Природа сил инерции и их классификация

 

Содержание

 

Введение

1. Термины, аббревиатуры, сокращения

2. Официальная физика о законе инерции

3. Разные мнения о силах инерции

4. Классификация физических сил

      4.1. Основные термины

      4.2. Классификация физических сил

Заключение  

 

Относительно природы сил инерции у физиков нет единого мнения. В частности, одни утверждают, что это реальные силы, другие – нет, фиктивные. Я сторонник тех, кто убеждён в разумности такой точки зрения: среди сил инерции есть как реальные, так и фиктивные силы.  

 

1. Термины и аббревиатуры

 

Определения и аббревиатуры, отмеченные символом «*» даются автором в порядке обсуждения.

сила инерции Даламбера вводится в уравнение динамики ускоренно движущейся системы с целью преобразования его в уравнение статики. Равна произведению массы системы на её ускорение и направлена против него [1]. Сила инерции Даламбера – фиктивная сила, т.к. не существует в действительности и не может быть измерена.

• инертность –свойства тел противодействовать мгновенному изменению направления или скоро

  сти движения.

ИСО – инерциальная система отсчёта.

• НеИСО* – неинерциальная система отсчёта.

ньютонова сила инерции – сила противодействия, рассматриваемая в третьем законе Ньютона.

силы инерции – даламберова, ньютонова и эйлерова силы. Все три термины предложены академиком А. Ю. Ишлинским и пока не получили пока повсеместного распространения (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B8%D0%BB%D0%B0_%D0%B8%D0%BD%D0%B5%D1%80% D1%86%D0%B8%D0%B8).

 

2. Разные мнения о силах инерции

 

• Ньютон. «Врождённая сила материи есть присущая ей способность сопротивления, по которой всякое отдельно взятое тело, поскольку оно предоставлено самому себе, удерживает своё состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. От инерции материи происходит, что всякое тело лишь с трудом выводится из своего покоя или движения. Поэтому врождённая сила могла бы быть весьма вразумительно названа силою инерции. Эта сила проявляется телом единственно лишь, когда другая сила, к нему приложенная, производит изменение в его состоянии. Проявление этой силы может быть рассматриваемо двояко – и как сопротивление, и как напор» [2].

 «Максвелл по этому поводу заметил, что с таким же успехом можно было бы сказать, что кофе сопротивляется тому, чтобы стать сладким, так как сладким он становится не сам по себе, а лишь после добавления сахара» [3]. //Как говорят, шутки шутками, но могут быть и дети!

• Мах Эрнст (1887 г.). Инерция тел обусловлена их взаимодействием со всей Вселеной.

• Хидеки Юкава (японский физик, ноб. лаур. за1949 г.): «вследствие ускорения системы отсчёта в ней возникают дополнительные силы, например, кориолисовы… или центробежные. Для анализа этих дополнительных сил вводят так называемую абсолютную систему отсчёта и разделяют силы на «реальные» и «фиктивные» (силы инерции). Реальные силы по определению действуют только в инерциальных системах отсчёта». Фиктивные силы инерции не подчиняются третьему закону Ньютона о равенстве действия и противодействия [4]. //Таким образом, все силы инерции по Хидеки фиктивны, никаких реальных сил инерции не существует.   

• Физический энциклопедический словарь Прохорова [5] определяет центробежную силу следующим образом: «сила, с к-рой движущаяся материальная точка действует на тело (связь), стесняющее свободу движения точки и вынуждающее её двигаться криволинейно. Численно Ц. с. равна mv2/r, где mмасса точки, v — её скорость, r — радиус кривизны траектории, и направлена по главной нормали к траектории от центра кривизны (от центра окружности при движении точки по окружности). Ц. с. и центростремительная сила численно равны друг другу и направлены вдоль одной прямой в противоположные стороны, но приложены к разным телам, как силы действия и противодействия. Напр., при вращении в горизонтальной плоскости привязанного к верёвке груза центростремительная сила действует со стороны верёвки на груз, вынуждая его двигаться по окружности, а Ц. с. действует со стороны груза на верёвку, натягивая её». //О природе центробежной силы ни слова – только формальное описание глубоко не думающего наблюдателя-позитивиста

• Ишлинский А.Ю. (акад, [6])

• «Даётся строгое разграничение между силами физическими, создающими ускорение относительно абсолютной системы координат, и силами инерции, как даламберовыми, так и обусловленными выбором подвижной системы координат – эйлеровыми (переносными и кориолисовыми) силами инерции».

• В примере движения тела по окружности на нити… нередко ошибочно считают, что даламберова сила инерции (в данном случае – центробежная сила инерции) упомянутую нить и растягивает. Это неверно. Нить растягивает физическая сила, являющаяся противодействием общеизвестной центростремительной силе, заставляющей тело двигаться по кругу. Это противодействие как раз и есть ньютонова сила инерции, которую в данном случае естественно назвать физической центробежной силой или просто центробежной силой, но, конечно, без добавления слова инерция». Ньютонова сила и даламберова сила инерции равны векторно и, вместе с тем, различны по существу. //Пояснение «в данном случае – центробежная сила инерции» каждый знающий русский язык человек поймёт так: академик считает этот термин общепризнанным. Это во-первых. Во-вторых, нить растягивает именно сила инерции, обусловленная взаимодействием «тело – эфир», поэтому термин «центробежная сила инерции», на мой взгляд, следует считать, как нельзя более удачным. Придуманный же  Ишлинским термин  «физическая центробежная сила» – неудачная выдумка  для личного потребления. 

• Критика Ишлинского Егоровым [3]: «Он чётко разграничил силы «физические», создающие ускорения относительно «абсолютной» системы координат, и силы инерции, как даламберовы, так и эйлеровы, обусловленные выбором подвижной системы координат. Однако, Ишлинский несколько усложнил ситуацию, используя понятие «ньютоновы» силы инерции, обозначив им реальные физические силы. Например, в случае камня, совершающего вращательное движение по окружности под действием силы натяжения верёвки, такой «физической» силой инерции является сила, действующая на верёвку со стороны камня. Эту силу Ильинский называет «физической центробежной силой». Добавление Ильинским к даламберовым и эйлеровым силам инерции ещё и «физических» сил инерции, по мнению автора данной статьи, не целесообразно в методическом плане. Использование подобных терминов отчасти запутывает ситуацию».

• Хайкин С.Э. (д. ф.-м. наук, [7]): «необходимость заставляет нас, пользуясь не коперниковыми, а неинерциальными системами отсчёта, признать существование сил, для которых мы не можем указать конкретных тел, со стороны которых эти силы действуют… Этот класс сил называют силами инерции».

• Егоров Г.В. (к. ф.-м. н., доц. каф. эксп. и теор. физики Брянского госуниверситета, [3])

• «Известны несколько ожесточенных дискуссий в среде специалистов по механике по поводу того, следует ли считать силы инерции реальными силами или же относить их к воображаемым (фиктивным). Последняя такая дискуссия прошла в Институте проблем механики АН СССР между сторонниками академика А. Ю. Ишлинского (силы инерции фиктивны) и сторонниками академика Л. И. Седова (силы инерции реальны) на Всесоюзном совещании «Основы классической механики и их роль в преподавании механики» (Москва, 1-8 октября 1985 г.)».

• «Вопрос о «реальности» или «фиктивности» сил инерции является надуманным. На самом деле все определяется выбором математической модели, которая используется для описания реальных физических явлений. Критерием в этом случае служит соответствие полученных результатов эксперименту, а также удобство проведения расчетов. Важным элементом является и полнота описания явлений».

• «Если, как это обычно делается, определять силу как физическую величину, являющуюся мерой количественного действия других тел или полей на данное тело, то сила инерции является воображаемой силой, потому что мы не можем указать ее источник, т. е. тело, со стороны которого она действует. Поэтому к силам инерции не применим третий закон Ньютона. Однако, если силу трактовать как причину ускорения тела, то сила инерции ничем не хуже других сил. Неприменимость третьего закона Ньютона в этом случае принципиального значения не имеет, т. к. для любой физической системы силы инерции всегда будут внешними силами, а третий закон Ньютона существенен только для внутренних сил, действующих между телами, входящими в систему. Для любого из тел, находящихся в неинерциальной системе отсчета, силы инерции являются внешними; следовательно, здесь нет замкнутых систем. Это означает, что в неинерциальных системах отсчета не выполняются законы сохранения импульса, энергии и момента импульса».

• В «Математических началах» Ньютон «… не даёт чёткого определения сил инерции и смешивает понятия инерции и инертность. Используя представление о центробежной силе, он рассматривает её как реальную физическую силу» [там же].

• «Иногда говорят, что сила инерции - это все же взаимодействие, а именно взаимодействие со всей остальной Вселенной. Это утверждение называют принципом Маха (Э. Мах, 1883 г.). Однако этот принцип невозможно проверить, так как нельзя убрать Вселенную и посмотреть, пропадут ли при этом силы инерции». //Принцип Маха, утверждают, ложен, т.к. сила инерции проявляется мгновенно, хотя до звёзд очень и очень далеко. Мысль о том, что причина кроется во замодействии «эфир – тело», убедительно обосновывается теоретически (торсионное излучение, явление самоинвдукции, излучение ускоренно движущимися зарядами и т.п.).

• Энциклопедия по машиностроению XXL [8]

• «При составлении уравнений движения исходят из принципа Даламбера, который состоит в том, что к движущейся с ускорением системе могут быть применены уравнения статики при условии, что в число внешних сил включена фиктивная сила инерции, равная произведению массы на ускорение и направленная против ускорения» (c. 299).
     • «В формулировке
метода кинетостатики сила инерции именуется фиктивной, так как она к данной материальной точке не приложена. (в действительности эта сила инерции приложена к ускоряющим материальным точкам и к связям, наложенным на данную точку). Добавление к силам и силы инерции, не приложенной к данной точке, приводит, естественно, к тому, что уравнения движения принимают вид уравнений равновесия» (с. 349).

      • «Центробежные силы инерции иногда называют фиктивными. Многие специалисты считают, что это неправильно или по крайней мере спорно» (с. 95).

     • ОТО Эйнштейна утверждает, что ускорение движения системы отсчёта К′ относительно сферы небесных тел является причиной возникновения сил, которые качественно совпадают с наблюдаемыми на опыте силами инерции. «Если принять эту гипотезу о происхождении сил инерции, то на вопрос о том, почему мы не можем указать то конкретное тело, со стороны которого действуют силы инерции, должен последовать ответ: таких тел слишком много – это все небесные тела. Принимая эту гипотезу, мы должны отказаться от представления, что силы инерции возникают неизвестно откуда, а ведь именно это представление служило одним из оснований для того, чтобы высказать подозрение о фиктивности сил инерции» (с. 390).

 

4. Классификация физических сил

 

4.1. Основные термины

• Физические силы – все силы, изучаемые в физике как мера воздействия одних тел на другие и как продукт взаимодействия «тело – поле». Деление сил Ишлинским [6] на физические и инерциальные считаю неудачным, т.к. в этом случае инерциальные силы попадают в класс не физических сил.

Реальная сила инерции тела – сила, препятствующая изменению состояния движения тела и обусловленная взаимодействием этого тела с внешней средой.

• Реальная центробежная сила инерции*сила, с которой движущаяся в НеИСО материальная точка действует на тело (связь), стесняющее свободу движения точки и вынуждающее её двигаться криволинейно.  Обусловлена (как считают многие физики) взаимодействием «тело – эфир».

• Фиктивная сила инерции – векторное слагаемое в динамическом уравнении движущегося в ускоренной системе тела, зависящее от массы этого тела и одного из ускорений системы в ИСО.

В уравнении динамики все реальные и фиктивные силы с разными ускорениями приложены к одной точке.

• Главные разновидности сил инерции

        Рассмотрим две системы отсчёта [9] К (r, v, a) и К′ (r′, v′, a′), где r, v, aкоордината, скорость и ускорение материальной точки в инерциальной системе К; r′, v′, a′ – аналогично в неинерциальной системе отсчёта К′. Тогда по второму закону Ньютона имеем:

F = maпер + maкор + ma′,          (1)

где переносное ускорение aпер = A + [ω[ωr]] + [ßr], кориолисово ускорение 

aкор = 2[ω v], a′ – ускорение в К′. которое только и увидит наблюдатель в этой НеИСО.

      Уравнение (1), записанное  обычной форме для К′, имеет вид:  

F + m(-aпер) + m(-aкор) = ma′,          (2)

Переносной силой инерции, действующей на материальную точку массой m в НеСО, называется сила, равная произведению массы этой точки, на взятое с обратным знаком, на её переносное ускорение: Fпер m(-aпер). Кориолисовой силой инерции, действующей на материальную точку массы m в НеИСО, называется сила, равная произведению массы этой материальной точки на взятое с обратным знаком её кориолисово ускорение: Fкор m(-aкор).

• Разновидности переносной силы инерции. В соответствии с уравнением Fпер = m(-A) + m(-[w[wr¢]]) + m(-[br¢]) Николаев предлагает назвать первую и третью силы, соответственно, поступательной и вращательной силами инерции, Второе слагаемое принято в механике называть центробежной силой инерции. Все силы в контексте динамического уравнения относительного движения фиктивны.

 

4.2. К природе сил инерции

«У сил инерции, – пишет Николаев [9], – есть особенности, отличающие их от так называемых «обычных» сил. В частности, к ним неприменим третий закон Ньютона, поскольку силы инерции – не силы взаимодействия, а значит, нельзя указать тело, со стороны которого они действуют».

//Это, полагают многие неофициальные физики, ошибочная точка зрения.  Сопротивляется ускоренному движению электрический заряд (он излучает при этом в окружающее пространство энергию, а она не берётся из ничего), ток в цепи тоже мгновенно не изменишь в силу закона самоиндукции и т. д. Возникает только вопрос: откуда эта сила берётся? Пока это загадка, но и тут с точки зрения метафизики нет проблем – сила инерции есть продукт взаимодействия «эфир – тело». Не «Вся Вселенная – тело», как утверждал Мах и ОТО Эйнштейна, потому что сила инерции реагирует мгновенно.  

Что же происходит на микроуровне, сказать трудно, хотя… Всякое вращающееся тело является источником неэлектромагнитного излучения (см. эксперименты по торсионному излучению), всякое движущееся ускоренно – тоже. Я не говорю, что причиной инерции является торсионное излучение, а лишь обращаю внимание на то, что как-то может «зацепить» инерцию. Официальная физика, не признавая реальность существования эфира, никогда не поймёт суть сил инерции.  

 

4.3. Классификация физических сил

      Приводимую ниже классификацию сил следует рассматривать лишь как мизерную часть общей классификации физических сил.

• Все физические силы по работе в инерциальной системе отсчёта:

- реальные физические силы;

- фиктивные физические силы.

• Фиктивные физические силы по системе отсчёта:

- даламберовы силы инерции;

- эйлеровы силы инерции:

      - переносные (поступательные, центробежные, вращательные);

      - кориолисовы силы инерции.

 

Заключение

      Современная экспериментальная техника, на мой взгляд, позволяет относительно легко проверить гипотезу «тело – эфир» о природе сил инерции. Предлагаю (на вскидку и потому далеко не самое лучшее): измерить радиус окружности, по которой с постоянной угловой скоростью вращается на пружине шарик – в пределах солнечной системы и за ней.

 

Источники информации

 

1. Ишлинский А.Ю. Классическая  механика и силы инерции. – М.: Наука, 1987. ­– 320 с.   

    https://www.twirpx.com/file/852209/

2. Ньютон И. Математические начала натуральной философии. М.: Наука, 1989. 689 с.

3. Егоров Г.В. О силах инерции. Брянский гос. универс. 2013.

    https://cyberleninka.ru/article/n/o-silah-inertsii-1

4. Юкава.Х. Лекции по физике. – М.: Энергоиздат, 1981. – 128с. http://alexandr4784.narod.ru/ukava.

5. Физический энциклопедический словарь. – М.: Советская энциклопедия. Гл. ред. А. М. Прохо

    ров. 1983.

6. Ишлинский А.Ю. Классическая  механика и силы инерции. – М.: Наука, 1987. ­– 320 с.   

    https://www.twirpx.com/file/852209/

7. Хайкин С.Э. Физические основы механики. – М.: Наука, 1971. – 752 с.

8. Энциклопедия по машиностроению XXL. Оборудование, материаловедение, механика и ...  

    https://mash-xxl.info/info/290567/

9. [Николаев В.Н. Силы инерции в общем курсе физики.    
    http://genphys.phys.msu.ru/rus/edu/mech/Addon/Sily%20inercii.pdf]:

                                                                                                 Опубликовано: 16.06.2019