ad esempio, la stella polare e la Beta del Centauro. Pertanto, non è parte integrante della Terra nel suo movimento rotatorio attorno all'asse dei suoi poli.
Questo quadro di riferimento può essere considerato galileiano su esperimenti "brevi", la cui durata è molto breve rispetto a un anno, perché non si tiene conto della rivoluzione della Terra attorno al Sole. Ad esempio, in questo repository verrà effettuato lo studio dei movimenti dei satelliti artificiali.
Il sistema di riferimento di Copernico è il sistema di riferimento centrato sul centro di massa del sistema solare e i cui assi puntano a tre stelle distanti. Il quadro di riferimento di Copernico può essere considerato galileiano quando l'esperienza è di breve durata rispetto al movimento del sistema solare nella Galassia, quindi di durata molto inferiore a ~ 225-250 milioni di anni . Questo repository è adatto per lo studio del sistema solare.
Le osservazioni astronomiche hanno rivelato che un meteorite che si muove nello spazio, sufficientemente lontano dai vari pianeti del sistema solare, è in movimento di traslazione rettilineo uniforme in questo quadro di riferimento.
Il sistema di riferimento di Keplero (o sistema di riferimento eliocentrico ) è il sistema di riferimento centrato sul centro di massa del Sole e i cui assi sono paralleli a quelli del sistema di riferimento di Copernico . Gli esperimenti dimostrano che può essere considerato galileiano con una precisione molto buona.
Il sistema di riferimento baricentrico, chiamato anche sistema di riferimento del centro di massa, è il sistema di riferimento in traslazione rispetto a un sistema di riferimento R (generalmente scelto galileiano) e in cui il centro di massa è stazionario.
Spesso è associato ad un sistema di coordinate avente per origine il baricentro del sistema considerato e ad un sistema di assi collineari con quelli del sistema di riferimento R. Ma queste scelte di centro e assi non sono obbligatorie.
Questo quadro di riferimento è particolarmente utilizzato nell'ambito dei teoremi di König .
Nota : questo repository non è necessariamente galileiano.