Коллега. В одной из предыдущих бесед Вы к объёмным силам, которые действуют одновременно на каждую элементарную частичку по всему объёму тела, причислили не только силу тяготения, но и силу инерции.
Именно так, мой друг. Кстати, сила инерции является реакцией на ускорение тела и вектор этой силы направлен противоположно ускорению. Но самым важным является то, что эта сила (как и сила тяготения) может быть только объёмной силой, ибо действует на каждую элементарную частичку по всему объёму ускоряемого тела. Об этом всегда необходимо помнить.
Однако сила тяготения, признаётся реальной силой. А вот, силу инерции вводят только для того, чтобы иметь формальную возможность составлять уравнения динамики в виде более простых уравнений статики. То есть, сила инерции считается фиктивной силой. Что Вы можете на это сказать?
И вновь, мой друг, Вы правы. Математики действительно считают силу инерции фиктивной силой. Им вторят и многие «физико-математики». Однако, это не так. И ошибку в их доводах можно показать на следующем печальном примере.
Таксист резко повернул влево. Правая дверь машины не выдержала напора и открылась. Рядом сидящий пассажир вылетел из машины и, угодив в столб, попал в больницу.
Ранее мы уже говорили о том, что правильная система отсчёта для конкретного явленья должна быть связана с центром того поля, в котором это явленье рассматривается. Однако математики продолжают настаивать на том, что для описания явлений годится любая система отсчёта (результат спора между Птолемеем и Коперником их так ничему и не научил).
При повороте автомобиля влево пассажир находится в контакте с правой дверью кабины. Дверь давит на пассажира влево. Это центростремительная сила (в данном случае поверхностная сила). А вот, пассажир давит на дверь в противоположном направлении. Здесь уже действует центробежная сила ( объёмная сила). Внешний наблюдатель видит, как центростремительная сила плющит придавленное к двери тело пассажира.
Вот, вот, коллега, Вы сами сказали, что тело пассажира плющит именно центростремительная сила.
Вы это правильно подметили, мой друг. Однако на пассажира в данном случае действуют две силы. Причиной одной из них является закрытая дверь автомобиля и вектор этой силы направлен к центру кривизны. Причём, заметьте, эта центростремительная сила действует только на часть поверхности тела пассажира, то есть является поверхностной силой. Но ей противодействует вторая сила, которая называется центробежной и действует она уже на весь объём тела (объёмная сила). Именно эта сила и приводит в силовой контакт тело пассажира с дверью автомобиля.
И это не новость. Ибо, чтобы сдавить тело или растянуть пружину, как известно, нужны две силы. Попробуйте, к примеру, тянуть пружину только с одного конца, не закрепив жёстко её второй конец. Пружина будет двигаться вместе с Вами и растянуть её Вы не сможете. Для этого Вам понадобится вторая сила. В данном конкретном случае этой силой является реакция опоры, к которой Вы приладите второй конец пружины. Вы с этим согласны?
Тут с Вашей логикой, коллега, спорить трудно. Вы правы в том, что дверь воздействует на пассажира, а пассажир, в свою очередь, – на дверь. Для этого действительно нужны две силы.
Верно. И при закрытой двери эти две силы уравновешены (пассажир остаётся в кабине автомобиля). Однако, дверь затем не выдержала напора центробежной силы и открылась – центростремительная сила исчезла и пассажир вылетел из машины.
Но, с точки зрения математика центробежной силы быть не могло и дверь раскрылась «сама по себе». Вот только, сможет ли он убедить следователя, что увечье пассажира было вызвано «фиктивной силой»? «Мол, никакая реальная сила не побуждала пассажира выходить из машины и получается, что пассажир сам выскочил из машины по собственной инициативе, но видно не рассчитал свои возможности и с разбега угодил в столб».
Нонсенс? Согласен. Иначе силу, действующую на пассажира в автомобиле во время поворота, придётся списать на чудо. Но, именно эту нелепость мы и доводим до школьников, как «истину».
Коллега, я готов с Вами согласиться, но движение по окружности требует реальной силы, направленной к центру этой окружности. Но, если центростремительная сила уравновешена центробежной, то равнодействующая этих сил равна нулю. Какая сила, тогда, заставляет двигаться по окружности Луну вокруг Земли или электрон вокруг атомного ядра?
Замечательный вопрос и мы с Вами, мой друг, подошли к главному. Давайте вспомним, что сила является всего лишь градиентом энергии. Это значит, что наличие силы указывает нам на изменение энергии в пространстве.
Теперь давайте вместе подумаем, изменяет ли Луна (или электрон) свою энергию, двигаясь практически по круговой орбите? Нет, не изменяет. Чему в этом случае должна быть равна равнодействующая сила, которая действует на Луну (или электрон)? Только нулю. Согласны?
Согласен. Но скажите коллега, что же тогда заставляет Луну или электрон двигаться по окружности? Ведь, это противоречит первому закону Ньютона.
Зато вовсе не противоречит Закону инерции великого Галилея, хотя именно этот Закон мы теперь воспринимаем, как первый закон Ньютона. Вроде два эти закона одинаковы, но одному из них (сформулированному значительно позже) наша реальность противоречит. В чём ошибка?
Давайте вспомним, что в Законе инерции Галилея сказано: « движение по горизонтальной плоскости вечно».
Что понимал Галилей в своём мысленном опыте под горизонтальной плоскостью? Небольшую часть идеально гладкой поверхности Земли. Давайте попробуем максимально раздвинуть границы этой горизонтальной плоскости. Что получим? Правильно – получим поверхность земной сферы и тело должно вечно двигаться по ней, то есть, по окружности без воздействия сил.
Галилей знал, что Земля вовсе не плоская и понимал, что «естественное» движение тела – это равномерное движение по окружности. Поэтому и считал, что Земля так же движется вокруг Солнца естественным образом, без действия сил, то есть по инерции.
А вот, Ньютон горизонтальную плоскость Галилея воспринял буквально, как плоское образование. Но, стоит нам исправить эту досадную ошибку, как всё становится на «свои места»: центробежная сила становится реальной силой, а Нильсу Бору, при рассмотрении атома водорода не нужны его постулаты.
И всё же, коллега, остаётся непонятной проблема свободного падения. Ведь падая под действием центростремительной силы, тело ускоряется. Значит, появляется противоположный вектор силы инерции и эти силы, как Вы говорите, должны скомпенсировать друг друга. Но ведь, падающее тело наращивает свою кинетическую энергию. Энергия меняется, то есть, присутствует её градиент, значит, должна быть и сила. Что это за сила?
Хороший вопрос, мой друг. И такая сила действительно существует. Ускорение падающего тела происходит за счёт уменьшения потенциальной энергии окружающего поля. Градиент этой энергии является центростремительной силой или силой тяготения, которая действует со стороны поля на каждую элементарную частичку внутри падающего тела. Сила инерции, как мы уже знаем, тоже возникает внутри ускоряющегося тела, но это та сила, которая противодействует изменению кинетической энергии падающего тела.
Итак, силу тяготения порождает поле, а сила инерции возникает в самом ускоряющемся теле. Каждая сила выполняет свою роль и мы наблюдаем изменение кинетической энергии падающего тела и потенциальной энергии окружающего поля, но векторы этих сил противоположны и их равнодействующая равна нулю. Значит полная энергия системы «поле – тело» не изменяется. Закон сохранения энергии соблюдён.
Коллега, Вы так лихо говорите об изменении потенциальной энергии окружающего поля. Но, как можно представить себе это изменение?
И это очень полезный вопрос. Ведь мы не зря говорим о системе «поле – тело». Нужно так же вспомнить про эквивалентность массы и энергии, на которую ещё в 1873 году указал нам Н. А. Умов в своей работе «Теории простых сред». Вспомним и о том, что полная (заключённая внутри данного тела) энергия состоит из кинетической энергии его движения относительно окружающего поля и внутренней энергии связи между его элементарными частицами, молекулами, кристаллами (внутренняя потенциальная энергия тела).
Так вот, здесь важно не спутать внутреннюю потенциальную энергию тела с потенциальной энергией окружающего поля. У свободно падающего тела внутренняя потенциальная энергия не изменяется. Меняется в пространстве только потенциальная энергия окружающего поля. Ведь, эта энергия определяется, как произведение гравитационного потенциала в данной точке поля на массу. И здесь важно учитывать не только массу поля, но и массу тела, находящегося в этой точке.
Минуточку, коллега. Вы говорите, что потенциальная энергия поля при свободном падении тела уменьшается. Но ведь, масса падающего тела неизменна? Падая, это тело уносит массу с одной точки поля, но приносит такую же массу в другую точку поля.
Верно. Масса свободно падающего тела неизменна. Но, по мере падения тела уменьшается гравитационный потенциал поля. Соответственно, уменьшается и произведение потенциала на массу тела, несмотря на то, что значение этой массы неизменно. Значит, уменьшается и потенциальная энергия поля.
Коллега. У Вас на всё есть обоснованный ответ. Тогда поясните, пожалуйста, какое ускорение вызывает центробежная сила? Ведь, мы с Вами знаем, что любая сила вызывает ускорение.
Спасибо, мой друг, за этот вопрос, ибо он очень беспокоит математиков. И ответ на него чрезвычайно прост. Сила инерции ускорения не вызывает. Наоборот, она сама является результатом ускорения тела. Это реактивная сила, численно равная произведению массы материальной точки на её ускорение и направленная противоположно ускорению. Нет ускорения – нет и силы инерции, в том числе и центробежной силы.
В механике Ньютона реактивные параметры даже не упоминаются, а вот, скажем, в электротехнике такие параметры реальны и обоснованы. К примеру, величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля называется реактивной мощностью. Эта мощность вызывает дополнительные активные потери, на покрытие которых расходуется энергия на электростанциях. И это вполне реальная проблема, для решения которой в электрических установках осуществляется не менее реальная компенсация реактивной мощности. Об этом мы ещё поговорим.
Но и в механике реактивная мощность вполне реальна. Представьте себе гружёную тележку, которую нам предстоит перекатить из пункта А в пункт Б. Для этого нам понадобится энергия.
Если мы будем катить тележку равномерно без остановок, то затратим минимальное количество энергии. Если же нам придётся, к примеру, останавливать тележку в пути через каждый метр, то энергии потребуется значительно больше, ибо мы будем тратить дополнительную энергию на останов тележки и на последующий её разгон. Это и есть реактивная энергия. Если эту энергию отнести к единице времени (1 с), то получим реактивную мощность, а если отнести к единице расстояния (1 м), то получим реактивную силу или силу инерции.
Коллега, получается всё довольно складно. Тогда поясните, почему же математики так упорно не признают центробежную силу?
Только потому, что её признание «поставит крест» на так называемом первом законе Ньютона. Им вроде и невдомёк, что этот «закон», опирающийся на несуществующее в Природе прямолинейное и одновременно равномерное движение по инерции, полностью неприемлем в потенциальном поле атома. Именно поэтому Нильсу Бору пришлось вводить свои постулаты, которые он был вынужден положить в основу теории атома водорода. Об этом мы уже говорили в одной из предыдущих бесед.
Дело в том, что Ньютон был сторонником «дальнодействия» и ничего не мог знать о среде-посреднике в виде силового поля, ибо это поле (электрическое и магнитное) впервые было введено и изучено Майклом Фарадеем (1791-1867) только через сотню лет после смерти Ньютона. Концепция поля явилась возрождением теории близкодействия, основоположником которой был Рене Декарт (1596-1660).
Итак, мы с Вами говорили в основном о центробежной силе. Однако, существует и другая реальная сила инерции – сила Кориолиса, которая вызывает гигантские циклоны в атмосфере, когда ветры дуют из областей высокого давления в направлении области низкого давления. Но, об этой силе мы поговорим чуть позже.
|
