Прочитав впечатляющий список Ваших публикаций понял, что у Вас есть научные работы по теории гравитации. А меня как раз очень волнуют и интересуют вопросы реального подтверждения физическими опытами наличия гравитации между телами малой массы. С планетами всё ясно. А вот, есть ли у Вас ссылки на реальные современные данные, причём подробные, с реальными цифрами эксперимента (а не итоговые общие выводы), например, полученные на современных крутильных весах типа опыта Кавендиша по сериям опытов (с периодами колебаний весов, что меня в первую очередь и интересует, если, конечно, такие современные установки ещё существуют). Или данные других современных опытов, реально подверждающих наличие гравитации между телами с массами гораздо меньшими, чем у планет. А то меня как-то не устраивают отсылки на результаты опытов многовековой давности и всё равно без конкретных данных по измерениям. Где найти данные о фактических измерениях с применением современной техники, или это тоже "военная тайна", как и многое другое, скрываемое от общественности? Как-то наткнулся на описание современного опыта по измерению притяжения даже между атомами при их вертикальном падении в закрытом объёме, а вот чем всё это закончилось - незвестно.
В основе сомнений лежит, конечно же, статья некоего А.А.Гришаева (О.Х.Деревенский - это его псевдоним), сомневающегося в наличии гравитации между малыми телами.(http://newfiz.info/gra-opus.htm). После прочтения которой не поленился создать программу моделирования опыта Кавендиша со всеми размерами и массами его установки. В итоге получил данные о том, что при переводе притягивающих шаров из дальнего состояния в ближнее период колебания крутильных весов для установки Кавендиша должен увеличиваться почти ровно в ДВА РАЗА. Как, известно, но углу отклонения весов измерить притяжение не получается из-за малозатухающего колебательного поведения весов с периодом колебания до десятков минут. Так вот мои попытки найти подтверждающие аналогичные РЕАЛЬНЫЕ данные экспериментов на современных крутильных весах в интернете ни к чему не привели.
Как бы Вы кратко возразили А,А,Гришаеву, хотя бы просто ссылками на реальные измерения, а не на общие выводы типа "есть и точка"?
О выводе геометрическим методом выражения для Кориолисова ускорения
Опишу непростой пройденный путь при попытке геометрического вывода формулы для кориолисова ускорения.
В предыдущем комментарии этот вывод легко и просто был произведён с применением чисто формального математического метода дифференцирования вектора относительной скорости, что лишь подтверждает всю мощь математического аппарата векторной алгебры, а именно:
Wс = (2ω × Vr). ………………………………………………………………….. (1)
В основу геометрического подтверждения этого выражения для реального ускорения Кориолиса было решено положить метод доказательства от уже заранее известного выражения к его геометрическому обоснованию и подтверждению вплоть до коэффициента 2 в выр.(1).
Итак, допустим, что нам известно конечное выражение сложной функции времени (f), которая является в первом приближении векторным произведением двух переменных Wc~= f (ω × Vr). Найдём ее точное выражение геометрическим способом, применив для этого вывода правило для определения дифференциала от произведения двух функций времени: как произведение дифференциала от первой функции на вторую плюс произведение первой функции на дифференциал от второй:
где: Δ(…) – операция сообщения допустимого для данной функции небольшого по величине приращения, от которого мы потом избавимся, поделив на соответствующее ему небольшое приращение времени Δ(t), и после устремления величины Δ(t) к нулю, заменим отношения приращений Δ(…)/Δ(t) на выражение для производной d(…)/d(t) от функции, которая и будет равна УСКОРЕНИЮ Кориолиса.
Для геометрического вывода на плоской вращающейся поверхности (с угловой скоростью ω) и тела, имеющего физическую связь с этой поверхностью (в виде трения без проскальзывания) и перемещающегося относительннеё в любом возможном направлении (с линейной скоростью Vr). Нам даже не понадобится геометрический рисунок по причине его элементарности в виде обычной окружности как годографа (от вращения по кругу) конца радиуса-вектора r (или его же эквивалента - вектора относительной скорости Vrс длиной вектора Vr Δ(t), равной длине вектора r), описывающего эту самую окружность, а в центр этой окружности поставим вертикальный кол в виде вектора угловой скорости вращения (векторω, вращающийся для определённости с положительной угловой скоростью, т.е. против часовой стрелки). Вот и вся заготовка для мысленного рисунка.
С начала была предпринята довольно быстрая и успешная попытка с применением вышеописанного правила сложения двух независимых приращений по ω и Vr для геометрического обоснования выр.(1) в случае, когда вектор скорости Vrбыл направлен вдоль радиуса-вектора дальности (R большое) из центра вращения плоской поверхности, расположенного, где-то внизу плоскости рисунка, т.е. вне вышеописанного малого круга (с малым радиусом r). Не буду его описывать сам вывод, т.к. это будет сделано позже на примере малого круга с радиусом r. Метод реализовался легко и просто, т.е. в случае направления относительной скорости тела Vr вдоль радиуса-вектора дальности (R большое) никаких проблем не возникло.
Но когда была предпринята аналогичная попытка вывода выражения тем же самым способом, но только случае, когда вектор скорости Vr, направлен перпендикулярно к радиусу-вектору дальности (R большое) вывод застопорился и никак не поддавался. То, что элементарно и очевидно срабатывало в первом случае наповал не срабатывало во втором случае тангенциальной скорости по отношению к радиусу-вектору (R большое) из центра вращения.
И тут пришло озарение, состоящее в том, что вектор скорости вращения подстилающей плоской поверхности ω надо перенести из своего истинного центра вращения подстилающей поверхности в центр масс самого движущегося с линейной скоростью Vr тела! Ведь мы так фактически и поступаем, когда применяем правило правой руки для определения векторного произведения, совмещая в одну точку вектора угловой и линейной скоростей!
Вот тогда геометрический вывод подтверждается на круге малого радиуса r с его центром в самой подвижной рассматриваемой точки даже независимо от направления вектора скорости Vr в силу полной круговой симметрии самого малого вращающегося круга, из центра которого и направлен вектор относительной скорости перемещающегося по поверхности тела.
Предпосылкой для такого действия переноса вектора вращения ω явилась и сама методика простого вывода по первому удачному варианту геометрического вывода, когда Vr был направлен ВДОЛЬ большого вектора-радиуса R вращения тела, проведённого из далёкого истинного центра вращения поверхности. Тогда при выводе одной из равноценных составляющих формулы, равной (Δ (ω) × Vr), получаемой ТОЛЬКО ЗА СЧЁТ ПРИРАЩЕНИЯ по угловой скорости (Δ (ω)) приходилось брать разницу В ДЛИНАХ ПУТЕЙ, ПРОХОДИМЫХ ПРИ ВРАЩЕНИИ ПО КРУГУ ЦЕНТРОМ МАСС ДВИЖУЩЕГОСЯ ТЕЛА, И КОНЦОМ ЕГО ЖЕ ВЕКТОРА ОТНОСИТЕЛЬНОЙ СКОРОСТИ, ОТСТОЯЩИМ ОТ НЕГО ВПЕРЁД НА РАССТОЯНИЕ малого-радиуса вектора r и при этом за счёт ТОЛЬКО ДЛИНЫ САМОГО ВЕКТОРАr И ПОЯВЛЯЛОСЬ ПРИРАЩЕИЕ ЛИНЕЙНОЙ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СКОРОСТИ КОНЦА ВЕКТОРА r ОТНОСИТЕЛЬНО НАЧАЛА САМОГО ВЕКТОРА, ВЫЗАННОЙ РАЗНИЦЕЙ В ЛИНЕЙНЫХ СКОРОСТЯХ ВРАЩЕНИЯ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ (на базе длины вектора малого вектора r).
С учётом вышесказанного, осталось только произвести геометрический вывод выражения для корилисова ускорения по методике взятия дифференциала (приращения) от произведения по выр.(2), используя мысленный круг с малым радиусом-вектором r и его же эквивалента - вектора относительной скорости Vr с длиной вектора Vr Δ(t). Напомним правило для взятия дифференциала от произвеения двух функций времени:
Определим оба независимых приращения в правой части выр.2, считая, что первое приращение происходит только за счёт поворота вектора относительной скорости на небольшой угол, равный (ω Δ(t)) за счёт ТОЛЬКО ВРАЩЕНИЯ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ. При этом нас интересует ТОЛЬКО ВРАЩАТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ ОТ ЭТОГО движения подстилающей поверхности, поскольку плоскопараллельноя поступательная часть этого движения подстилающей поверхностиникаких эффектов в виде ускорений не даёт и её можно НЕ РАССМАТРИВАТЬ, а вот это и означает, что вращение можно рассматривать относительно НАЧАЛА ЦЕНТРА МАСС ДВИЖУЩЕГОСЯ ТЕЛА в виде вектора вращения ω при радиусе-векторе r, полностью совпадающему, например, с вектором относительной скорости r = Vr и пока без его приращения по времени.
Тогда, раскрывая векторное первый член приращения в выр. (2), т.е. произведение Δ (ω) × Vr,получим вектор дополнительной линейной скорости ΔVr, конца вектора Vr, возникаюший при повороте конца вектораVrв горизонтальной плоскости подстилающей поверхности с угловой скоростьюω, и это лежащий вектор приращения скорости (ΔVr)в горизонтальной плоскости расположен нормально к концу радиуса-вектора вращенияrи представляет собой аналог вектора окружной скорости конца радиуса-вектора при равномерном вращении по кругу, т.е.:
Вторую составляющую в выр.(2) получим за счёт другого приращения (независимого от первого) по смещению вперёд (относительно центра рассматриваемого нами круга) самого вектора скорости линейной Vr вдоль самого себя на малое расстояние, равное приращению пути за период времени Δ(t), т.е. Δ (Vr) = Vr Δ(t) и которое сопровождается появлением дополнительного приращения боковой линейной скорости конца вектора относительной скорости ТОЛЬКО ИЗ-ЗА ПРИРОСТА РАДИУСА ВРАЩЕНИЯ на величину Vr Δ(t), поскольку возрастает скорость вращения подстилающей поверхности за счёт смещения целиком самого вектора относительной скорости Vrна приращение величиной, равной Δ (Vr) = Vr Δ(t). По правилу раскрытия векторного произведения получим вторую составляющую кориолисова ускорения в виде:
Просуммируем оба коллинеарных вектора приращений из выр.(3 и 4) , направленных в одну сторону, влево по нормали к концу вектора скорости Vr, в соответствии с выр.(2) для взятия дифференциала:
Поделив обе части выр.(5) на Δ(t) и взяв предельный переход за счёт устремления Δ(t) к нулю, получим окончательное выражение для кориолисова ускорения, совпавшее с выр.(1), полученным ранее с применением методов векторной алгебры:
Вот так, совершенно просто (даже без реального, а лишь воображаемого рисунка!), удалось геометрическим способом получить правильное выражение для Корилисова ускорения с учётом правила взятия дифференциала от некоего исходного векторного произведения двух параметров (ω,Vr) для тела перемещающегося над вращающейся поверхностью при полной независимости выр.(6) от направления вектора относительной скорости по направлению относительно подстилающей поверхности.
И ВСЁ-ТАКИ ЦИФРА ДВОЙКА (2) В КОРИОЛИСОВОМ УСКОРЕНИИ НЕОБХОДИМА И ЕЁ ВЕЛИЧИНА НИКАК НЕ ЗАВИСИТ ОТ НАПРАВЛЕНИЯ ВЕКТОРА ОТНОСИТЕЛЬНОЙ СКОРОСТИ ТЕЛА по отношению к подстилающей вращающейся поверхности.
Поэтому все попытки некоторых авторов доказать переменность числового коэффициента (2) перед вектором угловой скорости ωв выражении (6) для Кориолисова ускорения или замену 2 на 1 , с моей скромной точки зрения, АБСОЛЮТНО НЕСОСТОЯТЕЛЬНЫ и демонстрируют лишь их многочисленные заблуждения и наукообразные плутания в попытке обосновать другие значения коэффициента при ω на примере многочисленных и малопонятных стереометрических рисунков.
«Точное значение силы Кориолиса не равно удвоенному произведению угловой скорости переносного вращения на линейную скорость относительного радиального движения. Численный коэффициент в этом произведении всегда меньше двойки. Отличие тем больше, чем меньше радиус переносного движения. С увеличением радиуса переносного вращения коэффициент стремится к двум. Ускорение Кориолиса, определяющее геометрическое приращение поворотного движения равно половине классического ускорения Кориолиса. При равномерном относительном движении перпендикулярном радиусу сила и ускорение Кориолиса не проявляются.»
Как видим, автор не догадался перенести вектор вращения в центр масс движущегося тела (что можно и надо делать обязательно в полном соответствии с правилом раскрытия векторного произведения (2ω× Vr) ) и он, как и я в начале, утонул в дебрях «движения, перпендикулярному радиусу-вектору, проведённому из центра вращения в центра масс тела».
При этом попутно автор, видимо, не хочет говорить (а скорее и не подозревает) о возможности существования реальной "Силы Кориолиса", определяемой по выражению: Fкор = (2ω× Vr) m. Именно реальным воздействием которой и объясняются эффекты подмывания правых берегов у всех рек северного полушария Земли независимо от направления течения, а также закручивание атмосферных циклонов во вращение против часовой стрелки (см. предыдущий комментария от 16.03.2020.)).
В качестве подтверждения другого моего предложения о необходимости УСТРАНЕНИЯ из механики ВСЕХ ФИКТИВНЫХ «СИЛ ИНЕРЦИИ», к коим и относится незаслуженно упоминаемая во многих учебниках ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ И ПОЛНОСТЬЮ ФИКТИВНОЕ (подчёркнуто для А.А.Астахова) Кориолисова сила инерции (Jкор.= – (2ω× Vr)m) было предложено ОТКАЗАТЬСЯ ОТ ВСЕХ ФИКТИВНЫХ СИЛ, ОСТАВИВ ВМЕСТО НИХ В НЕИНЕРЦИАЛЬНЫХ ВРАЩАЮЩИХСЯ СИСТЕМАХ ЛИШЬ ИХ ФИКТИВНЫЕ «АНТИУСКОРЕНИЯ» (например, «антикориолисовое»: Wантикор.= – (2ω× Vr)).
И вот этому очередное наглядное подтверждение из книги этого автора в виде цитаты из его статьи, (извините за длинную цитату):
«И в геометрических, и в аналитических выводах ускорения Кориолиса во всех современных учебниках, а также в работах классиков теоретической механики фигурирует удвоенное именно геометрическое, т.е. реальное ускоренное приращение траектории поворотного движения в направлении линейной скорости переносного движения. Примеров этому в нашей работе приведено достаточно много. И самый яркий из них по представлению физической сущности классической версии явления Кориолиса это определение удвоенного ускорения Кориолиса, как линейного ускорения через линейный путь, пройденный с ускорением Кориолиса.
Такие выводы есть, в том числе и в справочной литературе по физике. Причём в них не оговаривается, что это ускорение фиктивное.*1)
Фиктивной, по мнению классической физики, является лишь сила Кориолиса.*2)
Причём не половина силы Кориолиса, а именно вся её физическая величина...
Более того, ошибка определения ускорения поворотного движения прочно вошла в математический метод дифференцирования криволинейного движения по приращению его координат. Приращение скорости это всегда приращение расстояния, пройденного с ускорением, но приращение координат не всегда соответствует приращению этого расстояния. Поэтому вторая производная от приращения координат не всегда соответствует реальному геометрическому ускорению криволинейного движения. Классическое дифференцирование приращения криволинейного движения этого не учитывает.»
*1) К вашему сведению, это ускорение и есть самое настоящее реальное (а не фиктивное, как вам кажется), т.е.реальное ускорение точек условного твёрдого вращающегося тела со знаком плюс, а не фиктивное со знаком МИНУС, вводимое в уравнения в неинерциальной системе для устранения несправедливо и чисто визуально наложенному на свободное тело, которое никакими физическими связями не привязано в точкам вращающегося условного тела!
*2) Это так называемая «сила Кориолиса инерции». И не надо путать двух разных «баранов»: ранее названную полностью фиктивную «сила Кориолиса инерции» (со знаком МИНУС) и просто «Силу Кориолиса» (без добавления слова «инерции» и со знаком ПЛЮС), которая вполне реальна и о существовании которой автор даже не догадывается, возясь по-прежнему с официальной (из учебников) отрицательной по знаку и фиктивной «силой Кориолиса инерции» и которую он ещё и вдобавок УСЛОВНО разделил на две части (вдоль радиуса вектора и поперёк него), усмотрев в первой из них реальность, а во второй, с выводом выражения для которой он так и не смог справиться, – фиктивность. С чем мы его и поздравляем. Именно в этом-то и небольшом отличии в названии двух Сил Кориолиса и состоит грубая ошибка автора, не различившего две разных противоположно направленных силы: фиктивную "Силу Кориолиса инерции"(отрицательную по знаку) и реальную "Силу Кориолиса"(положительную по знаку).
Вот так от мешанины из ДВУХ СОВЕРШЕННО РАЗНЫХ ПРОТИВОПОЛОЖНО НАПРАВЛЕННЫХ СИЛ Кориолиса, превратившихся для автора статьи в одну единую «фиктивную и наполовину реальную» НОВУЮ гибридную Силу Кориолиса, чудесным образом совместившей в себе фиктивную «Кориолисову силу инерции» СО ЗНАКОМ МИНУС (на слово «инерции» в учебниках все уже давно как-то перестали обращать внимание) и опрометчиво введённой в учебниках (видимо, для того, чтобы всех запутать окончательно букетами из разнообразных «Сил инерции»), и вполне реальную Силой Кориолиса (без ключевого слова «инерции» И СО ЗНАКОМ ПЛЮС перед тем же самим реальным кориолисовым ускорением), возникающей вполне реально при наличии физических связей с вращающейся поверхностью Земли (например, при подмывании одного из берегов рек и эффект закручивания циклонов в вихри). Автор, не разобравшись с этими двумя АНТИПОДАМИ из двух Сил Кориолиса противоположно направленными (причём одна из них фиктивная, а другая реальная), перевалил со своей «больной головы» на «здоровую голову» математики все свои проблемы вывода, бросив тень на метод дифференцирования (видите ли он «не всегда соответствует» ожиданиям автора). Надо же найти виноватого, вот он и найден в виде метода дифференцирования.
Надеюсь, молодёжи ещё более стал понятен предлагаемый мною принцип «ликвидации как класса» целого «зоопарка» «Сил инерции» (так любезных Астахову, что он за них «горой» против всех и вся, и даже начинает их считать вполне реальными!), и которым предлагается объявить их тотальную ликвидацию и подвергнуть наказанию в виде «пожизненного цика на гвоздях», как во второй серии фильма «Кин-дза-дза»*), не в меру расплодившихся на страницах учебников механики, и как следствие, необходимо одновременное ЗАКРЕПЛЕНИЕ ЗА ФИКТИВНЫМИ УСКОРЕНИЯМИ (как первоисточника всех этих бед в виде "Сил инерции") вполне почётного и заслуженного звания «АНТИУСКОРЕНИЯ» (в данном случае - «антикорилисова ускорения» со знаком МИНУС: Wантикор.=–(2ω× Vr)) и "антипереносное" ускорение (Wантипер. – также со знаком минус (относительно реального переносного ускорения точек твёрдого тела идущих вседа со знаком плюс) в неинерциальных вращающихся системах для нормальной работы второго Закона Ньютона при расчёте движения свободного тела.
*) Примечание, для разрядки атмосферы, немного о моём любимом фильме Г.Данелии: «Кин-дза-дза». Редактор MSWord всё упорно пытался заменить мои прописные буквы слова «цик» на заглавные «ЦИК», так же как и обратно прочитанное слово «кц» (обычные спички в фильме), т.е. «цк» на "ЦК". Ай да Георгий Данелия, не зря переписывал несколько лет для обхода цензуры, свой сценарий, весивший со всеми вариантами 5 кг! Съёмки фильма в пустыне Каракум были тяжёлыми и многие не снявшиеся по разным причинам в этом фильме актёры (Вахтанг Кикабидзе, Леонид Ярмольник, Валентин Гафт), думаю не раз пожалели об этом, а вот Юрий Яковлев был готов сняться у Данелии хоть на Луне. Даже когда он лежал в больнице, то в ответ на неожиданное предложение от Данелии сняться в фильме и «Что надо уже сейчас начинать сниматься»), Яковлев ответил: «Хорошо, я завтра выйду!». Талантливый дуэт ещё болезненного на вид Юрия Яковлева и плутоватого, добродушного и надутого (от осознания своего высокого происхождения) Евгения Леонова украшает этот фильм, да и Станислав Любшин им под стать. По началу фильм (выход на экран в 1987г) многие не приняли и только по прошествии некоторого времени люди оценили эту притчу об убогой действительности общества с дифференциацией по цвету штанов (оранжевые в фильме и малиновые пиджаки в перестройку) Кстати, название фильму дал не грузин Данелия с его любимой травой Закавказья - кинзой, а совсем случайно «выдал» Евгений Леонов, когда к нему, раскачивающемуся в гамаке внутри прохладпного пепелаца (космического корабля, больше напоминающего конический чугунный литой летающий "сортир"), подсел Станислав Любшин и спросил, «что в порт-феле» у Леонова, то тот сначала раздумчиво повторил окончание последнего слова «Феле-феле-феле», а затем ответил : «Зелень, кинза» и давай распевать «Кин-дза-дза-дза…» Всю дорогу он пел, а название осталось»…Так исчез первоначальный вариант названия фильма: «Космическая пыль»… Это отрывок из статьи Марии Конюковой из журнала «Тайны СССР №3 за 2020г., стр 16-17».
Однако, продолжим в назидание молодёжи демонстрацию этих заблуждений А.А.Астахова и приведём ещё одну фразу из рассматриваемой статьи, где автор обнаружил противоречия в Кориолисовой силе, которую он, видимо, знает только в виде ОДНОГО ФИКТИВНОГО ВАРИАНТА и даже не замечает знака ПЛЮС в реальной Кориолисовой силе ( а не фиктивной Кориолисовой силы инерции, кроме которой автор ничего не знает), когда в примере известного физика Фейнмана с движением человека по радиусу вращающейся карусели и испытывающего на себе воздействие вполне реальной силы Кориолиса вынужден наклоняться вбок для компенсации «закручивающуей силы», чтобы не упасть. Оцените всю глубину искреннего недоумения автора по этому поводу:
«Начнем с того, что выясним, почему закручивающую силу, которая реально изменяет угловой момент вращательного движения, Фейнман ассоциирует с силой Кориолиса, которая с точки зрения классической физики, являясь силой фиктивной, не может изменить момент импульса в принципе.
Фейнман пишет: ≪В действительности мы хотели бы узнать, какую боковую силу должен прилагать человек, чтобы двигать массуmсо скоростьюVr=dr/dt. Как видите, она равнаFк = 2ωVr m≫.
Фактически это означает, что двигая что-то по радиусу необходимо подстраиваться под вращающуюся систему, синхронизируя вращение движущегося вдоль радиуса тела с исходным переносным вращением за счет ≪обычной≫внешней боковой силы. В классической же физике «Сила Кориолиса» считается ФИКТИВНОЙ СИЛОЙ ИНЕРЦИИ. *)
Таким образом, Фейнман в своем выводе фактически противоречит самому себе и классической физике, определяя силу Кориолиса как реальную силу, поддерживающую переносное вращение движущегося радиально тела с исходной угловой скоростью, чтобы его вращение при радиальном движении соответствовало бы прежнему переносному вращению. И это противоречие вполне оправдано, т.к. это есть объективная реальность, которую не могут игнорировать даже сторонники классической модели поворотного движения.»
*)В классической физике ФИКТИВНОЙ СИЛОЙ ИНЕРЦИИ является не «Сила Кориолиса», , а «Сила Кориолиса ИНЕРЦИИ» (со знаком МИНУС!), фиктивная и направленная в обратную сторону по отношению к вполне реальному кориолисову ускорению (а заодно и к реальной "Силе Кориолиса")
Поэтому противоречит классической физике не Фейнман , а Вы, товарищ А.А. Астахов, не заметив как знака плюс в выражении Фейнмана (Fк= 2ωVr m.), так и невнимательно прочитав название силы: "Сила Королиса", но отнюдь не "Сила Кориолиса ИНЕРЦИИ". Хотя в вашем понятии, кроме фиктивной силы Кориолиса другой кориолисовой силы быть и не может!
Вот так А.А.Астахов, автор книги, посвящённой, в основном, анализу кориолисова ускорения вообще не знает и даже не догадывается о возможном существовании другой, реальной "Силы Кориолиса" (но не «инерции») .
А откуда тогда, разрешите спросить его, берётся реальное подмывание правых берегов рек и закручивание циклонов против часов в северном полушарии разве от фиктивной «Силы Кориолиса инерции»? Конечно же НЕТ, не от неё, а от реальной "Силы Кориолиса" со знаком плюс перед кориолисовым ускорением и с направлением действия в левую сторону (в северном полушарии) от направления скрости относительного движения, поворачивая вектор относительной скорости в плоскости вращающейся поверхности Земли всё время по нормали ВЛЕВО от направления вектора относительного движения.
Вот теперь, дорогой читатель, и оцените всю реальную и назревшую необходимость предложенной выше мною реформы в терминологии СИЛ И УСКОРЕНИЙ (см. мой комментарий от 16.03.2020г), если такой вполне себе нагловатый и считающий себя непогрешимым, автор, позволяющий себе критиковать ВСЕХ И ВСЯ, не взирая на лица и звания, ( и даже операцию дифференцирования умудрился между делом упрекнуть в неточнсти ) элементарно запутался в четырёх соснах из двух взаимно противоположных по направлениям Кориолисовых ускорений (реального и фиктивного, со знаком минус) и двух Сил Кориолиса (реальной и фиктивной с обязательным словом в названии «инерции» и со знаком минус перед ускорением)!
Однако автор выпустил ещё и книгу под названием: Александр Астахов «Физика. Порядок вещей, илиОсознание знаний. Книга 2», «Издательские решения», где продолжил эту тему о фактической Силе Кориолиса, выдав «на гора» ещё одного уродца в виде Силы «Кориолиса-Кеплера», как он её называет:
«Поскольку в классической динамике вращательного движения понятие об обычной истинной силе Кориолиса-Кеплера отсутствует, то в классической физике родилась самая странная сила не только из всех сил инерции, но и самая странная из всех обычных сил!!! Классическая сила Кориолиса это либо, полу фиктивная обычная сила, либо, полу обычная фиктивная сила. Недаром физики всех времён и народов, начиная со времён Кориолиса, до сих пор спорят, реальна ли сила Кориолиса или же это только иллюзорная сила инерции.»*)
*) Вместо того, чтобы сообразить и умножить РЕАЛЬНОЕ Кориолисово ускорение (точек условного твёрдого вращающегося тела) на массу тела и получить вполне реальную Силу Кориолиса ( Fкор.= (2ω× Vr) m), направленную противоположно "Силе Корилиса инерции" (Fкор.инерции= –(2ω× Vr) m), автор придумал новый гибрид: «силу Кориолиса-Кеплера», (видимо, с заменой множителя 2 на 1),испытывая трудности с геометрическим выводом для ускорения Кориолиса в тангенциальном (поперечном) направлении относительно радиуса-вектора. Знай наших…
Однако у меня к автору книги: «А.А.Астахов Физика Порядок вещей, или Осознание знаний. «Издательство», 2017г.» имеется совсем другой и особый счёт, ибо всё вышеизложенное о его взглядах можно было бы простить автору списать на ошибки и заблуждения, которые можно только отметить (кто из нас не заблуждается или не ошибается – нет таких (в том числе имею в виду прежде всего самого себя). И мой тон был бы совершенно другим в вышеизложенных строках по отношению к автору и более спокойным и выдержанным. Однако сделано это сознательно, покольку есть за что публично наказать.
А вот за другие «прегрешения» хотелось бы спросить уже с автора по «полной программе», поскольку уже с начальных страниц своего опуса, посвящённых разбору Сил инерции, он рьяно набросился на уважаемого мною доктора технических наук, профессора кафедры теоретической механики Нурбея Владимировича Гулиа, написавшего, на мой скромный взгляд прекрасную небольшую книгу под названием «ИНЕРЦИЯ» Издательство «НАУКА» Москва 1982г. 152 стр.» Под эгидой «Академия наук СССР» Серия «Наука и техничесий прогресс» , ответственным редактором которой был, известнейший в области механики, академик А.Ю.Ишлинский. И какая же муха укусила этого Астахова, написавшего всякие гадости про классические взгляды Нурбея Владимировича по вопросам механики. Да под каждым словом небольшой, но безупречной книги Гулиа «ИНЕРЦИЯ» я подпишусь без всяких оговорок, т.к. в ней дан великолепный исторический обзор понятия инерции от античной механики до теории относительности, кратко, но весомо и понятно, чего не могу сказать об опусе словообильного Астахова.
Вообще-то нападки на тексты популярных книг Н.В.Гулиа о механике, силах и инерции вызваны со стороны А.А.Астахова явным НЕСОВПАДЕНИЕМ его представления и Силах инерции с классическим походом к ним как к чисто фиктивным, твёрдо проводимым и известным академиком А.Ю.Ишлинским, А вот для Астахова Силы инерции с одной стороны,чтобы не придпрались к нему, для него фиктивны, но чисто формально (как бы на словах), а с другой, гораздо большей, он считает их, как ни странно, вполне существующими и где-то даже реальными! И главное при этом, что он вместо того, чтобы все появления инертности в механике объяснять врождённым СКАЛЯРНЫМ СВОЙСТОВМ ИНЕРЦИИ МАССЫ ТЕЛА , заменяет для себя существованием почти реальных для него ВЕКТОРНЫХ НЕСУЩЕСТВУЮЩИХ И ФИКТИВНЫХ СИЛ ИНЕРЦИИ с радостью подхватив слова Ньютона в "Врождённой силе материи" при объяснении СВОЙСТВА ИНЕРТНОСТИ ТЕЛА. Такой вот эклектизм в одной голове в отношении к Силам инерции!
И как только он не называет Н.В.Гулиа: и «ярым сторонником фиктивности сил инерции» и что «слова Гулиа ( «…Сил инерции нет, не было и не может быть, потому чтов существующей механике им места нет») - это логика типа: этого не может быть, потому что не может быть никогда. Может быть, профессор имел в виду не саму реальную действительность, а ее математическое описание?» и «высказывание Гулиа, скорее всего, следует понимать, как полное отрицание сил инерции в реальной природе».*)
*)Моё примечание:А как же может быть иначе иначе, если они и есть самые что ни на есть фиктивные в неинерциальных системах!
А на примере рассмотрения вращения Луны вокруг Земли дело дошло даже до смешного: Гулиа утверждает, что центробежная сила НЕ ПРИЛОЖЕНА к Луне, естественно, рассматривая её вращение в инерциальной невращающейся системе относительно центра масс Земли, а автор возражает ему следующим перлом, даже не разобравшись в какой системе отсчёта идёт анализ вращения (да, в неинерциальной земной системе к Луне вынужденно приложено ФИКТИВНОЕ «центробежное ускорение» (или «антицентростремительное» ускорение), на что Астахов глубокомысленно возражает, даже не представляя себе разницу между системами отсчёта:
«А поскольку небесные тела реально подталкивает(?) друг к другу вполне материальное поле тяготения, но при этом они не падают друг на друга, то надо полагать, что они сопротивляются ему при помощи вполне реальной центробежной силы».*)
*) Примечание: А может быть, т. Астахов, от того что у Луны есть соотвествующая по величине орбитальная скорость, которая и не позволяет ей рухнуть на Землю! А не благодаря несуществующаей в реальной действительности ФИКТИВНОЙ ЦЕНРОБЕЖНОЙ СИЛЫ! Поищите-ка её в инерциальной системе: её там никогда и не было, кроме ЕДИНСТВЕННОЙ силы притяжения Луны к Земле! И вот благодаря наличию орбитальной скорости Луна, ПАДАЯ ВСЁ ВРЕМЯ на Землю под воздействием ЕДИНСТВЕННОЙ силы притяжения к Земле лишь РАЗВОРАЧИВАЕТ ПО НАПРАВЛЕНИЮ свой вектор орбитальной скорости успевая пролететь вбок, по касательной к радиусу-вектору, направленномк на Землю. , что и приводит к эллипитческой орбите вокруг Земли (почти круговой). Не будет скрости и Луна прямиком, как сорвавшийся лифт, полетит прямо к Земле. Это вам для ОСОЗНАНИЯ и соотвественно для вашего ПРОСВЕТЛЕНИЯ.
Или вот эта наглость зазанавшегося и непогрешимого, а на деле безграмотного автора:
«Как можно утверждать, что он (Гулиа) всё и всем доказал, если с другой стороны можно со сто процентной уверенностью сказать, что сам Гулиа ничего толком не знает о природе инерции. И это не голословное утверждение. На сегодняшний день природа инерции официальной наукой, приверженцем которой является Гулиа, не установлена. Не известны и революционные работы самого Гулиа о природе инерции. Все его нынешние доводы не выходят за рамки средней школы.» *)
*) Природу инерции можно и не знать! Достаточно её лишь привильно учитывать, но грамотно, без вывиха в мозгах.! А по-моему скромному мнению, Вы сами и есть полное невежество и ничтожество, мнящее из себя знатока механики. Позор на уровне средней школы. Далее не буду продолжать, вполне хватит вышесказанного. Это у Вас самого , товарищ Астахов, знания не выходят за рамки средней школы!
P.S. Уважаемый А.А.Астахов! Не надо ничего писать на данный сайт, ответа не будет. Поскольку я стою на страже научности данного сайта (выполняю общественное поручение), то Ваше присутствие на нём объявляю «persona non grata» …
А Вам не кажется, что надо бы извиниться перед уважаемыми людьми (перед Н.В.Гулия, например), что несколько пробудит Вашу подуснувшую совесть и загладит ошибки и заблуждения. Отталкивайтесь, пожалуйста, "от осознания и просветления" (по В.Высоцкому). Вот мне, например, хоть и стыдно за мои ошибки и несдержанности, допущенные мною на этом сайте, но нахожу же я в себе силу признать их. Поверьте, все ошибаются - это естественно, а у Вас, честно говоря, есть талант и глубокое мышление, но Вас одолевает гордыня, разрешающая Вам без огляки верить в Вашу непогрешимость и нападать на всех и вся. Боритесь с неправильными идеями, а не с людьми их высказавшими. После того, что Вы узнали о своих заблуждениях, главное сделать правильные выводя для себя и начать с раскаяния. Но не все могут побороть в себе этот самый страшный грех падшего человека - СОБСТВЕННУЮ ГОРДЫНЮ. Если Вы её сейчас преодолеете, не сделаете первый шаг и не раскаетесь, то она сожрёт Вашу бессмертную душу и погубит Вас окончательно... Вспомните последние годы Л.Толстого, его гордыню. Одумайтесь, пока не поздно, покайтесь. И с новыми силами принимайтесь за новые работы, только без наскоков на других и никогда не забывайте о слабости нашего ума, не возгордитесь, иначе - конец личности. Будьте благоразумны...
P.S. Следующий комментария будет о трактовке трёх законов Ньютона.
Луна не уходит к Солнцу, летает вокруг Земли - а ей упорно приписывают траекторию околосолнечную. Почему в таком случае спутникам Марса не приписывают подобные траектории. или Юпитерианским?
Есть система Земля-Луна, и она входит в систему Солнечную, как и все остальные планеты. И пора уж это понять и принять.
Другое дело. что Луна идет вокруг Земли несколько необычно, захватывая две разрешенные орбиты - да. Напоминая траекторию кометы. Но связано это скорее всего с тем, что ее диаметр больше, чем ширина максимальной разрешенной орбиты - 400000х0,005 = 2000км.
Ох, друзья, простите! Оказывается, я невнимательна - и к другим планетам и их спутникам применяют эту теорию. Слушайте, да вы эзотерики еще те!
Как может планета, у которой притяжение ниже, чем Солнечное, что-то удерживать около себя? Если Солнце тянет к себе Луну вдвое сильнее, чем Земля - то луна давно уже должна была у бежать от нас.
Ещё в старших классах школы соседка по дому, зная мой интерес к звёздам, пригласила меня на занятия астрономического кружка студентов Пединститута, который вела там Рахиль Менашевна.
С той поры во многих моих астрономических наблюдениях и исследованиях присутствуют руководство и участие Рахиль Менашевны.
Это и наблюдения затмений (в т..ч. - солнечного в Шортанды 30 мая 1965 г.), переменных звёзд, покрытий звёзд Луной, затмений спутников Юпитера и др. по программам ВАГО. И, конечно, первых ИСЗ, когда она стала начальником Станции визуальных наблюдений в Ульяновске. Её фото за приёмом "бип-бип"-сигналов первого в мире ИСЗ вы и видите в заголовке статьи о ней.
Со временем Р.М. доверила мне самостоятельно пользоваться телескопом УГПИ, бинокулярами и др. приборами станции наряду с ответственным за это Голобородько Е.И.
не ушла из нашей жизни - столько авторских материалов, которые собрали десятки тысяч просмотров, останутся навсегда на нашем сайте.
не угасла - псевдоним RMR_astra как свет далекой звезды будет светить не только всем, кто знал её, но и будущим поколениям.
Рахиль Менашевна не любила, когда высказывали слова благодарности или расхваливали заслуги, не буду делать этого и сейчас. Каждый сохранит в душе то, что осталось от общения с этим человеком.
На главной странице сайта сейчас выставлены только публикации RMR_astra. И это лишь небольшая часть значительного творческого наследия. Последние годы сайт фактически жил и обновлялся новыми научно-популярными статьями Рахили Менашевны.
Людей, которые посвятили свою жизнь астрофизике, не так много на Земле. Личный опыт общения с астрофизиками и астрономами доказывает, что это действительно особенные люди. У них есть дар свыше слышать и чувствовать Космос.
Дело в том, что направления движения силовых потоков на разных орбитах разное - есть правостороннее, и левостороннее, через одну. И поэтому сектора два. Рисунок не очень понятный, согласна. И наши ведь зонды выходят из гравитационного поля Земли, верно? Так же и корабль может выйти. И опять-таки, если знать, где расположены эти секторы у Земли, выход на орбиту будет прост.
Вы знаете, что Гагарин чуть не удетел прочь от планеты? Он с трудом остановил корабль на высоте вдвое большей, чем было запланировано - потому что не учитывались некоторые свойства гравитационного поля. А именно, его сила отталкивания. ну и еще кое-что.
Но, к сожалению, мы совершенно не знаем, где проходит нулевой меридиан системы Земля. И не можем определить ее ключевые точки. Нет, это не меридиан Гринвича, совсем нет.
надеюсь, здесь лучше видно. если вы видели проигрыватели с пластинками, то там игла с определенного места срывалась и шла к центру пластинки - нечто подобное и я имею в виду, причем в обе стороны - как к центру, так и к окраине.
Право, не знаю. Вам решать. Только исправьте мой перегиб с супер-гипер, что-то я погорячился, как всегда. Уважаемая Надежда, прошу прощения, за несдержанность. Просто хам и грубиян, это точно. Меня так иногда заносит, что теряю полный контроль над ситуацией и забываю кто я есть и где я был. Видит Бог, только хотел удалить, но уже поздно. В любом случае, уважаемая Полина, подправьте, самому стало стыдно за себя.
Пусть уважаемая Надежда, опубликует все свои мысли как считает нужным. У нас свобода слова. Меня же Вы терпите. А уж потом, Вам решать, когда обновить Доску обмена мнениями.
Только намеревалась снять с публикации все сообщения автора в личном блоге, но после Ваших остроумных комментарий предлагаю оставить для будущего поколения.
Выйти из себя у ещё могу, но из гравитационного поля Земли как-то ещё не получалось. Гравитация Солнца, пока что транспорт в одну сторону, к Солнцу, или у нас уже и гравитация со знаком минус? Да и оседлать гравитацию как-то непривычно, невидимая и брыкается, нет у меня соответствующего космичекого седла. Да, к тому же, судя по рисунку, прибываем мы всегда в одну точку и ту же точку - в центр круга, а там, как я понимаю, видимо, Солнце как самый главный гравитатор нашей системы. Поскольку все круги межпланетных траекторий и орбит, обычно вокруг него, или я чего-то не понимаю. Или кто-то по нашей просьбе создаст нам зелёныё и красные трассы спецдоставки вокруг требуемой нам планеты?
В 1-3 четвертях возможно открываются "червоточины" между траекториями, и чтобы перейти их надо вовремя найти, а вот как,непонятно, по цвету линий, что ли, или по светофору: на зелёный - туда, а на красный - обратно. Правильно ? А может теория позволит сразу проложить путь напрямую к требуемой планете, ну как в фильме "Звёздные врата", например, без всяких там перескоков и указателей, а то как бы чего-нибудь не потерять в дороге.
Так что объясните, пожалуйста, поподробнее, как ориентироваться и сигать в секторах. И есть ли указатели на поворотах? И не отнимут эти перескоки все наши скудные резервы топлива? Ведь ничего даром не бывает, кроме мышеловки. Уж очень хочется съэкономить на проезде. А так неплохо было бы слетать на Марс по этому скоростному маршруту с солнечным ветерком на пару туда и, конечно же, обратно. Кстати, поможет ли в путешествии метла от Гарри Потера или, на худой конец, метла "Дворника Степанова"(послушайте, на досуге, песню с этим названием от дуэта ИВАСИ). Эх, пролетим на метле по космическим ухабам с эзотерическим свистом! Поехали...
Должен признаться, я потрясён: как это Вы так лихо из одной всем известной, даже в детском саду, роковой цифири в 26000 лет, открыли сразу целую бездну законов и скоростей в движении нашей «Солнечной Галактики». Преклоняюсь. Кстати, спасибо за комплимент от имени Солнечной (пока ещё) системы, состоящей из какого-то жалкого десятка планет, за повышение в ранге до звания Галактики это, знате ли, даже системе приятно. Особенно впечатлило определение скорости Солнца по его орбите в длинах орбиты Земли с её орбитальной скоростью 30 км/сек, и естественно, ну совершенно неожиданным и потрясающим совпадением, с орбитальной скоростью Солнца.
А Ваша Кграв. = RV2«по правде говоря, настоящая Гравитационная постоянная», которая стабильна для данного тела (Закон Стабильности Вращающейся Системы), на мой взгляд, увы, тень действующего момента инерции тела (J= Σ (mi · r2i) , поддерживающего стабильность вращения тела, так же, как и та же масса поддерживает стабильность тела в его прямолинейном движении. Как можно рассуждать о стабильности вращения тела без рассмотрения массы тела с её истинной стабильностью в виде свойства инерции массы.. Нет массы - нет и инерции, и нет никакой стабильности.
А вообще Ваша фраза:
И эта орбита – не Млечный Путь. Солнечная Галактика намного меньше Млечного Пути, и движется по нему, как и масса других галактик. И она даже не слишком велика.
Именно для данного сайта космических исследований весьма актуальна, только не надо путать Системы, Галактики, Метагалактики в одну кучу космических "баранов", вытасивая их как очередных фокусных зайцев, как бы тут не побили виртуальными «каменьями».
P.S. А название Вашей теории мне понравилось ("Универсальный Единый закон Гравитации/Полей, УЕЗГ/П", скромно так и в то же время во вкусом. На мой скромный взгдяд, гораздо проще для произношения аббревиатура ЕЗ/ГПУ. С нетепением ждём продолжения.
Некогда больше отвлекаться, сам вот на досуге сварганил очередной Всемирный то ли закон, то ли теорию, то ли очередную чушь... Пока ещё не определился в статусе опуса. Так, что извините, переписки больше не будет. Некогда отвлекаться на чужие потусторонние Всемирные законы и постоянные, сам сочиняю такие же ...
Заинтересовавшись после комментария Георгия, какие материалы сайта набрали большое число просмотров, стала просматривать архив.
Опубликованные ВИ0540 наблюдения погоды марта за 10 лет (2004-2013гг) не набрали рекордного числа просмотров, но оказались очень интересными для сравнения с погодой нынешнего марта 2020 года.
Именно по этой причине эта статьяВИ0540 выставлена из архива на главную страницу сайта.
К вопросу о переносном и кориолисовом ускорениях в неинерциальных системах отсчёта.
Предыдущий комментарий был посвящён выводу выражений для переносной скорости и всех видов ускорений, присущих неинерциальным системам отсчёта. В данном комментарии проанализируем все виды возможных ускорений в неинерциальных системах.
Но для начала проведём анализ окончательных выражения для всех возможных видов ускорений, которые возникают при расчёте движения материальной точки относительно подвижной неинерциальной системы отсчёта и которую для простоты понятия, назовём подвижной, в отличие от инерциальной неподвижной системы, которую так и назовём: неподвижной.
Вот они все выражения для всех возможных ускорений в подвижной системе перед нами:
W=We + Wr + Wc. - Абсолютное ускорениесвободного тела в инерциальной системе отсчёта... (1)
где:
Wr =(dVr/dt)отн.=(d2rx/dt2) i + (d2ry/dt2) j + (d2rz/dt2) k. – Относительное ускорение свободного тела относительно неинерциальной вращающейся системы ………... (2)
We = WA + ((dω/dt) × r) + (ω × (ω × r)). – Переносное ускорение (реальное ускорение точек условного твёрдого вращающегося тела вместе с осями подвижной системы)….... (3)
Wс = (2ω × Vr). - Кориолисово ускорение (реальное ускорение подвижного тела, передвигающегося относительно вращающегося тела и имеющего с ним физическую связь)…. (4)
Выр.(1) - это и есть содержание теоремы Кориолиса: Абсолютное ускорение точки можно рассматривать в сложном движении как геометрическую сумму относительного, переносного и кориолисова ускорений за счёт введения в рассмотрение подвижной СК, начало которой может обладать в общем случае линейной переносной скоростью ( VA ) и ускорением ( WA ), а также может и вращаться с угловой скоростью (ω), обладающей в общем виде и угловым ускорением ( dω/dt ), возможно и наличие скорости относительного перемещения рассматриваемой нами точки относительно подвижной системы с линейной скоростью (Vr).
Для того, чтобы подвижная система отсчёта превратилась в НЕИНЕРЦИАЛЬНУЮ систему вполне достаточно либо наличия линейного ускорения у начала системы (WA), либо наличия у подвижной системы вращения угловой скорости вращения ω относительно инерциальной системы.
Важное замечание: Все выражения для ускорений(1-4), да и скоростей, были получены при условии, что рассматривалось движение АБСОЛЮТНО твёрдого подвижного тела с «закреплёнными» на нём, связанными осями подвижной системы. В учебниках по теоретической механике в начале подробно рассматривается вращение твёрдого тела с неподвижной точкой вращения, а затем и с подвижной, т.е. в общем виде движения вращающегося твёрдого тела. При этом уравнения для скоростей и ускорений точек тела получаются совершенно аналогичными вышеприведенным для подвижной системы отсчёта(1-3) с той лишь разницей, что при неподвижной точке вращения нет скорости и ускорения в этой точке, т.е. VA и WA, равны нулю, а вот при освобождении тела от неподвижной точки они появляются, да и ещё в этих уравнениях, естественно, так же нет кориолисова ускорения (Wс=0), поскольку тело жёсткое и нет никакого относительного перемещения (Vr=0) какого-либо материального тела относительно поверхности вращающегося условного твёрдого тела.
Так что, в итоге, все ускорения в выр.1-4 для подвижной неинерциальной системы отсчёта ВЫВЕДЕНЫ ТОЧНО ТАК ЖЕ, КАК И ДЛЯ ТОЧЕК ТВЁРДОГО ВРАЩАЮЩЕГОСЯ И ПЕРЕМЕЩАЮЩЕГОСЯ В ПРОСТРАНСТВЕ ЖЁСТКОГО ТЕЛА с учетом того факта, что относительная скорость (Vr) и ускорение (Wr) могут изменяться (в сравнении с уравнениями для твёрдого тела) за счёт, например, появления определённой физической связи, удерживающей некое подвижное тело в контакте с поверхностью вращающегося и в то же позволяющей ему свободу относительного перемещения со скоростью Vr по его поверхности, и поэтому все выр.1-4 являются действительными и реальными ускорениями как для любой точки твёрдого вращающегося тела, так и для некоего тела, перемещающегося со своей относительной скоростью Vr по его поверхности.
После подстановки выражения для ускорения движения тела из второго закона для тела, движущегося под воздействием равнодействующей всех сил в абсолютной системе ( W = F/m) в левую часть выр.1 и выделения в левую часть выражения, для искомого нами ускорения тела относительно подвижной системы (Wr) получим окончательное выражение
Wr = F/m –We –Wc = F/m + Wантипер. + Wантикор.; - Ускорение (относительное) свободного тела в неинерциальной системе.……. (5)
где:
Wr = (dVr/dt)отн. = (d2rx/dt2) i + (d2ry/dt2) j + (d2rz/dt2) k. - Относительное ускорение свободного тела в неинерциальной системе
Wс = (2ω × Vr). - Реальное кориолисово ускорение перемещающегося подвижного тела по поверхности вращающегося твёрдого тела и имеющему физическую связь с поверхнотью... (4)
И где фиктивные (мнимые) ускорения (Wантипер. = –We) и (Wантикор. = -Wc) , стоящие в правой части выр.(5) можно назвать «антипереносным» и «антикориолисовым» ускорениями с учётом их фиктивности и противоположной направленности фактическим ускорениям точек условного твёрдого тела, вращающегося вместе с осями подвижной неинерциальной системы.
Ниже, для сравнения, приведены похожие выражения из учебника (М.А. Айзерман «Классическая механика» с стр.107 (см.выр.(8)и (9)):
mi Wr (отн.) = Fi + Ji пер. + Ji кор. ……………….……………………………….………..…... (8)
где: Ji пер. = – mi We (пер.), Ji кор. = – mi Wc (кор.) ……......………………. (9)
Обратите, пожалуйста, внимание на ВАЖНОЕ ОТЛИЧИЕ выражений (5-7) от выр. (8-9).
Моя ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ПОЗИЦИЯ ЗАКЛЮЧАЕТСЯ В ТОМ, ЧТО НЕ СТОИТ ВВОДИТЬ ПОНЯТИЙ ДЛЯ ФИКТИВНЫХ (МНИМЫХ и НЕСУЩЕСТВУЮЩИХ) «СИЛ ИНЕРЦИИ» и «СИЛЫ КОРИОЛИСА ИНЕРЦИИ» (в виде выражения (9)), А ВПОЛНЕ ДОСТАТОЧНО ОГРАНИЧИТЬСЯ ФИКТИВНЫМИ УСКОРЕНИЯМИ ВМЕСТО НИХ (–We) и (-Wc) (выр. (5-7), придав им единообразные названия с приставкой «АНТИ», т.е. противоположно направленные с предлагаемыми для них следующими названиями: «антипереносное» и «антикориолисово» ускорения.
*) Примечание: АНТИ (греч. Anti) - против, направленности против кого или чего-нибудь, приставка, употребляемая с другими словами для обозначения противоположности или противодействия.
При этом, получается, что приставка «АНТИ» носит УСИЛЕННЫЙ ДВОЙНОЙ смысл:
во-первых как противоположно направленное ускорение, о чём говорит знак МИНУС перед ускорением, а во-вторых, что ещё важнее, - приставка "анти" подчёркивает ФИКТИВНОСТЬ этих ускорений для нашего мира, как, например, понятие из потустороннего для нас несуществующего мира, т.е. антимира, состоящего из антивещества, где всё наоборот и в котором сила вызывает ускорение не в направлении действия этой силы (a =F/m) как это д.б. по первому закону Ньютона, а в противоположном направлении, т.е. (a = - F/m).
В итоге реальным переносному и кориолисову ускорениям точек вращающегося жёсткого тела и подвижного перемещающегося по поверхности твёрдого тела, движущегося по нему (см.выр. 3 и 4) противопоставляются их отрицательные по знаку «антипереносное» и «антикориолисово» ускорения (выр.3-7) – ФИКТИВНЫЕ, МНИМЫЕ И НЕСУЩЕСТВУЮЩИЕ РЕАЛЬНО, но приписываемые визуально при совмещении точек вращающегося (условного) твёрдого тела при их совпадении в пространстве с рассматриваемой нами свободной точкой только за счёт собственных эволюций, т.е. перемещения и вращения, условного твёрдого тела и при этом никоим образом физически не связанных с движением свободного тела в пространстве.
Как известно, понятие этих ФИКТИВНЫХ СИЛ ИНЕРЦИИ было введено Д’Аламбером и Эйлером для удобства расчёта в статике вместо динамики движения тела, когда к телу приложена взаимно уравновешенная система сил из реальных и мнимых, полученных чисто формальным путём за счёт умножения массы тела на вышерассмотренные фиктивные «антипереносное» и «антикориолисово» ускорения (см. выр.8-9), в т.ч. и ЗАМЕНЕ РЕАЛЬНОГО УСКОРЕНИЯ ТЕЛА (см. (F/m) в выр.(5) ), получаемого по второму закону в инерциальной системе, в ЕЩЁ одну фикцию в виде разновидности «МНИМОЙ СИЛЫ ИНЕРЦИИ», разменивающей ускоренное движение тела на эту самую «НЕЧИСТУЮ» СИЛУ, останавливающую его ускоренное движение и «замораживающее» тело в положение статичного равновесия под воздействием всего этого полностью уравновешенного букета разношёрстных сил.
Это всё и привело, в итоге, к этакому симбиозу в основном из МНИМЫХ И ФИКТИВНЫХ СИЛ СО ЗНАКАМИ МИНУС, в котором немудрено было многим заблудиться и принять их ЗА ВПОЛНЕ ОБЫЧНЫЕ реальные силы, под действием которых, можно якобы осуществлять перемещения тел, как например, это часто ошибочно думают о центробежной силе, считая её активной и самостоятельной.
Но ЦЕНТРОБЕЖНАЯ СИЛА эта ПО СУТИ ФИКТИВНАЯ, ВТОРИЧНАЯ, ОТВЕТНАЯ СИЛА РЕАКЦИИ, т.е. несуществующая и несамостоятельная по происхождению (в отличие от реальной активной центростремительной силы. За фальшивым фасадом центробежной силы и её ускорения стоит реальное проявление ИНЕРЦИОННОГО СВОЙСТВА ТЕЛА К СОХРАНЕНИЮ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ДВИЖЕНИЯ, от которого это тело УВОДЯТ В СТОРОНУ ЦЕНТРОСТРЕМИТЕЛЬНЫМ УСКОРЕНИЕМ, преодолевающим это ИНЕРЦИОННОЕ СВОЙСТВО МАССЫ ТЕЛА СОПРОТИВЛЯТЬСЯ ЭТОМУ ОТКЛОНЕНИЮ ОТ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ДВИЖЕНИЯ и реально сообщающему телу эллиптическую траекторию движения (по отношению к инерциальной системе), а по отношению к неинерциальной вращающейся системе сводящейся к взаимно уравновешенным векторам реального центростремительного ускорения и фиктивного «антиценростремительного» (т.е. центробежного) или тот же баланс в виде сил: центростремительной и «антицентростремительной» (т.е. центробежной) как сейчас повсеместно принято это преподносить.
Если реализовать предложенную выше СИСТЕМУ ТОЛЬКО ИЗ ФИКТИВНЫХ МНИМЫХ УСКОРЕНИЙ С ОБЯЗАТЕЛЬНОЙ ПРИСТАВКОЙ К НИМ «АНТИ», т.е. УСКОРЕНИЙ СО ЗНАКОМ МИНУС, И ОДНОВРЕМЕННО ОТКАЗАТЬСЯ ОТ РАССМОТРЕНИЯ СООТВЕТСТВУЮЩИХ ИМ ФИКТИВНЫХ СИЛ (СО ЗНАКОМ МИНУС ПЕРЕД ИХ ЖЕ «РОДНЫМ» УСКОРЕНИЕМ), то и не было бы никогда проблем с этой приснопамятной ФИКТИВНОЙ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ СИЛОЙ, КОТОРОЙ БЫ ПРОСТО НЕ СУЩЕСТВОВАЛО ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ, а вместо неё фигурировало бы в уравнении второго закона движения только фиктивное «антицентростремительное» (ныне центробежное) ускорение. Также пропали бы из выражений динамики движения тела ВСЕ НЕСУЩЕСТВУЮЩИЕ МНИМЫЕ "СИЛЫ ИНЕРЦИИ", место которых в уравнениях движения заняли бы соответствующие им фиктивные ускорения со знаком минус. А главное, пропал бы и сам предмет спора о реальности "СИЛ ИНЕРЦИИ" по причине их ПОЛНОГО ОТСУТСТВИЯ в предлагаемой автором системе ускорений и сил.
Действительно, Д’Аламбер и Лагранж вполне могли бы обойтись применением СТАТИКИ ДЛЯ ВЕКТОРОВ УСКОРЕНИЙ ВМЕСТО СТАТИКИ СИЛ, никакой, в принципе, разницы, те же самые вектора, но промасштабированные по модулю (свое длине) умножением на обратную величину массы тела. Однако всех, видимо, попутала «нечистая сила», иначе говоря, так увлекла своим обаянием «СИЛА» (пускай и фиктивная, мнимая и несуществующая, но СИЛА). Как, например, и в современной рекламе на ТВ про Силу Сибири, Силу Красоты и т.п. букет Сил. И даже Ньютон не устоял, применив термин сила инерции, вместо свойства инерции массы, хотя в его законах и определениях нет никакого места фиктивным силам инерции, кроме как реальной «врождённой силы материи» в Определении III, которое не лишне будет повторить в данном месте:
« 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.»
*) Хотя из самого текста Определения чётко видно, что Ньютон понимает под термином"врождённая сила материи" только "присущую ей СПОСОБНОСТЬ сопротивления",а это и есть скалярная селичина, а не векторная.
В итоге, давно пора навести порядок в терминологии теоретическтой механики в части наименований сил и ускорений, закрепить статус РЕАЛЬНЫХ НЬЮТНОВЫХ СИЛ за всеми реальными силами в механике, исключив все фиктивные "силы инерции" и оставив мнимый мир только ФИКТИВНЫМ УСКОРЕНИЯМ с приставкой «АНТИ» (и с присущим им знаком минус) для очищения и оздоровления физической реальности нашего мира. Да сгинут все мнимые «СИЛЫ ИНЕРЦИИ», оставив взамен себя лишь фиктивные мнимые отрицательные ускорения в уравнениях Ньютона для неинерциальных систем отсчёта.
Однако, после этой небольшой разборки с фиктивными "силами инерции", обратимся к подробному рассмотрению всех ускорений, возникающих в неинерциальных вращающихся системах.
1. Об относительном ускорении.
Относительное ускорениеWr (см.выр.(3)) рассматриваемой нами точки, как и её относительная скороcть Vr по своей сути является такими же параметрами относительного движения по отношению к своей подвижной (неинерциальной) СК, как и абсолютное ускорение (и абсолютная скорость) являются относительным движением по отношению к своей инерциальной СК и представляют собой простые вторые и первые производные по времени от радиусов-векторов расстояний точки до начала в двух систем отсчёта, включающие в себя только по три векторных составляющих, спроектированных на единичные орты в своих соответствующих системах отсчёта. Именно это относительное ускорение (и относительную скорость) для рассматриваемой нами точки, свободной от физических связей с подвижной системой отсчёта, мы и реально освободим от соседства с остальными ускорениями (переносным и кориолисовым) для того, чтобы получить «освобождённые» относительные ускорения для нашей свободной точки от, теперь уже ставших для её относительного движения «фиктивными» ускорениями, незаслуженно приписываемыми свободному телу от реальных ускорений точек условного жёсткого подвижного тела, которые совпадают по очереди в пространстве в каждый из моментов времени с нашей свободной точкой, но которые это свободное тело НЕ СОВЕРШАЕТ по причине своей свободы от связей с подвижной системой, что в итоге и обеспечит нам получение правильного результата расчёта движения точки при применении всех законов движения, справедливых и в инерциальных системах отсчёта!
2. О переносном ускорении.
Переходим к рассмотрению переносного ускорения We (выр.(3)), которое развивается любой условной точкой жёстко связанной с подвижной системой и совершающей движение вместе с ней как единое жёсткое тело с переносным ускорением We. При этом весь этот набор из трёх членов переносного ускорения (выр.3) реально воздействует на все точки твёрдого тела с его связанными осями в подвижной системе отсчёта и поэтому автоматически просто визуально-формально приписывается и нашей рассматриваемой свободной точке от одной из тех жёстко-связанных с подвижной системой точек, которая в каждый из моментов времени визуально СОВПАДАЕТ по положению с РАССМАТРИВАЕМОЙ НАМИ СВОБОДНОЙ ТОЧКОЙ. Но если переносные ускорения у «жёстко-связанных» точек реальны и объяснимы наличием жёсткой связи как единого материального вращающегося тела, то приписывание этих же самых ускорений нашей свободной точке, никак не связанной с подвижной системой и движущейся самостоятельно в пространстве под воздействием реальных сил, действующих в обеих системах (например, силы гравитации), является полнейшей фикцией (оптической иллюзией), от которой абсолютные уравнения рассматриваемоё точки в сложном движении и надо ОСВОБОДИТЬ, иначе говоря, вычесть это переносное ускорение We из абсолютного реального ускорения точки W, стоящего слева в выр.(1). По той же самой причине необходимо вычесть и кориолисово ускорение Wс.
Посмотрим, что представляют из себя три члена переносного ускорения в выр.(3).
Первый член – это линейное ускорение начала подвижной системы WA, кстати, в общем случае начало подвижной системы может обладать и вектором линейной скорости VA, который также должен быть учтён, но уже в качестве начального значения скорости в дифференциальных уравнениях движения для скорости рассматриваемой точки.
ПЕРЕНОСНОЕ ускорение начала подвижной системы WA(как и вектор скорости начала системы VA ) целиком и полностью приписываются собственному движению рассматриваемой точки (как впрочем и всем точкам условного твёрдого подвижного тела), поскольку само начало подвижной СК считает себя всегда неподвижным и не вращающимся центром (угловую скорость подвижной системе мы назначаем сами с позиций другой, внешней для подвижной системы - инерциальной системы, что справедливо и для любых систем отсчёта, например, также приписывается скорость и ускорение поступательного движения для начала подвижной системы со стороны внешней системы. По правилу механики о допустимости параллельного переноса линейные вектора ускорений и скорости начала системы отсчёта ВПОЛНЕ СПРАВЕДЛИВО приписываются всем точкам условного жёсткого подвижного тела и тут же, заодно, и нашей свободной точке в сложном движении, но уже АБСОЛЮТНО НЕОПРАВДАННО (просто чисто визуальным наложением ускорения точки жёсткого подвижного тела, совпавшей в данным момент с нашей свободной точкой), поскольку реально нет никакой наложенной физической связи между рассматриваемой нами свободной точкой и совпавшей с ней в данный момент «жёсткой» точкой тела подвижной системы. По этой причине простого визуально-формального приписывания нашей рассматриваемой точке линейного ускорения и скорости начала подвижной системы их также надо вычесть в сложном движении из абсолютного ускорения и скорости неподвижной системы.
Второй член переносного ускорения в виде ((dω/dt) ×r) называется в механике вращательным ускорением и есть ни что иное, как вектор дополнительной линейной скорости, возникающий за счёт углового ускорения вращения начала подвижной системы (dω/dt) на дальности r и суммирующийся с вектором круговой скорости (V = (ω × r)) (см. о нём чуть ниже по тексту), правда, только при условии совпадении по направлению векторов углового ускорения и угловой скорости, что, конечно, не всегда выполняется.
Перед началом рассмотрения третьего члена переносного ускорения вспомним правила определения векторного произведения двух векторов и заодно определим, как расположен в пространстве третий член переносного ускорения из выр.(3), равный двойному векторному произведению: (ω × (ω × r)) и своим видом напоминающий выражение для центростремительного ускорения при вращении тела по кругу. Проверим, не оно ли это?
Нелишним будет напомнить о том, что все векторные произведения пар векторов взяты в круглые скобки, вектора в них отмечены жирным шрифтом, и добавлен символ векторного умножения «×», а результатом этого произведения является также вектор, направление которого определяется с помощью правила правой руки (см. это «правило правой руки» в виде справки под выр.(8) в начале предыдущего комментария), а величина (длина) итогового вектора произведения двух векторов может быть определена по правилу раскрытия векторного произведения, описанному ниже.
Например, для выражения, определяющего вектор скорости любой системы точки (V) при её вращении с угловой скоростью (вектор ω) относительно начала системы отсчёта с радиуcом-вектором вращения r определяется векторным произведением: V = (ω × r), в котором длина вектора скорости рассчитывается по выражению для его модуля (операция взятия модуля от вектора в виде вертикальных скобок | V |) векторного произведения в виде:
| V | = | ω || r | sin(φ),
где угол φ есть угол между вектором угловой скорости (ω) и радиусом-вектором расстояния до рассматриваемо рассматриваемой точки (r) из начала системы отсчёта и, как правило, этот угол равен 90 градусам для чаще всего встречающихся случаев рассмотрения движения в одной плоскости рисунка, когда вектор угловой скорости вращения неинерциальной системы перпендикулярен плоскости рисунка с плоскими траекториями движения точек, например, вращения точки по кругу и направлен вертикально вверх своей стрелкой от плоскости рисунка из начала системы координат на наблюдателя (при этом ЗА ПОЛОЖИТЕЛЬНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ ВРАЩЕНИЯ (ω), принято принимать вращение вокруг этого вектора в плоскости рисунка ПРОТИВ ЧАСОВОЙ СТРЕЛКИ). В результате на таком рисунке вектор скорости вращения для точки лежит в плоскости рисунка, является перпендикулярным радиус-вектору расстояния точки от начала координат и направлен при такой положительной скорости вращения влево от радиуса-вектора дальности. В итоге, векторного произведения V = (ω × r) получили вектор скорости вращения скорость вращения (V) точки по окружности, направленный влево по касательной к ней.
Далее раскроем последний член для переносного ускорения из выр.(3), записанного в виде двойного векторного произведения, подставив только что рассмотренный нами вектор скорости для вращающейся по кругу точки (V=(ω × r)): (ω × (ω × r)) = (ω ×V). Раскрывая так же по правилу правой руки векторное произведение (ω ×V) выясняем, что итоговый вектор Wосестремит. = (ω ×V) действительно лежит в плоскости рисунка кругового вращения точки и направлен на начало системы отсчёта и является ничем иным как ОСЕСТРЕМИТЕЛЬНЫМ УСКОРЕНИЕМ при вращении точки с вектором угловой скорости (ω), которое в частном случае чисто плоского движения совпадает с вектором ЦЕНТРОСТРЕМИТЕЛЬНОГО ускорения вращения по кругу:
его величина может быть представлена в плоском круговом вращении разными выражениями:
|W центростр.| =| ω | | ω | | r | = | ω | | V | = | ω |2 | r | = | V |2 / | r | …………...................…(11)
Как говорится, выбирайте любое, подходящее Вам, выражение для центростремительного ускорения в плоском вращательном движении точки.
3. О кориолисовом ускорении.
Выражение для определения кориолисова ускорение (выр.4) выглядит в векторном виде так:
Wс = (2ω × Vr).
Модуль этого векторного ускорения равен: | Wс | = 2|ω| |Vr| sin(ω,Vr). Для него можно применить правило правой руки, но есть ещё более удобное правило Н.Е. Жуковского в следующем виде:
« Проекцию вектора относительной скорости Vr на плоскость, перпендикулярную вектору угловой скорости ω подвижной системы координат, равную |Vr| sin(ω,Vr) следует умножить на 2|ω| и повернуть на угол 90 градусов вокруг вектора ω в направлении вращения, и по этому направлению направить вектор кориолисова ускорения».
Вполне очевидно, что кориолисова ускорения не будет, когда один из векторов нулевой, или же вектор относительной скорости параллелен вектору угловой скорости, т.к. при этом sin(ω,Vr)=0.
Это можно продемонстрировать на примере жителей экватора Земли, где перемещения с линейной скоростью строго в сторону полюсов Земли (поперёк экватора) параллельны вектору угловой скорости вращения Земли и НЕ порождают появления кориолисова ускорения, а вот движение вдоль экватора на восток с относительной Vr приведёт к появлению кориолисова ускорения, направленного к центру Земли точно так же, как и направлена другая составляющая от осестремительного (центростремительного) ускорения (см. выше чуть выше окончание предыдущего 2.раздела) и их совместное «фиктивно" приписываемое свободным телам на Земле, мы вынуждены компенсировать в НЕинерциальных системах (см. выр.5), беря их с обратным знаком и, в итоге, появляется ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ СНИЖЕНИЕ ускорения притяжения тела на экваторе за счёт воздействия «центробежного» и дополнительного «антикориолисова (т.е. направленного в обратную сторону относительно кориолисова ускорения) ускорений. А вот при движении в обратную сторону относительно вектора линейной скорости вращения Земли, т.е. на запад, знак кориолисова ускорения изменится и вектор ускорения будет направлено вертикально вверх, т.е. противоположно гравитационному ускорению, а «антикориолисово» ускорение, будет направлено в обратную сторону - к центру Земли, дополнительно прижимая тело к Земле частично компенсируя центробежное ускорения благодаря эффекту снижения реальной угловой скорости вращения тела относительно Земли из-за наложения дополнительной скорости перемещения против обычной линейной скорости вращения Земли на экваторе. Не забудем о том, что кориолисово ускорение МОЖЕТ ПРОЯВЛЯТЬСЯ ТОЛЬКО ПРИ НАЛИЧИИ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ системы, внося своё дополнительное ускорение пропорциональное величине скорости относительного перемещения.
Если двигаться в северном полушарии Земли, то такое относительное перемещение сопровождается появлением реального кориолисового ускорения, направленного горизонтально в левую сторону относительно вектора линейной скорости, а на южном - в правую сторону, то только из-за того, что люди там ходят вниз головой относительно северян. Это хорошо видно наблюдателя из космоса, например, находящегося над северным полюсом Земли.
А теперь немного о форме этой траектории, вызываемой действием кориолисового ускорения. Влияние ускорения Кориолиса (как и всех видов переносных ускорений, ставших «фиктивными» ускорениями по отношению к свободной точке), имеют знак минус (см. выр.(5)), что и приводит к появлению изогнутой траектории на поверхности Земли, появление которой объясняется не воздействием реального ускорения на свободную точку, а результатом оптическим наложения двух движений - прямолинейного полёта (относительно звёзд) над Землёй и вращательного перемещения под телом подстилающей поверхности Земли, иначе говоря в виде траектории, создаваемой перемещением тени от горизонтально пролетающего с постоянной высотой свободного тела на подстилающую поверхность Земли. При этом, если вектор угловой скорости вращения поверхности положительный, т.е. направлен вертикально вверх, то поверхность вращается справа налево и вектор реального кориолисова ускорения для точек условного твёрдого вращающегося вместе со своими осями тела лежит в горизонтальной плоскости и направлен всё время ВЛЕВО И ПЕРПЕНДИКУЛЯРНО вектору относительной скорости точки, т.е. с поворотом на 90 градусов против часовой вектора скорости тела. Кстати, отсюда и второе название этого кориолисова ускорения – ПОВОРОТНОЕ, поскольку оно всё время стремится повернуть вектор относительной скорости движущегося тела. Но поскольку мы вынуждены применить в уравнении движения во вращающейся системе компенсирующий ОБРАТНО-НАПРАВЛЕННЫЙ вектор «антикориолисова» ускорения, то, в итоге, криволинейная проекция траектории тела на поверхность всё время ФАКТИЧЕСКИ ПОВОРАЧИВАЕТСЯ ВПРАВО от направления движения тела (что неплохо показано в мультиролике в Википедии по теме: Королисово ускорение).
Для подтверждения правильности предлагаемой системы ОТКАЗА от фиктивных СИЛ сравним, обычно вводимую в некоторых учебниках Кориолисову силу инерции, равную Ji кор. = – mi Wc (кор.) (см. выр. 8 и 9) с другой вполне РЕАЛЬНОЙ Силой Кориолиса, равной Fс = (2ω × Vr) m , с которой будет давить (без сил трения) на свободное тело с массой m, например, условная гладкая вертикальная стенка, находящаяся от него с правой стороны с момента начала движения и проходящая, например, по меридиану Земли с севера на юг к экватору и набегающая всё время с правой стороны на это свободное тело, летящее с севера на юг к экватору Земли на высоте не превышающей высоты этой стенки и стремящимся сохранить неизменным положение вектора своей скорости относительно неподвижных звёзд. Этим и объясняется появление реальной правосторонней боковой силы Кориолиса со стороны набегающей стенки на свободное тело, вследствие вращения Земли справа налево (против часовой стрелки) в северном полушарии. И если давжды проинтегрировать только одну эту величину кориолисова ускорения реальной боковой Кориолисовой силы, то получим загибающуюся влево криволинейную траекторию, которая полностью будет скомпенсирована воздействием «фиктивного» «атникориолисова» ускорения, равного кориолисову ускорению, но направленного в обратную сторону со знаком минус и в итоге их взаимной компенсации и будет получена прямолинейная относительно поверхности Земли траектория вдоль меридиана с севера на юг с попаданием в точку прицеливания на экваторе, а не криволинейную, как у свободного тела, не контактирующего с вышеописанной условной стенкой, и реально промахивающегося относительно первоначальной точки прицеливания, расположенной на экваторе до начала движения свободной точки, вследствие убегания этой самой точки за время полёта свободного тела из-за вращения Земли.
Но в современных учебниках по механике перед читателем часто появляются сразу ДВЕ корилисовых силы: фиктивная, несуществующая реально, Сила Кориолиса инерции(Ji кор. = – mi Wc (кор.)), предназначенная ТОЛЬКО для получения правильного результата во вращающейся системе и реальная Сила Кориолиса(Fс = (2ω × Vr) m), которая может возникнуть только при наличии физической связи рассматриваемого передвигающегося тела с поверхностью Земли, как например, у рек с правой стороны в северном полушарии Земли, так и в вышерассмотренном полете свободного тела с наложенной на него физической связью в виде условной гладкой стенки. И вот надо всё это объяснить и растолковать, что одна из них фиктивная, а другая – реальная, хотя и отличаются друг от друга добавлением в названии первой фиктивной силы слова «сила инерции». Ну не сложновата ли эта головоломка для учащихся?
А ведь, если убрать все эти фиктивные «Силы инерции» (переносную и кориолисову), заменив их фиктивными орицательными "антиускорениями", то всё станет гораздо понятнее и проще, а в уравнениях движения реальная сила кориолиса (Fс = (2ω × Vr) m) сможет появиться только при условии наложении физической связи на рассматриваемое относительное движение тела, зато фиктивное кориолисово ускорение (с предлагаемым названием "антикориолисово" ускорение) пропишется навсегда (как и "антипереносное" ускорение) во втором законе Ньютона для движения тел в неинерциальных системах (см выр.(5)).
P.S. Более подробное обсуждение кориолисова ускорения, вызывающее повышенный интерес у некоторых знатоков механики, в связи c множителем 2 в кориолисовом ускорении, рассмотрим позже.
Конечно, очень многозначительно и приятно, что Ваши дни рождения, физиков-теоретиков, совпадают. От души желаю Вам новых успехов и достижений, во всех направлениях! Особая благодарность Вам и Александре Ивановне за поддержку и популяризацию астрономии, которая в этом очень нуждается!
По поводу сложностей в науке у меня такое мнение. «Единую теорию всего» создать невозможно, и всерьез к этому никто не стремится. Что-то из законов, открытий, наблюдений остается в прошлом, а что-то служит основой для будущей науки. Таков путь познания, и в этом прогресс и перспектива наук. Узнать еще предстоит бесконечно много, так как мир бесконечно сложен!
Спасибо за очень приятную статью об А. Эйнштейне и за содержательный разговор.
Илья, постараюсь ответить кратко на поставленный вопрос. Начнем с пространства и времени в классической механике.
У Ньютона вводилось понятие абсолютного пространства и времени как элементов общего описания расстояний до материальных объектов и временных интервалов между регистрируемыми событиями. В физическом эксперименте можно определить расстояние только между конкретными материальными телами независимо от конкретного способа измерения. Это касается и линейки, и радиолокационного дальномера. Нельзя измерить расстояние до пустой точки, где нет материальных тел. Это очевидно при использовании радара. Если же мы используем линейку, то она сама служит материальным объектом, концы которого указывают расстояние. Поэтому изначально не существует никакого пространства.
Объединяя множество измерений расстояний между объектами, мы приходим к выводу, что их можно собрать в одну математическую схему, которую называют трехмерным евклидовым пространством. В этом смысле абсолютное пространство классической мехники - это просто удобный математический способ собрать воедино все измерения расстояний. Данная математическая конструкция нематериальна по своему смыслу. Материальный объект имеет массу, энергию и т.д. Абсолютное пространство никаких физических свойств не имеет. Можно сказать, что первый закон Ньютона фиксирует этот факт. Пространство и время не влияют на физические процесссы.
Что же мы имеем в Специальной теории относительности (СТО)? Согласно закону инерции, и в СТО пространство-время никаким образом не должно влиять на физические процессы. Оно остается нематериальным. У него нет ни энергии, ни массы, ни других возможных атрибутов материи. Однако в следующих постулатах СТО в противоречие этому факту вводятся специфические свойства пространства и времени, связанные с преобразованиями Лоренца.
В классической механике преобразования Галилея оставляют все свойства материальных тел неизменными в силу нематериальности пространства и времени. Но в СТО преобразования Лоренца приводят к изменению длин материальных тел и длительностей интервалов времени в различных системах отсчета. Это измеримые эффекты, т.е. они являются свойствами материальных тел. Что является причиной изменения этих масштабов? Очевидно, что эти изменения не связаны с другими материальными телами. В преобразованиях Лоренца есть только относительная скорость движения систем отсчета. Поэтому приходится считать, что изменения масштабов при переходе от одной системы отсчета к другой являются свойствами только самого пространства-времени. Но оно у нас не материально! В результате мы приписали нематериальному пространству-времени свойства материальных тел, что и порождает всевозможные парадоксы.
Самый известный - это парадокс близнецов, предъявленный Ланжевеном в 1911 году. Один близнец остается на Земле, другой улетает на звездолете к другим мирам со скоростями, близкими к скорости света. По возвращении тот близнец, который оставался на Земле, должен был бы биологически состариться значительно больше, чем тот, который улетал. Это с точки зрения СТО, ведь длительность полета в разных системах отсчета разная. Но с другой стороны, согласно первому закону инерции (аналог первого закона Ньютона) все физические законы в инерциальных системах отсчета должны идти совершенно одинаково. Оба близнеца не ощущают никакого движения. И клетки в их организме должны стареть одинаково. Возникает парадокс. Его пытаются разрешить с помощью указания на неэквивалентность систем отсчета близнецов, связанную с теми обязательными ускорениями, которые необходимы, чтобы достичь субсветовых скоростей, и обратного торможения корабля при возвращении.
Действительно, звездолету сначала надо ускориться, затем затормозить, затем опять ускориться при возвращении и опять затормозить при подлете к Земле. Получается, что именно из-за того, что одна система отсчета является неинерциальной, возникает расхождение в показаниях часов. Однако парадокс остается. В чем, собственно, проявляется различие в ощущениях братьев? Единственным отличием является сила инерции, но сила инерции - это не какая-то реальная сила. Реальной силой является сила реакции опоры, которая приводит к тому, что один из братьев ускоряется вместе с кораблем. Получается, что если вы прижимаетесь к стенке, то ваши биологические часы начинают идти медленнее? Никаких других физических механизмов нет.
В Общей теории относительности (ОТО) дела обстоят еще хуже. Теперь для описания гравитационного поля, т.е. измеримого поля ускорений, которое возникает вблизи любого материального объекта, мы наделяем пространство-время (нематериальное!!!) свойствами кривизны. В чем проявляется нематериальность пространства-времени ОТО?
Во-первых, локально оно совпадает с пространством-временем СТО.
Во-вторых, в ОТО вообще нет инерциальных систем отсчета. Оказывается, в ОТО даже нет привычной основы для указания на независимость материи от пространства.
И в-третьих, оно не имеет опять никаких материальных атрибутов. Это проявляется в частности в том, что простраству-времени невозможно приписать определенную энергию и массу. Это основная проблема ОТО. В частности, поэтому не удается построить квантовую теорию гравитации.
Отсюда видно, как возникают все парадоксы этих теорий. Идея о том, что кривизна пространства очень просто и органично объясняет гравитационное поле, и по сути должна объяснять и электромагнитное, является очень привлекательной. Поэтому от нее отказываться нельзя. Тогда необходимо видоизменить теорию так, чтобы в ней появился материальный объект, играющий роль физического пространства. Такую идею высказывал до Эйнштейна Клиффорд. Однако он не предложил какой-либо физической конструкции для описания такого пространства. Как пишут, Эйнштейн хотел реализовать именно идею Клиффорда. Но в ОТО это не удалось сделать. В ОТО материя и простраство-времени - разные сущности, причем вторая - нематериальна.
Вот, собственно, основные соображения. Часть этих рассуждений можно найти у Бриллюэна в книжке "Новый взгляд на теорию относительности".
Сегодня - День рождения не только Альберта Эйнштейна, но и руководителя Лаборатории космических исследований Виктора нашего Михайловича Журавлёва!
Виктор Михайлович! Праздничный, но серьёзный вопрос: вот Вы пишете, что пространство-время - нематериально, и непонимание этого - проблема современной физики. Я считаю постранство-время особым способом отношений материальных объектов, то есть склонен к реляционной их концепции.
Однако, скажите - что Вы понимаете под "материей", "материальностью" и, если пространство-время - нематериально, то каково же оно?
В околофизической среде любят произносить названия, типа Теория Всего, как предел мечтаний физика. Для современных физиков - это не более, чем способ указать на то, что, возможно, удастся построить общую теорию для тех видов материи, которые мы называем элементарными частицами, атомами, молекулами и т.д.
Но для ее объяснения придется вводить и вводят в теорию новые формы материи, для которых теорий нет. Более того, нет и достоверных экспериментальных фактов. Те же кварки - это лишь способ объяснить некоторые закономерности в структуре элементарных частиц. Но их наблюдать в современном эксперименте нельзя. Получается что-то вроде средневековой схоластики. Скорее всего кварков и нет в реальности, но они дают удобный способ рассуждать и что-то рассчитать То же самое касается и бозона Хиггса.
Так что можно лишь говорить об успешности той или иной теории в объяснении определенного круга явлений. Следующие теории избавятся от достаточно одиозных элементов современных теорий, но будут вынуждены вводить новые, для которых не будет достоверных сведений. Идеальные математические объекты с симметриями служили всегда подпоркой наших знаний в условиях недостатка информации. Так ведется с первых физических теорий, начиная с Аристотеля и Архимеда.
Меня волнуют проблемы классической механики без попыток вторжения в смежные области новой физики, к коим я не имею никакого отношения и поэтому не собираюсь их обсуждать. Каждому своё поле для пахоты, по призванию и способностям.
Скажем честно, что ЛЮБЫЕ ЗАКОНЫ (не исключая и Ньютоновские), а уж тем более ещё не полностью доказанная опытами ТЕОРИЯ, не являются АБСОЛЮТНОЙ ИСТИНОЙ в последней инстанции, поскольку даже каждый закон и теория имеют весьма органиченные области своего применения, т.к. обеспечивают правильный результат только в ограниченном диапазоне внешних условий для их применения, либо оговоренных самим законом, а чаще и не оговоренных, но со времен наложенных другими физиками. Рано или поздно, но почти все они, по мере развития знаний, будут уточнены или даже отвергнуты в попытке создания ЕДИНОГО ЗАКОНА, объединяющегго все знания об окружающем нас мире, но только после точного подтверждения физическими опытами. Однако, смею Вам заметить, что все попытки создания универсальных и многофункциональных машин в технике, как показывает практика, ВСЕГДА ОКАЗЫВАЮТСЯ МЕНЕЕ ЭФФЕКТИВНЫМИ И ПРОВАЛЬНЫМИ, чем более простые, но УЗКО-СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ машины и устройства. Меня, как инженера-механика, интересующимися расчётом тректорий тел Солнечной системы на малых скоростях движения все поправки высшего порядка малости мало волнуют, так же, как и возмущающие воздействия от относительно далёких космических тел и планет с величиной их уровня, сравнимом с уровниями достижимой точности вычислений. Чисто инженерный прагматичный подход для получения синицы в руках, вместо журавля в небе, поскольку некогда тратить силы и время на обсчёт всего и вся на свете, если оно видно только под микроскопом при решении данного конкретного вопроса. А поскольку всё с мире относительно, то "и невозвожность возврата к классической механике", видимо надо рассматривать с Вашей научной позиции в области новой физики, вышедшей на новый уровень космических околосветовых скоростей со своими очень сложными проблемами. А с позиции иженеров-механиков, которым надо создавать работающие и неразваливающиеся от воздействия разного рода ускорений машины и механизмы ничего кроме законов классической механики пока ещё больше не требуется. Да, для Вас, первопроходцев новой физики больших скоростей, "возврат не возможен", а для инженеров "уход в область околосветовых скоростей пока и не нужен." Увы, диалектика жизни.
По моему скромному мнению, сближение позиций должно состояться только после окончательной проверки всех новых теорий на практике, и вот только тогда и возникнут основания для их симбиоза в виде ЕДИНОГО НОВОГО ЗАКОНА взамен ПРЕДЫДУЩЕГО ЗАКОНА на страницах учебников физики как истины в последней инстанции, по крайней мере для меня. А пока, на мой скромный взгляд, место им на страницах специализированных научных изданий и журналов для обсуждения и поисков путей их реального подтверждения на практике в физических опытах, а не в учебниках для начальной школы.
В общем, "ребята, давайте жить дружно" в нашей общей песочнице и не посягать на чужие куличики, а только любоваться ими издалека, не разрушая чужие, а создавая свои собственные, давая лишь доброжелательный замечания со стороны по внешнему виду куличиков соседа. И быть выдержанными и мудрыми, как премудрые пескари.
С уважением. Георгий 14.03.2020г. 09час.35мин. Время моск.
Существует такая околофизическая деятельность, которая старательно ищет ошибки в современных теориях физики, в особенности в Специальной теории относительности (СТО). Общую теорию относительности (ОТО) трогают гораздо меньше по той причине, что она гораздо сложней для понимания. По этой же причине еще меньше трогают квантовую теорию. На чем обычно строятся попытки опровергнуть эти теории? Как правило, они связаны с тем, что сами физики обнаруживают и обсуждают те или иные парадоксы этих теорий и трудности их интерпретации.
Например, уже больше ста лет обсуждается парадокс близнецов, сформулированный Полем Ланжевеном в 1911 году. С точки зрения некоторых физиков считается, что парадокс разрешен, а с точки зрения другой части - нет. Парадокс имеет форму легко воспринимаемой притчи и поэтому обсуждается всеми - и понимающими СТО, и не понимающими СТО. Такие парадоксы - очень благодатная почва для альтернативных суждений. Существует ли в реальности трудность СТО, связанная с этим парадоксом? На мой взгляд - существует. Проблема в том, что в СТО нематериальный объект пространство-время наделяется физическими свойствами, что и приводит к парадоксам.
В ОТО существует еще больше парадоксов и трудностей. Например, самая главная проблема ОТО - это невозможность приписать гравитационному полю в форме искривленного пространства-времеми какую-то определенную энергию. Это, в частности, не позволяет уже больше ста лет построить квантовую теорию гравитации. На мой взгляд, эта проблема возникает из того, что и в ОТО нематериальному пространству-времени приписываются физически измеримые свойства. О чем-то похожем говорили физики и раньше. Например, в книжке Бриллюэна "Новый взгляд на теорию отностельности" (ее легко найти в Интернете) высказывалось много разных идей о том, что нужно сделать, чтобы объяснить парадоксы.
Это я пишу к тому, что очень часто люди, поверхностно знающие суть проблемы, обвиняют современных физиков в тупом догматизме. На самом деле проблема не столько в том, чтобы найти парадокс, а в том, чтобы создать теорию, исправляющую парадоксы. Те, кто обвиняют современную физику в догматизме, как правило, предложить что-то полезное не в состоянии. Однако, как показывает опыт последних лет 200, для исправления парадоксов необходимо радикально менять суть теорий, но таким образом, что старые достижения остаются в силе. Последнее сейчас называется принципом соответствия. Поэтому, если уж браться за формулировку парадоксов, то надо это делать с целью найти путь к улучшению теории, а не просто взять ее и отвергнуть.
Возврат к классической механике не возможен, поскольку она не объясняет множество наблюдаемых явлений. К сожалению, есть мало книг, в которых описывают то, как менялись взгляды физиков. Современные учебники содержат описание уже построенного здания, когда все леса и подпорки, которые были необходимы для его построения, уже убраны. Поэтому в учебниках редко проглядывают те споры и дискуссии, которые в конце концов привели к современной физике. В ней сейчас много заблуждений, но многие из них станут ясны только после создания новой теории. Можно надеяться , что это произойдет в ближайшее время.
Ваша статья, как бальзам на рану. Когда слышу или читаю, что Солнцу светить ещё миллиарды лет, у меня всегда возникает внутренний протест. Какие миллиарды лет, если внутри Солнца постоянно происходят неуправляемые термоядерные реакции, вспышки, смена магнитных полюсов, турбулентность нестационарных процессов?
Первая же фраза статьи:
У Солнца нет поверхности
настраивает на понимание, что Солнце может в непредсказуемый момент стать источником реальной опасности для жизни на Земле. Да, Солнце создает условия для жизни человечества, но необходимо осознавать, что наша жизнь зависит от процессов на Солнце и может измениться гораздо раньше миллиарда лет.
Искренняя благодарность за этот материал. Он созвучен моему представлению, что должна в первую очередь доносить наука всем людям, живущим на Земле.
Но поскольку вы анонсировали еще и современный взгляд на законы Ньютона, сделаю небольшое дополнение. Хотя сам Ньютон свой закон формулировал в форме $F=ma$, сейчас такой подход следует считать неточным. Дело в том, что закон должен отражать некоторую экспериментальную закономерность с уже определенными величинами. Однако сила $F$ как количественная характеристика некоторого физического фактора так или иначе опять связана со вторым законом Ньютона. Вы специально этому посвятили несколько разделов для определения силы. Поэтому более правильная формулировка второго закона Ньютона должна выглядеть так. "Отношение ускорений различных тел, помещенных в одну и ту же физическую обстановку, относятся друг к другу, как обратное отношение их масс". Другими словами:
$$
\frac{a_1}{a_2}=\frac{m_2}{m_1},~~\frac{a_2}{a_3}=\frac{m_3}{m_2}, ~~\frac{a_1}{a_3}=\frac{m_3}{m_1},\cdots
$$
Отсюда:
$$
m_1a_1=m_2a_2=m_3a_3=\cdots=F
$$
Величина $F$, однозначно характеризующая воздействие физической обстановки на тела, называется силой. Ускорение $a$ является чисто геометрической величиной, не требующей дополнительного определения. Масса $m$ - некоторый параметр, характеризующий количество вещества. Теперь становится ясно, что сила $F$ - есть физический фактор, вытекающий из второго закона Ньютона. Задача физики - это выяснение того, как $F$ связана с физической обстановкой.
Я здесь не стал уточнять, что ускорение и сила являются векторами. Это очевидное расширение закона. Есть еще одно расширение, связанное с тем, что само тело может изменять физическую обстановку. Так обстоят дела в законе Всемирного тяготения и законе Кулона, например. В этих законах сила, вызывающая ускорение, зависит от массы или заряда самого тела. Однако в этом случае второй закон Ньютона должен формулироваться для пробных тел (с бесконечно малыми массами и зарядами), что обеспечиваает сушествование напряженностей полей. Это дает более точное понимание того, с чем мы имеем дело в теории тяготения и электродинамике. Это же сразу высвечивает трудности этих теорий. На макромасштабах проблем нет. Но в микромире и массы, и заряды частиц, таких как электроны, протоны и т.д., не могут иметь массу и заряд меньше определенной величины. Минимальная масса электрона - масса покоя, а заряд всегда кратен заряду электрона. Поэтому на этом уровне второй закон Ньютона уже не может рассматриваться как фундаментальный. Но это уже другая история.
Как рассчитать сложное движение тела в неинерциальной системе отсчёта.
Оглавление:
1. Понятие об инерциальной и неинерциальной системах отсчёта (или системах координат).
2. Основные теоремы для системы рассматриваемых космических тел.
3. Сложное движение материальной точки. Теоремы о сложении скоростей и ускорений.
3.1 Основные определения. Абсолютная и относительная производные вектора.
3.2 Теорема о сложении скоростей для двух систем координат.
3.3 Теорема о сложении ускорений (теорема Кориолиса).
3.4 Применение основных теорем механики в неинерциальных системах отсчёт
Выбор системы отсчёта для расчёта траектории тела относительно неё представляется весьма важным начальным фактором, определяющим, в итоге, теоретически обоснованную надёжность расчётов траекторий космических тел. Рассмотрим подробнее вопрос выбора и размещения начала системы координат и проведём анализ всех возможных видов «кажущихся» ускорений, появляющихся в неинерциальных системах отсчёта вследствие их вращения и ускоренного перемещения начала системы отсчёта.
Понятие об инерциальной и неинерциальной системах отсчёта (или системах координат).
«ИНЕРЦИАЛЬНАЯ ситема отсчёта это такая система отсчёта, в которой справедлив закон движения по инерции свободной материальной точки, когда на неё не действуют никакие силы (или действуют взаимно уравновешенные силы) и при этом тело находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения по отношению к такой системе отсчёта.
Всякая система отсчёта, движущаяся по отношению к инерциальной поступательно, равномерно и прямолинейно, является также инерциальной. Следовательно, теоретически может существовать сколько угодно равноправных инерциальных систем, обладающих тем важным свойством, что во всех таких системах законы физики одинаковы (так называемый «принцип относительности Галилея»). т.е. законы и уравнения механики не изменяются при: линейных сдвигах системы по осям координат, при угловых поворотах вокруг осей координат на некоторый угол, при «сдвиге по времени» (на dt) и при разных значениях равномерной поступательной скорости самой системы координат.
Помимо закона инерции, в любой инерциальной системе справедливы все три закона механики Ньютона, закон притяжения тел и законы сохранения количества движения (импульса), момента количества движения и движения центра инерции (или центра масс) для замкнутых, т. е. не подверженных внешним воздействиям, систем (см. подробнее первую статью данного цикла, посвящённую законам Ньютона и его Определениям I-VI).
Строго говоря, понятие об инерциальной системе является идеальной абстракцией. Реальная система отсчёта связывается всегда с каким-нибудь конкретным телом (Землёй, корпусом корабля или самолёта и т. п.), по отношению к которому и изучается движение тех или иных объектов. А поскольку в природе нет неподвижных тел (тело, неподвижное относительно Земли, будет двигаться вместе с нею ускоренно по отношению к Солнцу и звёздам и т. д.), то любая реальная система отсчёта может рассматриваться как инерциальная лишь с той или иной степенью приближения. С очень высокой степенью точности инерциальной системой можно считать Солнечную систему с началом в центре Солнца (точнее, в центре масс (центре инерции) Солнечной системы, т.е. в барической системе отсчёта) и с осями, направленным на далёкие звёзды. Такая инерциальная система используется в задачах небесной механики и космонавтики. Для решения большинства технических задач инерциальной системой практически может служить система, жёстко связанная с Землёй, а в случаях, требующих большей точности (напр., в гироскопии), - с началом в центре Земли и осями, направленными на звёзды.
Если система отсчёта движется по отношению к инерциальной системе с линейным ускорением и(или) вращается, то она является НЕИНЕРЦИАЛЬНОЙ СИСТЕМОЙ ОТСЧЁТА. При этом выражения всех вышеназванных законов, записанные в инерциальной системе требуют введения дополнительных членов, компенсирующих отличия в движении неинерциальной системы (её ускорения и вращения) от инерциальной.
Объясняется это тем, что ПО ОТНОШЕНИЮ К НЕИНЕРЦИАЛЬНОЙ СИСТЕМЕ ОТСЧЁТА МАТЕРИАЛЬНАЯ ТОЧКА, находящаяся под воздействием реальных сил, (например, сил гравитационного притяжения между космическими телами) и не испытывающая воздействия никаких дополнительных реальных сил со стороны неинерциальной системы), ДОЛЖНА БЫТЬ ОСВОБОЖДЕНА НАМИ В ЕЁ ДИНАМИЧЕСИХ УРАВНЕНИЯХ ДВИЖЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНО НЕИНЕРЦИАЛЬНОЙ СИТЕМЫ ОТ ФАКТИЧЕСКИ ПРИПИСЫВАЕМЫХ ЭТОМУ ТЕЛУ В ЭТОЙ СИСТЕМЕ «КАЖУЩИХСЯ» (МНИМЫХ И РЕАЛЬНО НЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ) ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ УСКОРЕНИЙ, КОТОРЫЕ НЕ ВЫЗВАНЫ ДЕЙСТВИЯМИ НИКАКИХ РЕАЛЬНЫХ СИЛ, А ПОЯВЛЯЮЩИХСЯ ТОЛЬКО ИЗ-ЗА НАЛИЧИЯ «УСКОРИТЕЛЬНЫХ» ЭВОЛЮЦИЙ У САМОЙ НЕИНЕРЦИАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ (относительно инерциальной системы), КОТОРЫЕ ОНА СО СВОЕЙ СТОРОНЫ (со своей, например, кружащейся вращающейся «больной головы» перекладывает на «здоровую» голову, т.е. на реально не вращающееся рассматриваемее нами тело, заставляя его также кружиться, как и она сама кружится при этом даже не подозревая ничего о собственном вращении, считая себя НЕ кружащейся!) ПРИПИСЫВАЕТ РАССМАТРИВАЕМОМУ НАМИ ТЕЛУ и которые вызваны следующими параметрами движения, присущими неинерциальной системе отсчёта:
1. ЛИНЕЙНЫМ УСКОРЕНИЕМ и НАЛИЧИЕМ при этом ЛИНЕЙНОЙ СКОРОСТИ начала неинерциальной системы,
2. ВРАЩЕНИЕМ ВОКРУГ НАЧАЛА СИСТЕМЫ ОТСЧЁТА (центростремительное ускорение вращения), а также и, возможно,
3. УСКОРЕННЫМ ВРАЩЕНИЕМ (угловое ускорение), и, наконец,
4. КОРИОЛИСОЫМ УСКОРЕНИЕМ, возникающим только при одновременном наличии линейной скорости перемещения тела относительно неинерциальной системы и угловой скорости вращения системы.
Примечание: Уважаемые читатели, кому не хочется тратить время (на чтение методики вывода ускорений в неинерциальных системах), могут сразу переходить к последнюю часть раздела 3.4 к выражениям (33) и (34) для ускорений в неинерциальной системе отсчёта.
2. Основные теоремы для системы рассматриваемых космических тел.
Давным-давно, в годы моей юности, в начале 60х годов, в школьном курсе физики А.В.Пёрышкина теоремы для систем тел не рассматривались, а преподавались в высшей школе в курсе «Теоретической механики». А вот в современных учебниках для 10 классов профильного и даже базовых уровней, в частности, двух разных учебниках под редакцией Г.Я.Мякишева, уже излагаются многие вопросы из курса теоретической механики такие, например, как закон сохранения импульса системы, о котором и пойдёт ниже речь как об основополагающем законе для выбора места расположения рациональной системы координат по расчёту космических траекторий.
Все теоретические формулы и большинство нижеследующих описаний взяты мной из понравившегося мне учебного пособия для студентов Московского Физтеха (МФТИ) (М.А. Айзерман «Классическая механика», Издание третье, Москва, Издательство Физико-математической литературы, 2005г, 380с.).
«Книга отличается систематически проведенным подходом, опирающимся на инвариантность и ковариантность законов и уравнений механики по отношению к преобразованиям систем отсчета», не встречавшемся ранее мне в обычных учебниках по «Теоретической механике» для студентов ВТУЗ-ов. Книга помогла взглянуть по новому на многие вопросы, связанные с рассмотрением инерциальных и неинерциальных систем отсчёта в механике. Поэтому большинство теоретических выражений и некоторых идей, изложенных ниже, позаимствовано из данной книги со ссылками на неё в соответствующих местах.
Количество движения системы материальных точек. (стр.72-74 книги)
Рассмотрим понятия о количестве движения системы тел, центре инерции системы, теорему об изменении количества движения системы (или теорему о движении центра системы) и сделаем вывод о постоянстве скорости движения центра инерции для замкнутой (не подверженной внешним воздействиям) системы тел в современном изложении.
Введём основные понятие о системе рассматриваемых тел (mi, где mi – масса тела с №=i, i=1,2…n; n-число тел в системе).
*) Далее во всех символах знака суммирования (Σ) подразумевается суммирование по i от 1 до n, т.е. по всем телам системы тел.
Второй закон механики был сформулирован И. Ньютоном в труде «Начала…» в следующем виде:
«Производная по времени от количества движения системы равна главному вектору все действующих на систему внешних сил», а это и есть ТЕОРЕМА ОБ ИЗМЕНЕНИИ КОЛИЧЕСТВА ДВИЖЕНИЯ СИСТЕМЫ ТЕЛ:
Центром инерции системы, для которой рассчитываются расстояния (ri) от начала исходной инерциальной системы координат до тел, является точка С, задаваемая радиусом-вектором rc:
rc = Σ (mi · ri) / Σ mi; где: M =Σ mi называется МАССОЙ СИСТЕМЫ ТЕЛ ……….... (3)
Кстати, при воздействии однородного поля тяжести понятие ЦЕНТРА ИНЕРЦИИ СОВПАДАЕТ с понятием ЦЕНТРА ТЯЖЕСТИ материального ТЕЛА : rц.т. = Σ (Gi · ri) / Σ Gi;
Дифференцирование по времени выр. (3) даёт позволяет найти выражении для ВЕКТОРА СКОРОСТИ ЦЕНТРА ИНЕРЦИИ СИСТЕМЫ:
Из равенства (4) следует, что Q = Σ (mi · Vi) = M · Vc; ……………..……………………. (5)
В итоге, количество движения системы тел равно произведению МАССЫ системы на СКОРОСТЬ ЕЁ ЦЕНТРА ИНЕРЦИИ.
Дифференцирование по времени выр. (5) позволяет выразить второй закон механики Ньютона для материальной точки, которая помещена в центре инерции системы и движется вместе с ним как точка с массой, равной массе системы тел M, к которой приложена равнодействующая всех внешних сил Fвнешняя:
Выр. (6) следует новый вариант теоремы об изменении количества движения системы, называемый как ТЕОРЕМА О ДВИЖЕНИИ ЦЕНТРА ИНЕРЦИИ СИСТЕМЫ ТОЧЕК :
«При движении системы материальных точек её центр инерции движется так, как двигалась бы материальная точка, помещённая в центре инерции системы, если бы в ней были сконцентрированы массы всех точек системы и к ней были бы приложены все внешние силы, действующие на все точки системы».
Введём понятие замкнутой системы точек, которая движется только под влиянием внутренних взаимодействий, т.е. взаимодействий материальных точек, входящих в систему. Это, конечно, условное понятие, т.к. в реальном мире все объекты взаимосвязаны гравитационными взаимодействиями в принципе при любых расстояниях между материальными объектами. Однако при идеализации задачи можно пренебречь относительно слабыми взаимодействиями других внешних объектов по сравнению с взаимодействиями точек, входящими в систему. Так, например, два небесных тела Землю и Луну, можно считать замкнутой системой, если интересует лишь взаимное движение между ними и пренебрегают воздействием на них остальных небесных тел, в том числе Солнца и других планет. Или, например, три небесных тела Солнце, Землю и Луну считают замкнутой системой, если учитывают лишь взаимодействие между этими телами и пренебрегают воздействием других планет Солнечной системы на их движение. Солнечная система в целом является примером замкнутой системы лишь в тех случаях, когда считают возможным пренебречь воздействием на тела Солнечной системы других внешних материальных объектов Вселенной. (стр.43)
У замкнутых систем, по их определению, Fвнешняя = 0, и тогда из выр.6 следует, что
Поэтому закон сохранения количества движения можно сформулировать так:
«ЦЕНТР ИНЕРЦИИ ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЫ ДВИЖЕТСЯ С ПОСТОЯННОЙ СКОРОСТЬЮ (быть может и равной нулю)».
Можно сравнить эту теорему с её изложением у Ньютона в Следствии IV к 3-му Закону:
«Центр тяжести системы двух или нескольких тел от взаимодействия тел друг на друга не изменяет ни своего состояния покоя, ни движения; поэтому центр тяжести системы всех действующих друг на друга тел (при отсутствии внешних действий и препятствий) или находится в покое, или движется равномерно и прямолинейно.»
Разумеется, это утверждение верно и для проекций соответствующих векторов. Если проекция главного вектора внешних сил на некоторую ось тождественно равна нулю, то и центр инерции движется так, что проекция скорости центра инерции на эту ось остаётся постоянной.
Далее будет весьма удобно вводить в рассмотрение систему отсчёта, которая движется поступательно и начало которой помещено в центр инерции системы. Такую систему отсчёта будем называть далее ЦЕНТРАЛЬНОЙ. В том случае, когда скорость центра инерции системы точек ПОСТОЯННА, ЦЕНТРАЛЬНАЯ СИСТЕМА является ИНЕРЦИАЛЬНОЙ.
Из §3 Момент количества движения системы материальных точек (кинетический момент) (стр.74-76):
Выберем в нашей инерциальной системе произвольную точку А, которую назовём полюсом, и относительно которой определим момент от вектора количества движения каждой из материальных точек системы qi (= mi · Vi ) относительно этого полюса А с учётом вектора расстояния точки ri до полюса А в виде векторного произведения:
Вектор Ki называется моментом количества движения i-ой точки относительно полюса А. Символ «х» является символом ВЕКТОРНОГО произведения двух векторов.
*) Справка: Для определении положения и направления вектора Ki, являющегося результатом векторного произведения двух векторов ri и Vi в декартовой системе координат,
используется правило ПРАВОЙ руки (но не левой!), когда три пальца правой руки (большой, указательный и средний) распрямляем во взаимно перпендикулярные положения друг относительно друга (моделируя этим направления трёх осей декартовой системы координат), то при совмещении по направлению двух пальцев с первым (ri) и вторым векторами (Vi) из векторного произведения и при выполнении КРАТЧАЙШЕГО ПОВОРОТА от первого вектора ко второму (при взгляде на конец третьего пальца правой руки в сторону его основания) (этот кратчайший) ПОВОРОТ от первого вектора ко второму должен быть ВИДЕН ПРОТИВ ДВИЖЕНИЯ ЧАСОВОЙ СТРЕЛКИ. Тогда третий палец и будет отображать положение и направление итогового вектора (K), являющегося результатом векторного произведения двух исходных векторов (ri × mi·Vi) в выр.(8).
Главным моментом количества движения всей системы материальных точек будет их векторная сумма всех моментов материальных точек системы относительно полюса А, т.е. кинетическим моментом системы:
KА = Σ KАi = (ri × mi·Vi );
Если точку полюса А, используемую выше для расчёта кинетического момента, расположить в центре инерции системы, то получим, опуская вывод, ТЕОРЕМУ ОБ ИЗМЕНЕНИИ КИНЕТИЧЕСКОГО МОМЕНТА СИСТЕМЫ ТОЧЕК при воздействии на систему момента от внешних сил, приложенных к токам системы относительно центра инерции системы:
(dKА / dt) = M A внеш. ………………………………………………………… (9)
Производная от кинетического момента системы материальных точек (относительно неподвижного полюса А) равна главному моменту внешних сил, приложенных к точкам системы, относительно этого же полюса.
Для замкнутых систем выполняется условие MA внеш. = 0, т.к. на материальные точки ЗАКНУТОЙ системы (по определению) не действуют внешние силы и момент нечем создавать. Отсюда следует ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ КИНЕТИЧЕСКОГО МОМЕНТА:
При движении ЗАМКНУТОЙ системы материальных точек её кинетический момент относительно любого неподвижного полюса НЕ МЕНЯЕТСЯ.
3. Сложное движение материальной точки. Теоремы о сложении скоростей и ускорений.
При написании данного весьма важного раздела взята за основу глава XIII «Сложное движение точки» (учебник для ВТУЗ-ов, Н.В.Бутенин, Я.Л.Лунц, Д.Р.Меркин «Курс классической механики» том I Статика и Кинематика, издание 4, Москва «НАУКА», 1985г, стр.203-208) как простое и типичное изложение для инженеров-механиков, смысл которого весьма прост и состоит во взятии сначала производной по времени от радиуса-вектора рассматриваемой точки, проведённого из начала неинерциальной системы отсчёта к рассматриваемой точке, для получения её вектора скорости, а затем во взятии производной по времени уже от вектора скорости точки для получения её вектора относительного ускорения в неинерциальной системе отсчёта.
3.1 Основные определения. Абсолютная и относительная производные вектора.
В этом разделе будет рассмотрен вывод выражения для первой производной от радиуса-вектора рассматриваемой точки по времени для получения выражения её вектора скорости и использованием правил дифференцирования векторов из курса линейной алгебры.
Рассмотрим движение одной и той же материальной точки М относительно двух систем: неподвижной инерциальной (назовём её: абсолютной) Системы Координат (СК) и неинерциальной (назовём её – подвижной СК) с центром в точке A, движущейся в самом общем виде с линейным ускорением начала системы координат и вращением относительно него с вектором угловой скорости ω.
Будем называть «АБСОЛЮТНЫМ» (или СЛОЖНЫМ) движением материальной точки М её движение относительно неподвижной инерциальной системы. Движение точки по отношению к подвижной системе назовём ОТНОСИТЕЛЬНЫМ. Под ПЕРЕНОСНЫМ движением будем понимать движение подвижной системы координат относительно неподвижной.
Зададим в подвижной СК расстояние от её начала до материальной точки М вектором расстояния r. Абсолютное движение точки М названо ещё и сложным потому, что ниже представим его ещё и как сумму двух движений: переносного движения самой подвижной системы координат относительно неподвижной системы и относительного движения точки М в подвижной системе. Поскольку нам понадобится операция дифференцирования по времени вектора расстояния r, определённого в подвижной системе координат, то введём понятие абсолютной и относительной производных.
Пусть задан вектор расстояния r(t) в подвижной СК, имеющий три проекции на оси подвижной СК: rx, ry, rz . Если ввести понятие трёх единичных векторов подвижной системы i, j, k,(их ещё называют ортами системы координат, в данном случае это орты подвижной СК) то вектор r может быть представлен в виде геометрической суммы трёх своих составляющих проекций на оси подвижной СК:
r (t) = rx i + ry j + rzk. *) ........................................................................................... (10)
*) знак скалярного умножения в виде точки (·), который должен стоять перед единичными векторами опущен для упрощения записи как в выр.(10), так и во всех нижеследующих выражениях.
Продифференцируем обе части равенства (10) по времени, имея в виду, что единичные вектора подвижной СК (i(t), j(t), k(t)) несмотря на свою постоянную длину, равную единице, из-за вращения СК также вращаются в пространстве и поэтому являются функцией времени и обладают тангенциальными линейными скоростями, приложенными к концам единичным векторов и перпендикулярными самим векторам, точно так же, как, например, вектор линейной скорости кругового вращения перпендикулярен вектору-радиусу вращающейся с постоянной скоростью точки и являются функцией времени. Напоминаем о правиле для взятия производной по времени от произведения двух функций U(t) и V(t), зависящих от времени, состоящем в том, что полная производная от произведения двух функций, зависящих от времени, равна произведению производной по времени от первой функции, умноженной на вторую функцию, плюс произведение первой функции на производную по времени от второй функции, т.е.:
(d(U V) / dt) = (dU/dt) V + U (dV/dt) ………………………………………………..(11)
что в применении дифференцирования по времени к выражению (10) после группировки членов даёт:
(dr/dt) = (drx/dt) i + (dry/dt) j + (drz /dt) k + rx (di/dt) + ry (dj/dt) + rz (dk/dt). ….(12)
Сумма первых трёх слагаемых представляет собой производную вектора rотносительно подвижной СК. Если бы мы поставили своей задачей изучать изменение вектора r по отношению к подвижной СК, то мы учитывали бы при этом лишь изменения проекций вектора на оси этой системы координат, т.е. только сумму первых трёх слагаемых.
Действительно, собственное движение самой системы, в которой мы, например, оказались (например, на Землю) нас обычно не интересует, и мы, будучи помещены в начало любой системы отсчёта сами как бы и не вращаемся и не движемся, а лишь наблюдаем за вращениями и перемещениями окружающих тел относительно нас, т.е. относительно начала системы отсчёта, поскольку всё в мире относительно. При этом сама система отсчёта реально не «подозревает» о собственном вращении относительно какой-либо другой системы отсчёта (ведь она самодостаточна ) и её вращение мы можем наблюдаем лишь с позиций другой системе отсчёта, например, инерциальной. Но эти относительные рассуждения не должны нас отрывать от суровой действительности, и РАССМАТРИВАТЬ ОТНОСИТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ ДРУГИХ СИСТЕМ ОТСЧЁТА МЫ ОБЯЗАНЫ ТОЛЬКО С ПОЗИЦИЙ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ СИСТЕМ ОТСЧЁТА, т.к. только для них были выведены все законы движения, открытые Ньютоном, и применение которых мы хотим распространить также и на неинерциальные системы отсчёта.
Назовём сумму первых трёх слагаемых в (12) ОТНОСИТЕЛЬНОЙ, ИЛИ ЛОКАЛЬНОЙ производной и обозначим её как (dr/dt)отн.:
(dr/dt)отн. = (drx/dt) i + (dry/dt) j + (drz /dt) k . ……….……………………………………..… (13)
Для преобразования трёх последних слагаемых в выр. (12) вспомним векторное выражение связи между линейной скоростью вращения любой точки твёрдого тела (V) и её вектором угловой скорости вращения (ω) и заданном векторе расстоянии до рассматриваемой точки вращающегося тела (r).
Из рассмотрения теории вращения твёрдого тела (с вектором угловой скорости вращения ω), имеющего одну неподвижную точку, известно выражение в виде векторного произведения для определения линейной скорости любой точки твердого тела, вызванной этим вращением (194 стр):
V = (ω × r). *) …………………………………………………..…………………… (14)
*) Примечание: Символами векторного произведения в данном комментарии являются круглые скобки для двух перемножаемых векторов, написанных жирным шрифтом, с символом векторного произведения между ними в виде знака умножения: «×» (см.выр.14).
Определим величину модуля вектора линейной скорости вращения | V | , раскрыв правило для векторного произведения (14):
Где φ – угол вежду вектором угловой скорости ω, направленного по оси мгновенного вращения твёрдого тела, проходящей через неподвижную точку, относительно которой и вращается тело,
и направлением вектора расстояния r от неподвижной точки до рассматриваемой вращающейся произвольной точки тела, а rнорм. - это модуль расстояние (длина нормали) от точки тела до мгновенной оси вращения тела, т.е. это радиус вращения обычного вращения точки тела по кругу, плоскость которого перпендикулярна мгновенной оси вращения.
Подставив в выр. (14) вместо вектора полного расстояния до точки (r) последовательно единичные вектора подвижной СК i, j, kполучим выражения для их производных по времени, не забывая, что длина этих единичных векторов постоянна и равна 1:
Вышеприведенные производные есть тангенциальные скорости (т.е. перпендикулярные плоскостям, проходящем через вектор вращения СК ω и какую-либо из осей СК ) единичных векторов вращающейся СК.
Поэтому сумма последних трёх слагаемых из выр. (12) может быть преобразована к виду:
где: (dr/dt)отн. = (drx/dt) i + (dry/dt) j + (drz /dt) k. … (13)
Таким образом, абсолютная производная по времени вектора в неподвижной системе координат равна сумме относительной производной этого же вектора в подвижной СК и добавочного вектора линейной скорости, вызванного вращением подвижной СК, и равного векторному произведению угловой скорости вращения подвижной СК на вектор расстояния до рассматриваемой материальной точки.
3.2 Теорема о сложении скоростей для двух систем координат.
Напомним, что мы рассматриваем движение одной и той же материальной точки М относительно двух систем: неподвижной (инерциальной СК) и подвижной (неинерциальной СК) с центром в точке А, движущейся в самом общем виде с линейным ускорением начала системы координат и вращением относительно него с вектором угловой скорости ω.
Найдём связь между следующими скоростями:
Абсолютной скоростью (V) материальной точки М относительно неподвижной инерциальной СК.
Относительной скоростью (Vr) по отношению к подвижной неинерциальной СК. Относительная скорость является движением относительно подвижной СК и по своей сути похожа на абсолютную скорость точки, являющуюся точно таким же движением, но по отношению к своей инерциальной СК.
А вот ПЕРЕНОСНАЯ скорость это нечто особенное из области «оптической иллюзии», когда собственное вращение и ускоренное перемещение начала подвижной СК целиком и полностью приписывается собственному движению точки М, поскольку само начало подвижной СК считает себя неподвижным и невращающимся центром, впрочем, как и все другие системы отсчёта, не исключая и инерциальные СК, это их коренное свойство, назовём манией собственного величия любой СК в виде её мирового центра - начала её системы координат («пупа»), вокруг которого всё и должно вертеться и двигаться, хотя с точки зрения другой, «трезвомыслящей» инерциальной СК, точка М переносную скорость (а в дальнейшем и разные виды вращательных ускорений) РЕАЛЬНО НА САМОМ ДЕЛЕ НЕ РАЗВИВАЕТ.
В итоге, переносной скоростью (Ve) материальной точки М, является скорость точки подвижной СК которая в данный момент совпадает с точкой Ми именно скорость этой совпавшей точки подвижной СК и приписывается точке М (без всякого наложения на неё какой-либо физической связи со стороны самой подвижной СК), но фиктивно и чисто внешне приписываемая точке М за счёт простого оптического слежения за ней из начала неинерциальной СК.
Пусть заданы два радиус-вектора расстояний: первый от начала неподвижной СК до рассматриваемой нами материальной точки R(t) и от начала неподвижной СК до начала подвижной СК RА(t) и замыкает этот треугольник векторов радиус-вектор r(t), который определяет положение точки М в подвижной СК, т.е.
R = RA + r ……………………..….………………………………………………. (19)
Для выяснения связи между векторами скоростей продифференцируем по времени треугольник векторов расстояний (выр.19):
Немного ранее была специально для этого вычислена производная для радиус-вектора dr/dt (см. выр.18). Очевидно и то, что производная по времени от радиус-вектора начала подвижной СК (dRA/dt) равна вектору скорости начала подвижной СК, т.е. VA , а производная от радиус-вектора дальности точки М в подвижной СК – (dr/dt) отн. есть ни что иное, как вектор относительной cкорости Vrточки М в подвижной СК. Подставим всё это в выр.20:
V =VA + (ω × r) + (dr/dt)отн.;
V= (VA+(ω × r)) +Vr. - Абсолютная скорость как сумма переносной и относительной скоростей .(21)
Вектор абсолютной скорости равен векторной сумме переносной и относительной скоростей:
V = Ve + Vr; где: V - абсолютная скорость …………………………………….…… (22)
где: Ve= VA + (ω × r); - переносная скорость ………...……………....…………... (23)
Vr = (dr/dt) отн. = (drx/dt) i + (dry/dt) j + (drz /dt) k. - относительная скорость .... (24)
В итоге, получили формулировку для теоремы о сложении скоростей:
Абсолютная скорость точки относительно неподвижной СК равна геометрической сумме векторов переносной и относительной скоростей.
Выр.22 применяют для определения скорости космического тела в моменты перехода на границе «сферы переключения межпланетных траекторий» для нахождения начального значения вектора как относительной скорости при ВХОДЕ в «сферу» из неподвижной, например, Солнечной СК в СК какой-либо планеты по выр 25, вытекающему из выр. 22:
Vr = V – Ve, …..…....……………………………………………………………. (25)
где: Ve = VA + (ω × r) – переносная скорость, а VA - орбитальная скорость планеты относительно Солнца, ω – угловая скорость собственного вращения планетной СК (если применена инерциальная, не вращающаяся планетная СК, то ω = 0 и Ve =VA), а радиус-вектор r равен радиусу «сферы переключения межпланетных траекторий». При выходе из «сферы» для определения начального значения скорости тела в Солнечной СК применяют выр.22.
В итоге, выр.23 для ПЕРЕНОСНОЙ СКОРОСТИ (Ve), вызванная скоростными эволюциями начала подвижной СК, ПРИПИСЫВАЕТ материальной точке М, НЕСУЩЕСТВУЮЩУЮ РЕАЛЬНО, «ФИКТИВНУЮ» и ИЛЛЮЗОРНУЮ СКОРОСТЬ (относительно начала подвижной СК), не вызванную НИКАКИМИ ФИЗИЧЕСКИМИ ВОЗДЕЙСТВИЯМИ на материальную точку М, а объяснимую лишь эффектом визуального перемещения точки М относительно начала подвижной СК.
Например, можно запросто «разогнать» относительную скорость тела М в подвижной СК, не прикладывая никаких реальных сил к материальному телу, до околосветовых скоростей при умеренной угловой скорости вращения ω лишь самой подвижной СК.Это напоминает опыт Майкельсона по определению скорости света, где в качестве подвижной СК выступает легкая, быстро вращающаяся СК в виде платформы с закреплённой на ней зеркальной призмой, отражающей луч света. Ну и как тут не назвать все эти кажущиеся, нереальные скорости, возникающие в подвижной вращающейся СК из-за её собственного вращения, не иначе как МНИМЫМИ И «ФИКТИВНЫМИ», а вот такие же «фиктивные» иллюзорные ускорения и, соответствующие им разные виды «сил инерции», рассмотрим в следующем разделе.
Вот что написал в своих «Началах…» И.Ньютон по этому поводу:
«Причины происхождения, которыми различаются истинные и кажущиеся движения, суть те силы, которые надо к телам приложить, чтобы произвести эти движения. Истинное абсолютное движение не может ни произойти, ни измениться иначе, как от действия сил, приложенных непосредственно к самому движущемуся телу, тогда как относительное движение тела может быть и произведено, и изменено без приложения сил к этому телу; достаточно, чтобы силы были приложены к телам, по отношению к которым это движение определяется.»
*) Примечание: Добавим, что, так термин «относительное движение» у Ньютона в инерциальной системе на современном языке соответствует понятию «переносное движение» в неинерциальной системе, которое можно создать вообще без всяких сил, сообщив вращение или линейную скорость началу неинерциальной системы координат.
3.3 Теорема о сложении ускорений (теорема Кориолиса).
Для нахождения абсолютного ускорения точки по отношению к инерциальной системе координат продифференцируем по времени выр.21 теоремы сложения скоростей для абсолютной скорости:
V = (VA + (ω × r)) + Vr;
где: Vr = (dr/dt) отн. = (drx/dt) i + (dry/dt) j + (drz /dt) k. – относительная скорость …(21)
где: ранее было выведено выр. : dr/dt = (dr/dt)отн. + (ω × r). …….(18)
Абсолютную производную для вектора относительной скорости Vr найдём по универсальной формуле (18) для взятия производной от векторов в двух системах: неподвижной и подвижной
В этом выражении (dVr / dt)отн. есть относительная производная вектора Vr по времени и, следовательно, представляет собой относительное ускорение Wr, т.е. ускорение точки по отношению к подвижной СК:
Wr = (dVr/dt)отн. = (d2rx/dt2) i + (d2ry/dt2) j + (d2rz/dt2) k. - относительное ускорение …(28)
Используя подстановку равенств (18), (13), (25) и (26) в формулу (24) преобразуем её:
где: WA= (dVА /dt) и (dω/dt) линейное и угловое ускорения начала подвижной СК.
Для того, чтобы выделить только переносное ускорение We для материальной точки М, которое ей приписывается наблюдателем жёстко зафиксированным к началу подвижной СК вращающимся вместе с подвижной СК, отслеживать ПЕРЕНОСНОЕ движение подвижной СК, т.е. перемещение точки М относительно подвижной СК (ускорение той точки, жёстко закреплённой относительно осей подвижной СК, с которой в данный момент ТОЛЬКО совпадает СВОБОДНАЯ И НИКАК НЕ СВЯЗАННАЯ с подвижной СК движущаяся материальная точка, сложное движение которой мы и пытаемся определить), закрепим точку в подвижной СК, т.е. положим Vr = 0 и Wr = 0. В этом случае из выр.(27) будем иметь выр. для переносного ускорения We, которое испытывает точка ЖЁСТКО ЗАФИКСИРОВАННАЯ относительно подвижной СК, т.е. представляющая единое твёрдое тело вместе с осями подвижной системы координат:
We = WA + ((dω/dt) × r) + (ω × (ω × r)). – Это переносное ускорение ……………. (30)
Итак, это и есть переносное ускорение точки свободного твёрдого тела, с которым жёстко связана подвижная СК и которая в данный момент совпадает с рассматриваемой нами материальной точкой М, и которой формально приписываются все эти «иллюзорные» ускорения. Переносное ускорение представляет собой сумму линейного ускорения начала подвижной СК ( WA ) с вектором (dω/dt × r), называемого ВРАЩАТЕЛЬНЫМ УСКОРЕНИЕМ. При вращении вокруг неподвижной оси направления векторов (dω/dt) и ω всегда совпадают и поэтому вектора скорости и касательного ускорения направлены вдоль одной и той же прямой по касательной траектории. Последний дополнительный вектор в переносном ускорении (ω × (ω × r)) называют осесимметричным ускорением.
По аналогии с анализом выр. (14) ( V = (ω × r) ) в виде выр.(15) для модуля скорости вращающееся точки ( | V | = | ω ||r | sin(φ) = | ω| rнорм. ) можно показать, что модуль вектора
| ω × ( ω × r)| = | ω | 2|r | sin(φ) = | ω |2rнорм. в отличие от модуля скорости (во вращательном движении по кругу, плоскость которого перпендикулярна мгновенной оси вращения) направлен не по касательной к кругу вращения с радиусом вращения rнорм, а по нормали к траектории вращения вокруг мгновенной оси , т.е. вдоль вектора rнорм и направлен к оси мгновенного вращения, как бывает обычно направлен вектор центростремительного ускорения при вращении по кругу с радиусом rнорм. Это и есть осесимметричное ускорение, увлекающее точки твёрдого тела во вращательное движение вокруг мгновенной оси вращения. Естественно оно и породит в подвижной системе противоположно ему направленное всем известное ЦЕНТРОБЕЖНОЕ УСКОРЕНИЕ.
В итоге, имеем выражение для полного ускорения материальной точки:
W = We + Wr + (2ω × Vr) . …..……………………………………….……. (31)
Ускорение, определяемое членом (2ω × Vr), называется поворотным или кориолисовым ускорением, т.е. кориолисово ускорение точки равно удвоенному векторному произведению угловой скорости перносного движения на скорость точки в её относительном движении:
Итак, имеем
W = We+ Wr + Wc. -Абсолютное (полное) ускорение относительно неподвижной СК …... (33)
где: Wr = (dVr/dt)отн.=(d2rx/dt2) i + (d2ry/dt2) j + (d2rz/dt2) k. -Относительное ускорение(28)
We = WA + ((dω/dt) × r) + (ω × (ω × r)). –Переносное ускорение(30)
Это и есть содержание теоремы Кориолиса: Абсолютное ускорение точки можно рассматривать как геометрическую сумму переносного, относительного и кориолисова ускорений за счёт введения в рассмотрение подвижной СК, начало которой обладает линейной переносной скоростью ( VA ) и ускорением ( WA ), а также вращается с угловой скоростью (ω), имеющей в общем виде и угловое ускорении( dω/dt ) и при наличии скорости перемещения рассматриваемой точки относительного подвижной СК (Vr). Направление кориолисова ускорения определяется как и для всех векторных произведения в помощью правила правой руки, описанного в начале статьи (см. справку под выр.(8).
3.4 Применение основных теорем механики в неинерциальных системах отсчёта
(Данный раздел написан по материалам §8.гл.3 книги «Классическая механика» М.А.Айзерман.стр.106-110).
Рассмотрим движение материальной точки в неинерциальной системы в сравнении с её же движением относительно инерциальной системы. Наблюдатель, находящийся в инерциальной СК, имеет право для изучения динамики движения тоски применять законы механики и в частности второй закон Ньютона:
mi Wi = Fi. ………………………………………………………………………. (35)
где Wi – проекции ускорения точки относительно инерциальной системы на её оси x,y,z.
Попытка применить второй закон в неинерциальной системе приведёт к тому, что закон Ньютона не будет выполняться, т.к. умножение массы точки на ускорение, которое наблюдается в неинерциальной системе, приведёт к получению силы отличающейся от реально действующей на точку силы в законе (35). Разница вызвана появлением дополнительных ускорений в неинерциальной системе (см.выр. 33,28,30 и34), вызванных неинерциальностью системы: вращением осей системы координат с угловой скоростью (ω) и наличием линейного ускорения у начала сиcтему координат (WA). Движение точки mi можно считать сложным движением:
Движение точки mi относительно инерциальной системы можно рассматривать как АБСОЛЮТНОЕ, движение точки mi относительно неинерциальной системы – как ОТНОСИТЕЛЬНОЕ, а движение неинерциальной системы относительно инерциальной системы отсчёта – как ПЕРЕНОСНОЕ. Тогда в соответствии с выр.33:
W (абс) = We (пер) + Wr (отн.) + Wc (кор.) ………………………………………………… (36)
В качестве ускорения в левой части выр.36 фигурирует ускорение точки mi относительно инерциальной системы, т.е. как раз то ускорение, которое теперь, рассматривая движение точки mi как сложное, мы назвали АБСОЛЮТНЫМ, подставляя выр.36 во второй закон Ньютона (выр.35), получаем:
mi (We (пер) + Wr (отн.) + Wc (кор.)) = Fi.
Перепишем это соотношение для определения ОТНОСИТЕЛЬНОГО ускорения, что позволит записать второй закон Ньютона применительно к НЕИНЕРЦИАЛЬНОЙ системе отсчёта:
mi Wr (отн.) = Fi - mi We (пер.) - mi Wc (кор.) ………………………………………… (37)
*) Примечание: Для инженерного применения больше подходит вариант выр. 37 БЕЗ ПЕРЕХОДА к инерционным силам, а сразу в ускорениях для каждого из рассматриваемого i-го тела системы тел:
Wri(отн.) = Fi / mi - Wei(пер.) - Wci (кор.) ……………………………………..……… (38)
Формулу (37) можно трактовать как запись второго закона Ньютона применительно к НЕИНЕРЦИАЛЬНОЙ системе отсчёта. В правой части появляются два новых члена в виде двух «сил» переносной (Ji пер) и кориолисовой (Ji кор), поскольку имеют размерность силы как произведение массы тела на ускорение, и в итоге получаем:
mi Wr (отн.) = Fi + Ji пер. + Ji кор. ……………….……………………………………..… (39)
где: Ji пер. = - mi We (пер.), Ji кор. = - mi Wc (кор.) ……….. (40)
Новые два вектора в правой части формулы (38) имеют размерность силы и называются СИЛАМИ ИНЕРЦИИ: вектор Ji пер. называется ПЕРЕНОСНОЙ силой инерции, а вектор Ji кор. – КОРИЛИСОВОЙ силой инерции. Обратите внимание, что НАПРАВЛЕНИЕ сил инерции ПРОТИВОПОЛОЖНО направлению соответствующих ускорений!
Таким образом, мы установили, что второй закон Ньютона может быть применён и в неинерциальных системах отсчёта, если к силам, действующим на каждую точку , добавить переносную и кориолисову силы инерции!
Если все силы делятся на внешние и внутренние, то СИЛЫ ИНЕРЦИИ ОТНОСЯТСЯ К ВНЕШНИМ СИЛАМ. Так, например, теорему об изменении количества движения и теорему об изменении кинетического момента, можно записать так:
(dQ/dt) = Fвнешняя+ Ji пер. +Ji кор. ……………….…………………………………………….… (41)
(dKА/dt) = MA внеш. + MAJпер + MAJкор. ……………………………………………….…. (42)
Для нас представляет особый интерес ЦЕНТРАЛЬНАЯ СИСТЕМА ОТСЧЁТА, расположенная в центре масс системы тел и которая движется поступательно относительно инерциальной системы так, что в любой момент времени скорость (ускорение) всех её точек СОВПАДАЕТ со скоростью (ускорением) ЦЕНТРА ИНЕРЦИИ рассматриваемой системы материальных точек. В центральной системе КОРИОЛИСОВЫХ сил НЕТ ( так как переносное движение ПОСТУПАТЕЛЬНО и ω = 0) и для связанного с ней наблюдателя центр инерции рассматриваемой системы материальных точек НЕПОДВИЖЕН (Vc = Wc = 0). Поэтому для такого наблюдателя из формулы Q = M (dVc/dt) = 0 всегда (т.е. не только для замкнутых систем, но и при любых внешних силах!): количество движения системы СОХРАНЯЕТСЯ равным нулю во время движения. Из теоремы о движении центра инерции:
M (dVc/dt) = R = Rвнешн. + Jпер. = 0.
следует, что в центральной системе главный вектор все сил, приложенных к точкам системы (включая силы инерции) равен нулю.
Георгий 04.02.2020г 23ч 50мин. Время моск.
P.S. В следующей теме будут проанализированы все виды ускорений, появляющихся в неинерциальных системах отсчёта в теореме Кориолиса с акцентом на анализ кориолисова ускорения, вызывающего интересные дискуссии о «правильности» выражения для него, поскольку многих смущает множитель 2 в выражении для кориолисова ускорения (2ω × Vr) особенно в случае, когда вектор относительной скорости Vr направлен тангенциально, т.е перпендикулярно радиусу-вектору рассматриваемой точки и его ускорение совпадает по направлению и накладывается на центростремительное ускорение, вызываемое обычным вращением точки, относительно начала подвижной системы координат с угловой скоростью систем ω, но кориолисово ускорение при этом превышает по своей величине в 2 раза обычное центростремительное вращательное ускорение.
Уважаемый zhvictorm!
Прочитав впечатляющий список Ваших публикаций понял, что у Вас есть научные работы по теории гравитации. А меня как раз очень волнуют и интересуют вопросы реального подтверждения физическими опытами наличия гравитации между телами малой массы. С планетами всё ясно. А вот, есть ли у Вас ссылки на реальные современные данные, причём подробные, с реальными цифрами эксперимента (а не итоговые общие выводы), например, полученные на современных крутильных весах типа опыта Кавендиша по сериям опытов (с периодами колебаний весов, что меня в первую очередь и интересует, если, конечно, такие современные установки ещё существуют). Или данные других современных опытов, реально подверждающих наличие гравитации между телами с массами гораздо меньшими, чем у планет. А то меня как-то не устраивают отсылки на результаты опытов многовековой давности и всё равно без конкретных данных по измерениям. Где найти данные о фактических измерениях с применением современной техники, или это тоже "военная тайна", как и многое другое, скрываемое от общественности? Как-то наткнулся на описание современного опыта по измерению притяжения даже между атомами при их вертикальном падении в закрытом объёме, а вот чем всё это закончилось - незвестно.
В основе сомнений лежит, конечно же, статья некоего А.А.Гришаева (О.Х.Деревенский - это его псевдоним), сомневающегося в наличии гравитации между малыми телами.(http://newfiz.info/gra-opus.htm). После прочтения которой не поленился создать программу моделирования опыта Кавендиша со всеми размерами и массами его установки. В итоге получил данные о том, что при переводе притягивающих шаров из дальнего состояния в ближнее период колебания крутильных весов для установки Кавендиша должен увеличиваться почти ровно в ДВА РАЗА. Как, известно, но углу отклонения весов измерить притяжение не получается из-за малозатухающего колебательного поведения весов с периодом колебания до десятков минут. Так вот мои попытки найти подтверждающие аналогичные РЕАЛЬНЫЕ данные экспериментов на современных крутильных весах в интернете ни к чему не привели.
Как бы Вы кратко возразили А,А,Гришаеву, хотя бы просто ссылками на реальные измерения, а не на общие выводы типа "есть и точка"?
Георгий. 23.03.2020г 22с55м.Время моск.
О выводе геометрическим методом выражения для Кориолисова ускорения
Опишу непростой пройденный путь при попытке геометрического вывода формулы для кориолисова ускорения.
В предыдущем комментарии этот вывод легко и просто был произведён с применением чисто формального математического метода дифференцирования вектора относительной скорости, что лишь подтверждает всю мощь математического аппарата векторной алгебры, а именно:
Wс = (2ω × Vr). ………………………………………………………………….. (1)
В основу геометрического подтверждения этого выражения для реального ускорения Кориолиса было решено положить метод доказательства от уже заранее известного выражения к его геометрическому обоснованию и подтверждению вплоть до коэффициента 2 в выр.(1).
Итак, допустим, что нам известно конечное выражение сложной функции времени (f), которая является в первом приближении векторным произведением двух переменных Wc ~= f (ω × Vr). Найдём ее точное выражение геометрическим способом, применив для этого вывода правило для определения дифференциала от произведения двух функций времени: как произведение дифференциала от первой функции на вторую плюс произведение первой функции на дифференциал от второй:
Δ (ω × Vr) = Δ (ω) × Vr + ω × Δ (Vr). …………………………………………… (2)
где: Δ(…) – операция сообщения допустимого для данной функции небольшого по величине приращения, от которого мы потом избавимся, поделив на соответствующее ему небольшое приращение времени Δ(t), и после устремления величины Δ(t) к нулю, заменим отношения приращений Δ(…)/Δ(t) на выражение для производной d(…)/d(t) от функции, которая и будет равна УСКОРЕНИЮ Кориолиса.
Для геометрического вывода на плоской вращающейся поверхности (с угловой скоростью ω) и тела, имеющего физическую связь с этой поверхностью (в виде трения без проскальзывания) и перемещающегося относительннеё в любом возможном направлении (с линейной скоростью Vr). Нам даже не понадобится геометрический рисунок по причине его элементарности в виде обычной окружности как годографа (от вращения по кругу) конца радиуса-вектора r (или его же эквивалента - вектора относительной скорости Vr с длиной вектора Vr Δ(t), равной длине вектора r ), описывающего эту самую окружность, а в центр этой окружности поставим вертикальный кол в виде вектора угловой скорости вращения (вектор ω, вращающийся для определённости с положительной угловой скоростью, т.е. против часовой стрелки). Вот и вся заготовка для мысленного рисунка.
С начала была предпринята довольно быстрая и успешная попытка с применением вышеописанного правила сложения двух независимых приращений по ω и Vr для геометрического обоснования выр.(1) в случае, когда вектор скорости Vr был направлен вдоль радиуса-вектора дальности (R большое) из центра вращения плоской поверхности, расположенного, где-то внизу плоскости рисунка, т.е. вне вышеописанного малого круга (с малым радиусом r). Не буду его описывать сам вывод, т.к. это будет сделано позже на примере малого круга с радиусом r. Метод реализовался легко и просто, т.е. в случае направления относительной скорости тела Vr вдоль радиуса-вектора дальности (R большое) никаких проблем не возникло.
Но когда была предпринята аналогичная попытка вывода выражения тем же самым способом, но только случае, когда вектор скорости Vr, направлен перпендикулярно к радиусу-вектору дальности (R большое) вывод застопорился и никак не поддавался. То, что элементарно и очевидно срабатывало в первом случае наповал не срабатывало во втором случае тангенциальной скорости по отношению к радиусу-вектору (R большое) из центра вращения.
И тут пришло озарение, состоящее в том, что вектор скорости вращения подстилающей плоской поверхности ω надо перенести из своего истинного центра вращения подстилающей поверхности в центр масс самого движущегося с линейной скоростью Vr тела! Ведь мы так фактически и поступаем, когда применяем правило правой руки для определения векторного произведения, совмещая в одну точку вектора угловой и линейной скоростей!
Вот тогда геометрический вывод подтверждается на круге малого радиуса r с его центром в самой подвижной рассматриваемой точки даже независимо от направления вектора скорости Vr в силу полной круговой симметрии самого малого вращающегося круга, из центра которого и направлен вектор относительной скорости перемещающегося по поверхности тела.
Предпосылкой для такого действия переноса вектора вращения ω явилась и сама методика простого вывода по первому удачному варианту геометрического вывода, когда Vr был направлен ВДОЛЬ большого вектора-радиуса R вращения тела, проведённого из далёкого истинного центра вращения поверхности. Тогда при выводе одной из равноценных составляющих формулы, равной (Δ (ω) × Vr), получаемой ТОЛЬКО ЗА СЧЁТ ПРИРАЩЕНИЯ по угловой скорости (Δ (ω)) приходилось брать разницу В ДЛИНАХ ПУТЕЙ, ПРОХОДИМЫХ ПРИ ВРАЩЕНИИ ПО КРУГУ ЦЕНТРОМ МАСС ДВИЖУЩЕГОСЯ ТЕЛА, И КОНЦОМ ЕГО ЖЕ ВЕКТОРА ОТНОСИТЕЛЬНОЙ СКОРОСТИ, ОТСТОЯЩИМ ОТ НЕГО ВПЕРЁД НА РАССТОЯНИЕ малого-радиуса вектора r и при этом за счёт ТОЛЬКО ДЛИНЫ САМОГО ВЕКТОРА r И ПОЯВЛЯЛОСЬ ПРИРАЩЕИЕ ЛИНЕЙНОЙ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СКОРОСТИ КОНЦА ВЕКТОРА r ОТНОСИТЕЛЬНО НАЧАЛА САМОГО ВЕКТОРА, ВЫЗАННОЙ РАЗНИЦЕЙ В ЛИНЕЙНЫХ СКОРОСТЯХ ВРАЩЕНИЯ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ (на базе длины вектора малого вектора r ).
С учётом вышесказанного, осталось только произвести геометрический вывод выражения для корилисова ускорения по методике взятия дифференциала (приращения) от произведения по выр.(2), используя мысленный круг с малым радиусом-вектором r и его же эквивалента - вектора относительной скорости Vr с длиной вектора Vr Δ(t). Напомним правило для взятия дифференциала от произвеения двух функций времени:
Δ (ω × Vr) = (Δ (ω) × Vr) + (ω × Δ (Vr)). ………………………………………. (2)
Определим оба независимых приращения в правой части выр.2, считая, что первое приращение происходит только за счёт поворота вектора относительной скорости на небольшой угол, равный (ω Δ(t)) за счёт ТОЛЬКО ВРАЩЕНИЯ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ. При этом нас интересует ТОЛЬКО ВРАЩАТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ ОТ ЭТОГО движения подстилающей поверхности, поскольку плоскопараллельноя поступательная часть этого движения подстилающей поверхностиникаких эффектов в виде ускорений не даёт и её можно НЕ РАССМАТРИВАТЬ, а вот это и означает, что вращение можно рассматривать относительно НАЧАЛА ЦЕНТРА МАСС ДВИЖУЩЕГОСЯ ТЕЛА в виде вектора вращения ω при радиусе-векторе r, полностью совпадающему, например, с вектором относительной скорости r = Vr и пока без его приращения по времени.
Тогда, раскрывая векторное первый член приращения в выр. (2), т.е. произведение Δ (ω) × Vr, получим вектор дополнительной линейной скорости ΔVr, конца вектора Vr, возникаюший при повороте конца вектора Vr в горизонтальной плоскости подстилающей поверхности с угловой скоростью ω, и это лежащий вектор приращения скорости (ΔVr) в горизонтальной плоскости расположен нормально к концу радиуса-вектора вращения r и представляет собой аналог вектора окружной скорости конца радиуса-вектора при равномерном вращении по кругу, т.е.:
ΔVr1 = (Δ(ω) × Vr) = (ω Δ(t) × Vr) = (ω × Vr) Δ(t). …………..…….………….(3)
Вторую составляющую в выр.(2) получим за счёт другого приращения (независимого от первого) по смещению вперёд (относительно центра рассматриваемого нами круга) самого вектора скорости линейной Vr вдоль самого себя на малое расстояние, равное приращению пути за период времени Δ(t), т.е. Δ (Vr) = Vr Δ(t) и которое сопровождается появлением дополнительного приращения боковой линейной скорости конца вектора относительной скорости ТОЛЬКО ИЗ-ЗА ПРИРОСТА РАДИУСА ВРАЩЕНИЯ на величину Vr Δ(t), поскольку возрастает скорость вращения подстилающей поверхности за счёт смещения целиком самого вектора относительной скорости Vr на приращение величиной, равной Δ (Vr) = Vr Δ(t). По правилу раскрытия векторного произведения получим вторую составляющую кориолисова ускорения в виде:
ΔVr2 = (ω × Δ(Vr) = (ω × Vr Δ(t)) = (ω × Vr) Δ(t). …………………………. (4)
Просуммируем оба коллинеарных вектора приращений из выр.(3 и 4) , направленных в одну сторону, влево по нормали к концу вектора скорости Vr, в соответствии с выр.(2) для взятия дифференциала:
ΔVr полн. = ΔVr1 + ΔVr2 = (ω × Vr) Δ(t) + (ω × Vr) Δ(t) = (2ω × Vr) Δ(t). …... (5)
Поделив обе части выр.(5) на Δ(t) и взяв предельный переход за счёт устремления Δ(t) к нулю, получим окончательное выражение для кориолисова ускорения, совпавшее с выр.(1), полученным ранее с применением методов векторной алгебры:
Wc = Lim| Δ(t) ->0 (ΔVr / Δ(t)) = (2ω × Vr). ….……………………………………..(6)
Вот так, совершенно просто (даже без реального, а лишь воображаемого рисунка!), удалось геометрическим способом получить правильное выражение для Корилисова ускорения с учётом правила взятия дифференциала от некоего исходного векторного произведения двух параметров (ω,Vr) для тела перемещающегося над вращающейся поверхностью при полной независимости выр.(6) от направления вектора относительной скорости по направлению относительно подстилающей поверхности.
И ВСЁ-ТАКИ ЦИФРА ДВОЙКА (2) В КОРИОЛИСОВОМ УСКОРЕНИИ НЕОБХОДИМА И ЕЁ ВЕЛИЧИНА НИКАК НЕ ЗАВИСИТ ОТ НАПРАВЛЕНИЯ ВЕКТОРА ОТНОСИТЕЛЬНОЙ СКОРОСТИ ТЕЛА по отношению к подстилающей вращающейся поверхности.
Поэтому все попытки некоторых авторов доказать переменность числового коэффициента (2) перед вектором угловой скорости ω в выражении (6) для Кориолисова ускорения или замену 2 на 1 , с моей скромной точки зрения, АБСОЛЮТНО НЕСОСТОЯТЕЛЬНЫ и демонстрируют лишь их многочисленные заблуждения и наукообразные плутания в попытке обосновать другие значения коэффициента при ω на примере многочисленных и малопонятных стереометрических рисунков.
Вот, например, некий автор А.А.Астахов, посвятил этой проблеме целую книгу, основная часть которой и была посвящена анализу кориолисова ускорения. (http://www.sciteclibrary.ru/texsts/rus/stat/st5379.pdf ).
В аннотации к статье автор пишет:
«Точное значение силы Кориолиса не равно удвоенному произведению угловой скорости переносного вращения на линейную скорость относительного радиального движения. Численный коэффициент в этом произведении всегда меньше двойки. Отличие тем больше, чем меньше радиус переносного движения. С увеличением радиуса переносного вращения коэффициент стремится к двум. Ускорение Кориолиса, определяющее геометрическое приращение поворотного движения равно половине классического ускорения Кориолиса. При равномерном относительном движении перпендикулярном радиусу сила и ускорение Кориолиса не проявляются.»
Как видим, автор не догадался перенести вектор вращения в центр масс движущегося тела (что можно и надо делать обязательно в полном соответствии с правилом раскрытия векторного произведения (2ω × Vr) ) и он, как и я в начале, утонул в дебрях «движения, перпендикулярному радиусу-вектору, проведённому из центра вращения в центра масс тела».
При этом попутно автор, видимо, не хочет говорить (а скорее и не подозревает) о возможности существования реальной "Силы Кориолиса", определяемой по выражению: Fкор = (2ω × Vr) m. Именно реальным воздействием которой и объясняются эффекты подмывания правых берегов у всех рек северного полушария Земли независимо от направления течения, а также закручивание атмосферных циклонов во вращение против часовой стрелки (см. предыдущий комментария от 16.03.2020.)).
В качестве подтверждения другого моего предложения о необходимости УСТРАНЕНИЯ из механики ВСЕХ ФИКТИВНЫХ «СИЛ ИНЕРЦИИ», к коим и относится незаслуженно упоминаемая во многих учебниках ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ И ПОЛНОСТЬЮ ФИКТИВНОЕ (подчёркнуто для А.А.Астахова) Кориолисова сила инерции (Jкор.= – (2ω × Vr)m) было предложено ОТКАЗАТЬСЯ ОТ ВСЕХ ФИКТИВНЫХ СИЛ, ОСТАВИВ ВМЕСТО НИХ В НЕИНЕРЦИАЛЬНЫХ ВРАЩАЮЩИХСЯ СИСТЕМАХ ЛИШЬ ИХ ФИКТИВНЫЕ «АНТИУСКОРЕНИЯ» (например, «антикориолисовое»: Wантикор.= – (2ω × Vr)).
И вот этому очередное наглядное подтверждение из книги этого автора в виде цитаты из его статьи, (извините за длинную цитату):
«И в геометрических, и в аналитических выводах ускорения Кориолиса во всех современных учебниках, а также в работах классиков теоретической механики фигурирует удвоенное именно геометрическое, т.е. реальное ускоренное приращение траектории поворотного движения в направлении линейной скорости переносного движения. Примеров этому в нашей работе приведено достаточно много. И самый яркий из них по представлению физической сущности классической версии явления Кориолиса это определение удвоенного ускорения Кориолиса, как линейного ускорения через линейный путь, пройденный с ускорением Кориолиса.
Такие выводы есть, в том числе и в справочной литературе по физике. Причём в них не оговаривается, что это ускорение фиктивное.*1)
Фиктивной, по мнению классической физики, является лишь сила Кориолиса.*2)
Причём не половина силы Кориолиса, а именно вся её физическая величина...
Более того, ошибка определения ускорения поворотного движения прочно вошла в математический метод дифференцирования криволинейного движения по приращению его координат. Приращение скорости это всегда приращение расстояния, пройденного с ускорением, но приращение координат не всегда соответствует приращению этого расстояния. Поэтому вторая производная от приращения координат не всегда соответствует реальному геометрическому ускорению криволинейного движения. Классическое дифференцирование приращения криволинейного движения этого не учитывает.»
*1) К вашему сведению, это ускорение и есть самое настоящее реальное (а не фиктивное, как вам кажется), т.е.реальное ускорение точек условного твёрдого вращающегося тела со знаком плюс, а не фиктивное со знаком МИНУС, вводимое в уравнения в неинерциальной системе для устранения несправедливо и чисто визуально наложенному на свободное тело, которое никакими физическими связями не привязано в точкам вращающегося условного тела!
*2) Это так называемая «сила Кориолиса инерции». И не надо путать двух разных «баранов»: ранее названную полностью фиктивную «сила Кориолиса инерции» (со знаком МИНУС) и просто «Силу Кориолиса» (без добавления слова «инерции» и со знаком ПЛЮС), которая вполне реальна и о существовании которой автор даже не догадывается, возясь по-прежнему с официальной (из учебников) отрицательной по знаку и фиктивной «силой Кориолиса инерции» и которую он ещё и вдобавок УСЛОВНО разделил на две части (вдоль радиуса вектора и поперёк него), усмотрев в первой из них реальность, а во второй, с выводом выражения для которой он так и не смог справиться, – фиктивность. С чем мы его и поздравляем. Именно в этом-то и небольшом отличии в названии двух Сил Кориолиса и состоит грубая ошибка автора, не различившего две разных противоположно направленных силы: фиктивную "Силу Кориолиса инерции"(отрицательную по знаку) и реальную "Силу Кориолиса"(положительную по знаку).
Вот так от мешанины из ДВУХ СОВЕРШЕННО РАЗНЫХ ПРОТИВОПОЛОЖНО НАПРАВЛЕННЫХ СИЛ Кориолиса, превратившихся для автора статьи в одну единую «фиктивную и наполовину реальную» НОВУЮ гибридную Силу Кориолиса, чудесным образом совместившей в себе фиктивную «Кориолисову силу инерции» СО ЗНАКОМ МИНУС (на слово «инерции» в учебниках все уже давно как-то перестали обращать внимание) и опрометчиво введённой в учебниках (видимо, для того, чтобы всех запутать окончательно букетами из разнообразных «Сил инерции»), и вполне реальную Силой Кориолиса (без ключевого слова «инерции» И СО ЗНАКОМ ПЛЮС перед тем же самим реальным кориолисовым ускорением), возникающей вполне реально при наличии физических связей с вращающейся поверхностью Земли (например, при подмывании одного из берегов рек и эффект закручивания циклонов в вихри). Автор, не разобравшись с этими двумя АНТИПОДАМИ из двух Сил Кориолиса противоположно направленными (причём одна из них фиктивная, а другая реальная), перевалил со своей «больной головы» на «здоровую голову» математики все свои проблемы вывода, бросив тень на метод дифференцирования (видите ли он «не всегда соответствует» ожиданиям автора). Надо же найти виноватого, вот он и найден в виде метода дифференцирования.
Надеюсь, молодёжи ещё более стал понятен предлагаемый мною принцип «ликвидации как класса» целого «зоопарка» «Сил инерции» (так любезных Астахову, что он за них «горой» против всех и вся, и даже начинает их считать вполне реальными!), и которым предлагается объявить их тотальную ликвидацию и подвергнуть наказанию в виде «пожизненного цика на гвоздях», как во второй серии фильма «Кин-дза-дза»*), не в меру расплодившихся на страницах учебников механики, и как следствие, необходимо одновременное ЗАКРЕПЛЕНИЕ ЗА ФИКТИВНЫМИ УСКОРЕНИЯМИ (как первоисточника всех этих бед в виде "Сил инерции") вполне почётного и заслуженного звания «АНТИУСКОРЕНИЯ» (в данном случае - «антикорилисова ускорения» со знаком МИНУС: Wантикор.= – (2ω × Vr)) и "антипереносное" ускорение (Wантипер. – также со знаком минус (относительно реального переносного ускорения точек твёрдого тела идущих вседа со знаком плюс) в неинерциальных вращающихся системах для нормальной работы второго Закона Ньютона при расчёте движения свободного тела.
*) Примечание, для разрядки атмосферы, немного о моём любимом фильме Г.Данелии: «Кин-дза-дза». Редактор MS Word всё упорно пытался заменить мои прописные буквы слова «цик» на заглавные «ЦИК», так же как и обратно прочитанное слово «кц» (обычные спички в фильме), т.е. «цк» на "ЦК". Ай да Георгий Данелия, не зря переписывал несколько лет для обхода цензуры, свой сценарий, весивший со всеми вариантами 5 кг! Съёмки фильма в пустыне Каракум были тяжёлыми и многие не снявшиеся по разным причинам в этом фильме актёры (Вахтанг Кикабидзе, Леонид Ярмольник, Валентин Гафт), думаю не раз пожалели об этом, а вот Юрий Яковлев был готов сняться у Данелии хоть на Луне. Даже когда он лежал в больнице, то в ответ на неожиданное предложение от Данелии сняться в фильме и «Что надо уже сейчас начинать сниматься»), Яковлев ответил: «Хорошо, я завтра выйду!». Талантливый дуэт ещё болезненного на вид Юрия Яковлева и плутоватого, добродушного и надутого (от осознания своего высокого происхождения) Евгения Леонова украшает этот фильм, да и Станислав Любшин им под стать. По началу фильм (выход на экран в 1987г) многие не приняли и только по прошествии некоторого времени люди оценили эту притчу об убогой действительности общества с дифференциацией по цвету штанов (оранжевые в фильме и малиновые пиджаки в перестройку) Кстати, название фильму дал не грузин Данелия с его любимой травой Закавказья - кинзой, а совсем случайно «выдал» Евгений Леонов, когда к нему, раскачивающемуся в гамаке внутри прохладпного пепелаца (космического корабля, больше напоминающего конический чугунный литой летающий "сортир"), подсел Станислав Любшин и спросил, «что в порт-феле» у Леонова, то тот сначала раздумчиво повторил окончание последнего слова «Феле-феле-феле», а затем ответил : «Зелень, кинза» и давай распевать «Кин-дза-дза-дза…» Всю дорогу он пел, а название осталось»…Так исчез первоначальный вариант названия фильма: «Космическая пыль»… Это отрывок из статьи Марии Конюковой из журнала «Тайны СССР №3 за 2020г., стр 16-17».
Однако, продолжим в назидание молодёжи демонстрацию этих заблуждений А.А.Астахова и приведём ещё одну фразу из рассматриваемой статьи, где автор обнаружил противоречия в Кориолисовой силе, которую он, видимо, знает только в виде ОДНОГО ФИКТИВНОГО ВАРИАНТА и даже не замечает знака ПЛЮС в реальной Кориолисовой силе ( а не фиктивной Кориолисовой силы инерции, кроме которой автор ничего не знает), когда в примере известного физика Фейнмана с движением человека по радиусу вращающейся карусели и испытывающего на себе воздействие вполне реальной силы Кориолиса вынужден наклоняться вбок для компенсации «закручивающуей силы», чтобы не упасть. Оцените всю глубину искреннего недоумения автора по этому поводу:
«Начнем с того, что выясним, почему закручивающую силу, которая реально изменяет угловой момент вращательного движения, Фейнман ассоциирует с силой Кориолиса, которая с точки зрения классической физики, являясь силой фиктивной, не может изменить момент импульса в принципе.
Фейнман пишет: ≪В действительности мы хотели бы узнать, какую боковую силу должен прилагать человек, чтобы двигать массу m со скоростью Vr=dr/dt. Как видите, она равна Fк = 2ωVr m ≫.
Фактически это означает, что двигая что-то по радиусу необходимо подстраиваться под вращающуюся систему, синхронизируя вращение движущегося вдоль радиуса тела с исходным переносным вращением за счет ≪обычной≫внешней боковой силы. В классической же физике «Сила Кориолиса» считается ФИКТИВНОЙ СИЛОЙ ИНЕРЦИИ. *)
Таким образом, Фейнман в своем выводе фактически противоречит самому себе и классической физике, определяя силу Кориолиса как реальную силу, поддерживающую переносное вращение движущегося радиально тела с исходной угловой скоростью, чтобы его вращение при радиальном движении соответствовало бы прежнему переносному вращению. И это противоречие вполне оправдано, т.к. это есть объективная реальность, которую не могут игнорировать даже сторонники классической модели поворотного движения.»
*) В классической физике ФИКТИВНОЙ СИЛОЙ ИНЕРЦИИ является не «Сила Кориолиса», , а «Сила Кориолиса ИНЕРЦИИ» (со знаком МИНУС!), фиктивная и направленная в обратную сторону по отношению к вполне реальному кориолисову ускорению (а заодно и к реальной "Силе Кориолиса")
Поэтому противоречит классической физике не Фейнман , а Вы, товарищ А.А. Астахов, не заметив как знака плюс в выражении Фейнмана (Fк= 2ωVr m.), так и невнимательно прочитав название силы: "Сила Королиса", но отнюдь не "Сила Кориолиса ИНЕРЦИИ". Хотя в вашем понятии, кроме фиктивной силы Кориолиса другой кориолисовой силы быть и не может!
Вот так А.А.Астахов, автор книги, посвящённой, в основном, анализу кориолисова ускорения вообще не знает и даже не догадывается о возможном существовании другой, реальной "Силы Кориолиса" (но не «инерции») .
А откуда тогда, разрешите спросить его, берётся реальное подмывание правых берегов рек и закручивание циклонов против часов в северном полушарии разве от фиктивной «Силы Кориолиса инерции»? Конечно же НЕТ, не от неё, а от реальной "Силы Кориолиса" со знаком плюс перед кориолисовым ускорением и с направлением действия в левую сторону (в северном полушарии) от направления скрости относительного движения, поворачивая вектор относительной скорости в плоскости вращающейся поверхности Земли всё время по нормали ВЛЕВО от направления вектора относительного движения.
Вот теперь, дорогой читатель, и оцените всю реальную и назревшую необходимость предложенной выше мною реформы в терминологии СИЛ И УСКОРЕНИЙ (см. мой комментарий от 16.03.2020г), если такой вполне себе нагловатый и считающий себя непогрешимым, автор, позволяющий себе критиковать ВСЕХ И ВСЯ, не взирая на лица и звания, ( и даже операцию дифференцирования умудрился между делом упрекнуть в неточнсти ) элементарно запутался в четырёх соснах из двух взаимно противоположных по направлениям Кориолисовых ускорений (реального и фиктивного, со знаком минус) и двух Сил Кориолиса (реальной и фиктивной с обязательным словом в названии «инерции» и со знаком минус перед ускорением)!
Однако автор выпустил ещё и книгу под названием: Александр Астахов «Физика. Порядок вещей, или Осознание знаний. Книга 2», «Издательские решения», где продолжил эту тему о фактической Силе Кориолиса, выдав «на гора» ещё одного уродца в виде Силы «Кориолиса-Кеплера», как он её называет:
«Поскольку в классической динамике вращательного движения понятие об обычной истинной силе Кориолиса-Кеплера отсутствует, то в классической физике родилась самая странная сила не только из всех сил инерции, но и самая странная из всех обычных сил!!! Классическая сила Кориолиса это либо, полу фиктивная обычная сила, либо, полу обычная фиктивная сила. Недаром физики всех времён и народов, начиная со времён Кориолиса, до сих пор спорят, реальна ли сила Кориолиса или же это только иллюзорная сила инерции.»*)
*) Вместо того, чтобы сообразить и умножить РЕАЛЬНОЕ Кориолисово ускорение (точек условного твёрдого вращающегося тела) на массу тела и получить вполне реальную Силу Кориолиса ( Fкор.= (2ω × Vr) m), направленную противоположно "Силе Корилиса инерции" (Fкор.инерции= – (2ω × Vr) m), автор придумал новый гибрид: «силу Кориолиса-Кеплера», (видимо, с заменой множителя 2 на 1), испытывая трудности с геометрическим выводом для ускорения Кориолиса в тангенциальном (поперечном) направлении относительно радиуса-вектора. Знай наших…
Однако у меня к автору книги: «А.А.Астахов Физика Порядок вещей, или Осознание знаний. «Издательство», 2017г.» имеется совсем другой и особый счёт, ибо всё вышеизложенное о его взглядах можно было бы простить автору списать на ошибки и заблуждения, которые можно только отметить (кто из нас не заблуждается или не ошибается – нет таких (в том числе имею в виду прежде всего самого себя). И мой тон был бы совершенно другим в вышеизложенных строках по отношению к автору и более спокойным и выдержанным. Однако сделано это сознательно, покольку есть за что публично наказать.
А вот за другие «прегрешения» хотелось бы спросить уже с автора по «полной программе», поскольку уже с начальных страниц своего опуса, посвящённых разбору Сил инерции, он рьяно набросился на уважаемого мною доктора технических наук, профессора кафедры теоретической механики Нурбея Владимировича Гулиа, написавшего, на мой скромный взгляд прекрасную небольшую книгу под названием «ИНЕРЦИЯ» Издательство «НАУКА» Москва 1982г. 152 стр.» Под эгидой «Академия наук СССР» Серия «Наука и техничесий прогресс» , ответственным редактором которой был, известнейший в области механики, академик А.Ю.Ишлинский. И какая же муха укусила этого Астахова, написавшего всякие гадости про классические взгляды Нурбея Владимировича по вопросам механики. Да под каждым словом небольшой, но безупречной книги Гулиа «ИНЕРЦИЯ» я подпишусь без всяких оговорок, т.к. в ней дан великолепный исторический обзор понятия инерции от античной механики до теории относительности, кратко, но весомо и понятно, чего не могу сказать об опусе словообильного Астахова.
Вообще-то нападки на тексты популярных книг Н.В.Гулиа о механике, силах и инерции вызваны со стороны А.А.Астахова явным НЕСОВПАДЕНИЕМ его представления и Силах инерции с классическим походом к ним как к чисто фиктивным, твёрдо проводимым и известным академиком А.Ю.Ишлинским, А вот для Астахова Силы инерции с одной стороны,чтобы не придпрались к нему, для него фиктивны, но чисто формально (как бы на словах), а с другой, гораздо большей, он считает их, как ни странно, вполне существующими и где-то даже реальными! И главное при этом, что он вместо того, чтобы все появления инертности в механике объяснять врождённым СКАЛЯРНЫМ СВОЙСТОВМ ИНЕРЦИИ МАССЫ ТЕЛА , заменяет для себя существованием почти реальных для него ВЕКТОРНЫХ НЕСУЩЕСТВУЮЩИХ И ФИКТИВНЫХ СИЛ ИНЕРЦИИ с радостью подхватив слова Ньютона в "Врождённой силе материи" при объяснении СВОЙСТВА ИНЕРТНОСТИ ТЕЛА. Такой вот эклектизм в одной голове в отношении к Силам инерции!
И как только он не называет Н.В.Гулиа: и «ярым сторонником фиктивности сил инерции» и что «слова Гулиа ( «…Сил инерции нет, не было и не может быть, потому что в существующей механике им места нет») - это логика типа: этого не может быть, потому что не может быть никогда. Может быть, профессор имел в виду не саму реальную действительность, а ее математическое описание?» и «высказывание Гулиа, скорее всего, следует понимать, как полное отрицание сил инерции в реальной природе».*)
*)Моё примечание: А как же может быть иначе иначе, если они и есть самые что ни на есть фиктивные в неинерциальных системах!
А на примере рассмотрения вращения Луны вокруг Земли дело дошло даже до смешного: Гулиа утверждает, что центробежная сила НЕ ПРИЛОЖЕНА к Луне, естественно, рассматривая её вращение в инерциальной невращающейся системе относительно центра масс Земли, а автор возражает ему следующим перлом, даже не разобравшись в какой системе отсчёта идёт анализ вращения (да, в неинерциальной земной системе к Луне вынужденно приложено ФИКТИВНОЕ «центробежное ускорение» (или «антицентростремительное» ускорение), на что Астахов глубокомысленно возражает, даже не представляя себе разницу между системами отсчёта:
«А поскольку небесные тела реально подталкивает(?) друг к другу вполне материальное поле тяготения, но при этом они не падают друг на друга, то надо полагать, что они сопротивляются ему при помощи вполне реальной центробежной силы».*)
*) Примечание: А может быть, т. Астахов, от того что у Луны есть соотвествующая по величине орбитальная скорость, которая и не позволяет ей рухнуть на Землю! А не благодаря несуществующаей в реальной действительности ФИКТИВНОЙ ЦЕНРОБЕЖНОЙ СИЛЫ! Поищите-ка её в инерциальной системе: её там никогда и не было, кроме ЕДИНСТВЕННОЙ силы притяжения Луны к Земле! И вот благодаря наличию орбитальной скорости Луна, ПАДАЯ ВСЁ ВРЕМЯ на Землю под воздействием ЕДИНСТВЕННОЙ силы притяжения к Земле лишь РАЗВОРАЧИВАЕТ ПО НАПРАВЛЕНИЮ свой вектор орбитальной скорости успевая пролететь вбок, по касательной к радиусу-вектору, направленномк на Землю. , что и приводит к эллипитческой орбите вокруг Земли (почти круговой). Не будет скрости и Луна прямиком, как сорвавшийся лифт, полетит прямо к Земле. Это вам для ОСОЗНАНИЯ и соотвественно для вашего ПРОСВЕТЛЕНИЯ.
Или вот эта наглость зазанавшегося и непогрешимого, а на деле безграмотного автора:
«Как можно утверждать, что он (Гулиа) всё и всем доказал, если с другой стороны можно со сто процентной уверенностью сказать, что сам Гулиа ничего толком не знает о природе инерции. И это не голословное утверждение. На сегодняшний день природа инерции официальной наукой, приверженцем которой является Гулиа, не установлена. Не известны и революционные работы самого Гулиа о природе инерции. Все его нынешние доводы не выходят за рамки средней школы.» *)
*) Природу инерции можно и не знать! Достаточно её лишь привильно учитывать, но грамотно, без вывиха в мозгах.! А по-моему скромному мнению, Вы сами и есть полное невежество и ничтожество, мнящее из себя знатока механики. Позор на уровне средней школы. Далее не буду продолжать, вполне хватит вышесказанного. Это у Вас самого , товарищ Астахов, знания не выходят за рамки средней школы!
И всё это о Докторе технических наук, участвующему в разработке оригинальных накопителей кинетической энергии для транспорта (http://nt.ru54.com/ac/gnv/index.html ) и супервариаторе для них (http://n-t.ru/tp/ts/sv.htm).
P.S. Уважаемый А.А.Астахов! Не надо ничего писать на данный сайт, ответа не будет. Поскольку я стою на страже научности данного сайта (выполняю общественное поручение), то Ваше присутствие на нём объявляю «persona non grata» …
А Вам не кажется, что надо бы извиниться перед уважаемыми людьми (перед Н.В.Гулия, например), что несколько пробудит Вашу подуснувшую совесть и загладит ошибки и заблуждения. Отталкивайтесь, пожалуйста, "от осознания и просветления" (по В.Высоцкому). Вот мне, например, хоть и стыдно за мои ошибки и несдержанности, допущенные мною на этом сайте, но нахожу же я в себе силу признать их. Поверьте, все ошибаются - это естественно, а у Вас, честно говоря, есть талант и глубокое мышление, но Вас одолевает гордыня, разрешающая Вам без огляки верить в Вашу непогрешимость и нападать на всех и вся. Боритесь с неправильными идеями, а не с людьми их высказавшими. После того, что Вы узнали о своих заблуждениях, главное сделать правильные выводя для себя и начать с раскаяния. Но не все могут побороть в себе этот самый страшный грех падшего человека - СОБСТВЕННУЮ ГОРДЫНЮ. Если Вы её сейчас преодолеете, не сделаете первый шаг и не раскаетесь, то она сожрёт Вашу бессмертную душу и погубит Вас окончательно... Вспомните последние годы Л.Толстого, его гордыню. Одумайтесь, пока не поздно, покайтесь. И с новыми силами принимайтесь за новые работы, только без наскоков на других и никогда не забывайте о слабости нашего ума, не возгордитесь, иначе - конец личности. Будьте благоразумны...
P.S. Следующий комментария будет о трактовке трёх законов Ньютона.
Георгий 21.03.2020г 23ч25мин.
Удивительное дело!
Луна не уходит к Солнцу, летает вокруг Земли - а ей упорно приписывают траекторию околосолнечную. Почему в таком случае спутникам Марса не приписывают подобные траектории. или Юпитерианским?
Есть система Земля-Луна, и она входит в систему Солнечную, как и все остальные планеты. И пора уж это понять и принять.
Другое дело. что Луна идет вокруг Земли несколько необычно, захватывая две разрешенные орбиты - да. Напоминая траекторию кометы. Но связано это скорее всего с тем, что ее диаметр больше, чем ширина максимальной разрешенной орбиты - 400000х0,005 = 2000км.
Ох, друзья, простите! Оказывается, я невнимательна - и к другим планетам и их спутникам применяют эту теорию. Слушайте, да вы эзотерики еще те!
Как может планета, у которой притяжение ниже, чем Солнечное, что-то удерживать около себя? Если Солнце тянет к себе Луну вдвое сильнее, чем Земля - то луна давно уже должна была у бежать от нас.
Ещё в старших классах школы соседка по дому, зная мой интерес к звёздам, пригласила меня на занятия астрономического кружка студентов Пединститута, который вела там Рахиль Менашевна.
С той поры во многих моих астрономических наблюдениях и исследованиях присутствуют руководство и участие Рахиль Менашевны.
Это и наблюдения затмений (в т..ч. - солнечного в Шортанды 30 мая 1965 г.), переменных звёзд, покрытий звёзд Луной, затмений спутников Юпитера и др. по программам ВАГО. И, конечно, первых ИСЗ, когда она стала начальником Станции визуальных наблюдений в Ульяновске. Её фото за приёмом "бип-бип"-сигналов первого в мире ИСЗ вы и видите в заголовке статьи о ней.
Со временем Р.М. доверила мне самостоятельно пользоваться телескопом УГПИ, бинокулярами и др. приборами станции наряду с ответственным за это Голобородько Е.И.
Читала статьи RMR_astra на сайте, они заставляли задуматься.
Светлая память.
И неожиданно приятно снова видеть знакомое красивое имя RMR_astra у автора комментария.
Благодаря этому сайту, возможности писать и быть читаемой, у Рахили Менашевны был смысл и способ существования последние 6 лет!
RMR теперь astra!..
Зеленцова Р.А., дочь Разник Р.М.
Покинул нас настоящий Учёный и Учитель, доброй души человек...
Своей увлечённостью Космосом Рахиль Менашевна всегда заражала нас - детей, юношей и не только - которым посчастливилось общаться с ней.
Она покинула Землю в день весеннего равноденствия, как и полагается тому, кто слышит "музыку небесных сфер".
Для сайта Лаборатория космических исследований 18 марта 2020 года стало печальной датой.
В этот день скончалась Рахиль Менашевна Разник.
Долго подбирала, какими словами написать об этом.
Рахиль Менашевна
не ушла из нашей жизни - столько авторских материалов, которые собрали десятки тысяч просмотров, останутся навсегда на нашем сайте.
не угасла - псевдоним RMR_astra как свет далекой звезды будет светить не только всем, кто знал её, но и будущим поколениям.
Рахиль Менашевна не любила, когда высказывали слова благодарности или расхваливали заслуги, не буду делать этого и сейчас. Каждый сохранит в душе то, что осталось от общения с этим человеком.
На главной странице сайта сейчас выставлены только публикации RMR_astra. И это лишь небольшая часть значительного творческого наследия. Последние годы сайт фактически жил и обновлялся новыми научно-популярными статьями Рахили Менашевны.
Людей, которые посвятили свою жизнь астрофизике, не так много на Земле. Личный опыт общения с астрофизиками и астрономами доказывает, что это действительно особенные люди. У них есть дар свыше слышать и чувствовать Космос.
Георгий, вы задали правильные вопросы.
Дело в том, что направления движения силовых потоков на разных орбитах разное - есть правостороннее, и левостороннее, через одну. И поэтому сектора два. Рисунок не очень понятный, согласна. И наши ведь зонды выходят из гравитационного поля Земли, верно? Так же и корабль может выйти. И опять-таки, если знать, где расположены эти секторы у Земли, выход на орбиту будет прост.
Вы знаете, что Гагарин чуть не удетел прочь от планеты? Он с трудом остановил корабль на высоте вдвое большей, чем было запланировано - потому что не учитывались некоторые свойства гравитационного поля. А именно, его сила отталкивания. ну и еще кое-что.
Но, к сожалению, мы совершенно не знаем, где проходит нулевой меридиан системы Земля. И не можем определить ее ключевые точки. Нет, это не меридиан Гринвича, совсем нет.
надеюсь, здесь лучше видно. если вы видели проигрыватели с пластинками, то там игла с определенного места срывалась и шла к центру пластинки - нечто подобное и я имею в виду, причем в обе стороны - как к центру, так и к окраине.
Право, не знаю. Вам решать. Только исправьте мой перегиб с супер-гипер, что-то я погорячился, как всегда. Уважаемая Надежда, прошу прощения, за несдержанность. Просто хам и грубиян, это точно. Меня так иногда заносит, что теряю полный контроль над ситуацией и забываю кто я есть и где я был. Видит Бог, только хотел удалить, но уже поздно. В любом случае, уважаемая Полина, подправьте, самому стало стыдно за себя.
Пусть уважаемая Надежда, опубликует все свои мысли как считает нужным. У нас свобода слова. Меня же Вы терпите. А уж потом, Вам решать, когда обновить Доску обмена мнениями.
Георгий. 19.03.2020. 14час 00мин Время моск.
Уважаемый Георгий!
Только намеревалась снять с публикации все сообщения автора в личном блоге, но после Ваших остроумных комментарий предлагаю оставить для будущего поколения.
Какое Ваше мнение: все-таки удалить или оставить?
Уважаемая Надежда!
Выйти из себя у ещё могу, но из гравитационного поля Земли как-то ещё не получалось. Гравитация Солнца, пока что транспорт в одну сторону, к Солнцу, или у нас уже и гравитация со знаком минус? Да и оседлать гравитацию как-то непривычно, невидимая и брыкается, нет у меня соответствующего космичекого седла. Да, к тому же, судя по рисунку, прибываем мы всегда в одну точку и ту же точку - в центр круга, а там, как я понимаю, видимо, Солнце как самый главный гравитатор нашей системы. Поскольку все круги межпланетных траекторий и орбит, обычно вокруг него, или я чего-то не понимаю. Или кто-то по нашей просьбе создаст нам зелёныё и красные трассы спецдоставки вокруг требуемой нам планеты?
В 1-3 четвертях возможно открываются "червоточины" между траекториями, и чтобы перейти их надо вовремя найти, а вот как,непонятно, по цвету линий, что ли, или по светофору: на зелёный - туда, а на красный - обратно. Правильно ? А может теория позволит сразу проложить путь напрямую к требуемой планете, ну как в фильме "Звёздные врата", например, без всяких там перескоков и указателей, а то как бы чего-нибудь не потерять в дороге.
Так что объясните, пожалуйста, поподробнее, как ориентироваться и сигать в секторах. И есть ли указатели на поворотах? И не отнимут эти перескоки все наши скудные резервы топлива? Ведь ничего даром не бывает, кроме мышеловки. Уж очень хочется съэкономить на проезде. А так неплохо было бы слетать на Марс по этому скоростному маршруту с солнечным ветерком на пару туда и, конечно же, обратно. Кстати, поможет ли в путешествии метла от Гарри Потера или, на худой конец, метла "Дворника Степанова"(послушайте, на досуге, песню с этим названием от дуэта ИВАСИ). Эх, пролетим на метле по космическим ухабам с эзотерическим свистом! Поехали...
Георгий. 19.03.2020. 21ч15м. Время моск.
Должен признаться, я потрясён: как это Вы так лихо из одной всем известной, даже в детском саду, роковой цифири в 26000 лет, открыли сразу целую бездну законов и скоростей в движении нашей «Солнечной Галактики». Преклоняюсь. Кстати, спасибо за комплимент от имени Солнечной (пока ещё) системы, состоящей из какого-то жалкого десятка планет, за повышение в ранге до звания Галактики это, знате ли, даже системе приятно. Особенно впечатлило определение скорости Солнца по его орбите в длинах орбиты Земли с её орбитальной скоростью 30 км/сек, и естественно, ну совершенно неожиданным и потрясающим совпадением, с орбитальной скоростью Солнца.
А Ваша Кграв. = RV2 «по правде говоря, настоящая Гравитационная постоянная», которая стабильна для данного тела (Закон Стабильности Вращающейся Системы), на мой взгляд, увы, тень действующего момента инерции тела (J= Σ (mi · r2i) , поддерживающего стабильность вращения тела, так же, как и та же масса поддерживает стабильность тела в его прямолинейном движении. Как можно рассуждать о стабильности вращения тела без рассмотрения массы тела с её истинной стабильностью в виде свойства инерции массы.. Нет массы - нет и инерции, и нет никакой стабильности.
А вообще Ваша фраза:
Именно для данного сайта космических исследований весьма актуальна, только не надо путать Системы, Галактики, Метагалактики в одну кучу космических "баранов", вытасивая их как очередных фокусных зайцев, как бы тут не побили виртуальными «каменьями».
P.S. А название Вашей теории мне понравилось ("Универсальный Единый закон Гравитации/Полей, УЕЗГ/П", скромно так и в то же время во вкусом. На мой скромный взгдяд, гораздо проще для произношения аббревиатура ЕЗ/ГПУ. С нетепением ждём продолжения.
Некогда больше отвлекаться, сам вот на досуге сварганил очередной Всемирный то ли закон, то ли теорию, то ли очередную чушь... Пока ещё не определился в статусе опуса. Так, что извините, переписки больше не будет. Некогда отвлекаться на чужие потусторонние Всемирные законы и постоянные, сам сочиняю такие же ...
С эзотерическим приветом. Недостреляный воробей.
Георгий. 19.03.2020г. 09ч.15мин.
Заинтересовавшись после комментария Георгия, какие материалы сайта набрали большое число просмотров, стала просматривать архив.
Опубликованные ВИ0540 наблюдения погоды марта за 10 лет (2004-2013гг) не набрали рекордного числа просмотров, но оказались очень интересными для сравнения с погодой нынешнего марта 2020 года.
Именно по этой причине эта статья ВИ0540 выставлена из архива на главную страницу сайта.
К вопросу о переносном и кориолисовом ускорениях в неинерциальных системах отсчёта.
Предыдущий комментарий был посвящён выводу выражений для переносной скорости и всех видов ускорений, присущих неинерциальным системам отсчёта. В данном комментарии проанализируем все виды возможных ускорений в неинерциальных системах.
Но для начала проведём анализ окончательных выражения для всех возможных видов ускорений, которые возникают при расчёте движения материальной точки относительно подвижной неинерциальной системы отсчёта и которую для простоты понятия, назовём подвижной, в отличие от инерциальной неподвижной системы, которую так и назовём: неподвижной.
Вот они все выражения для всех возможных ускорений в подвижной системе перед нами:
W=We + Wr + Wc. - Абсолютное ускорение свободного тела в инерциальной системе отсчёта... (1)
где:
Wr =(dVr/dt)отн.=(d2rx/dt2) i + (d2ry/dt2) j + (d2rz/dt2) k. – Относительное ускорение свободного тела относительно неинерциальной вращающейся системы ………... (2)
We = WA + ((dω/dt) × r) + (ω × (ω × r)). – Переносное ускорение (реальное ускорение точек условного твёрдого вращающегося тела вместе с осями подвижной системы)….... (3)
Wс = (2ω × Vr). - Кориолисово ускорение (реальное ускорение подвижного тела, передвигающегося относительно вращающегося тела и имеющего с ним физическую связь)…. (4)
Выр.(1) - это и есть содержание теоремы Кориолиса: Абсолютное ускорение точки можно рассматривать в сложном движении как геометрическую сумму относительного, переносного и кориолисова ускорений за счёт введения в рассмотрение подвижной СК, начало которой может обладать в общем случае линейной переносной скоростью ( VA ) и ускорением ( WA ), а также может и вращаться с угловой скоростью (ω), обладающей в общем виде и угловым ускорением ( dω/dt ), возможно и наличие скорости относительного перемещения рассматриваемой нами точки относительно подвижной системы с линейной скоростью (Vr).
Для того, чтобы подвижная система отсчёта превратилась в НЕИНЕРЦИАЛЬНУЮ систему вполне достаточно либо наличия линейного ускорения у начала системы (WA), либо наличия у подвижной системы вращения угловой скорости вращения ω относительно инерциальной системы.
Важное замечание: Все выражения для ускорений(1-4), да и скоростей, были получены при условии, что рассматривалось движение АБСОЛЮТНО твёрдого подвижного тела с «закреплёнными» на нём, связанными осями подвижной системы. В учебниках по теоретической механике в начале подробно рассматривается вращение твёрдого тела с неподвижной точкой вращения, а затем и с подвижной, т.е. в общем виде движения вращающегося твёрдого тела. При этом уравнения для скоростей и ускорений точек тела получаются совершенно аналогичными вышеприведенным для подвижной системы отсчёта(1-3) с той лишь разницей, что при неподвижной точке вращения нет скорости и ускорения в этой точке, т.е. VA и WA, равны нулю, а вот при освобождении тела от неподвижной точки они появляются, да и ещё в этих уравнениях, естественно, так же нет кориолисова ускорения (Wс=0), поскольку тело жёсткое и нет никакого относительного перемещения (Vr=0) какого-либо материального тела относительно поверхности вращающегося условного твёрдого тела.
Так что, в итоге, все ускорения в выр.1-4 для подвижной неинерциальной системы отсчёта ВЫВЕДЕНЫ ТОЧНО ТАК ЖЕ, КАК И ДЛЯ ТОЧЕК ТВЁРДОГО ВРАЩАЮЩЕГОСЯ И ПЕРЕМЕЩАЮЩЕГОСЯ В ПРОСТРАНСТВЕ ЖЁСТКОГО ТЕЛА с учетом того факта, что относительная скорость (Vr) и ускорение (Wr) могут изменяться (в сравнении с уравнениями для твёрдого тела) за счёт, например, появления определённой физической связи, удерживающей некое подвижное тело в контакте с поверхностью вращающегося и в то же позволяющей ему свободу относительного перемещения со скоростью Vr по его поверхности, и поэтому все выр.1-4 являются действительными и реальными ускорениями как для любой точки твёрдого вращающегося тела, так и для некоего тела, перемещающегося со своей относительной скоростью Vr по его поверхности.
После подстановки выражения для ускорения движения тела из второго закона для тела, движущегося под воздействием равнодействующей всех сил в абсолютной системе ( W = F/m) в левую часть выр.1 и выделения в левую часть выражения, для искомого нами ускорения тела относительно подвижной системы (Wr) получим окончательное выражение
Wr = F/m –We –Wc = F/m + Wантипер. + Wантикор.; - Ускорение (относительное) свободного тела в неинерциальной системе.……. (5)
где:
Wr = (dVr/dt)отн. = (d2rx/dt2) i + (d2ry/dt2) j + (d2rz/dt2) k. - Относительное ускорение свободного тела в неинерциальной системе
We =WA + ((dω/dt) × r) + (ω × (ω × r)). - Переносное ускорение точек условного твёрдого вращающегося тела..(3)
Wантипер. = –We. - фиктивное (мнимое) «антипереносное» ускорение, приписываемое свободному телу...... (6)
Wс = (2ω × Vr). - Реальное кориолисово ускорение перемещающегося подвижного тела по поверхности вращающегося твёрдого тела и имеющему физическую связь с поверхнотью... (4)
Wантикор. = –Wc. - фиктивное (мнимое) «антикориолисово» ускорение, приписываемое свободному телу..... (7)
И где фиктивные (мнимые) ускорения (Wантипер. = –We) и (Wантикор. = -Wc) , стоящие в правой части выр.(5) можно назвать «антипереносным» и «антикориолисовым» ускорениями с учётом их фиктивности и противоположной направленности фактическим ускорениям точек условного твёрдого тела, вращающегося вместе с осями подвижной неинерциальной системы.
Ниже, для сравнения, приведены похожие выражения из учебника (М.А. Айзерман «Классическая механика» с стр.107 (см.выр.(8)и (9)):
mi Wr (отн.) = Fi + Ji пер. + Ji кор. ……………….……………………………….………..…... (8)
где: Ji пер. = – mi We (пер.), Ji кор. = – mi Wc (кор.) ……......………………. (9)
Обратите, пожалуйста, внимание на ВАЖНОЕ ОТЛИЧИЕ выражений (5-7) от выр. (8-9).
Моя ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ПОЗИЦИЯ ЗАКЛЮЧАЕТСЯ В ТОМ, ЧТО НЕ СТОИТ ВВОДИТЬ ПОНЯТИЙ ДЛЯ ФИКТИВНЫХ (МНИМЫХ и НЕСУЩЕСТВУЮЩИХ) «СИЛ ИНЕРЦИИ» и «СИЛЫ КОРИОЛИСА ИНЕРЦИИ» (в виде выражения (9)), А ВПОЛНЕ ДОСТАТОЧНО ОГРАНИЧИТЬСЯ ФИКТИВНЫМИ УСКОРЕНИЯМИ ВМЕСТО НИХ (–We) и (-Wc) (выр. (5-7), придав им единообразные названия с приставкой «АНТИ», т.е. противоположно направленные с предлагаемыми для них следующими названиями: «антипереносное» и «антикориолисово» ускорения.
*) Примечание: АНТИ (греч. Anti) - против, направленности против кого или чего-нибудь, приставка, употребляемая с другими словами для обозначения противоположности или противодействия.
При этом, получается, что приставка «АНТИ» носит УСИЛЕННЫЙ ДВОЙНОЙ смысл:
во-первых как противоположно направленное ускорение, о чём говорит знак МИНУС перед ускорением, а во-вторых, что ещё важнее, - приставка "анти" подчёркивает ФИКТИВНОСТЬ этих ускорений для нашего мира, как, например, понятие из потустороннего для нас несуществующего мира, т.е. антимира, состоящего из антивещества, где всё наоборот и в котором сила вызывает ускорение не в направлении действия этой силы (a =F/m) как это д.б. по первому закону Ньютона, а в противоположном направлении, т.е. (a = - F/m).
В итоге реальным переносному и кориолисову ускорениям точек вращающегося жёсткого тела и подвижного перемещающегося по поверхности твёрдого тела, движущегося по нему (см.выр. 3 и 4) противопоставляются их отрицательные по знаку «антипереносное» и «антикориолисово» ускорения (выр.3-7) – ФИКТИВНЫЕ, МНИМЫЕ И НЕСУЩЕСТВУЮЩИЕ РЕАЛЬНО, но приписываемые визуально при совмещении точек вращающегося (условного) твёрдого тела при их совпадении в пространстве с рассматриваемой нами свободной точкой только за счёт собственных эволюций, т.е. перемещения и вращения, условного твёрдого тела и при этом никоим образом физически не связанных с движением свободного тела в пространстве.
Как известно, понятие этих ФИКТИВНЫХ СИЛ ИНЕРЦИИ было введено Д’Аламбером и Эйлером для удобства расчёта в статике вместо динамики движения тела, когда к телу приложена взаимно уравновешенная система сил из реальных и мнимых, полученных чисто формальным путём за счёт умножения массы тела на вышерассмотренные фиктивные «антипереносное» и «антикориолисово» ускорения (см. выр.8-9), в т.ч. и ЗАМЕНЕ РЕАЛЬНОГО УСКОРЕНИЯ ТЕЛА (см. (F/m) в выр.(5) ), получаемого по второму закону в инерциальной системе, в ЕЩЁ одну фикцию в виде разновидности «МНИМОЙ СИЛЫ ИНЕРЦИИ», разменивающей ускоренное движение тела на эту самую «НЕЧИСТУЮ» СИЛУ, останавливающую его ускоренное движение и «замораживающее» тело в положение статичного равновесия под воздействием всего этого полностью уравновешенного букета разношёрстных сил.
Это всё и привело, в итоге, к этакому симбиозу в основном из МНИМЫХ И ФИКТИВНЫХ СИЛ СО ЗНАКАМИ МИНУС, в котором немудрено было многим заблудиться и принять их ЗА ВПОЛНЕ ОБЫЧНЫЕ реальные силы, под действием которых, можно якобы осуществлять перемещения тел, как например, это часто ошибочно думают о центробежной силе, считая её активной и самостоятельной.
Но ЦЕНТРОБЕЖНАЯ СИЛА эта ПО СУТИ ФИКТИВНАЯ, ВТОРИЧНАЯ, ОТВЕТНАЯ СИЛА РЕАКЦИИ, т.е. несуществующая и несамостоятельная по происхождению (в отличие от реальной активной центростремительной силы. За фальшивым фасадом центробежной силы и её ускорения стоит реальное проявление ИНЕРЦИОННОГО СВОЙСТВА ТЕЛА К СОХРАНЕНИЮ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ДВИЖЕНИЯ, от которого это тело УВОДЯТ В СТОРОНУ ЦЕНТРОСТРЕМИТЕЛЬНЫМ УСКОРЕНИЕМ, преодолевающим это ИНЕРЦИОННОЕ СВОЙСТВО МАССЫ ТЕЛА СОПРОТИВЛЯТЬСЯ ЭТОМУ ОТКЛОНЕНИЮ ОТ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ДВИЖЕНИЯ и реально сообщающему телу эллиптическую траекторию движения (по отношению к инерциальной системе), а по отношению к неинерциальной вращающейся системе сводящейся к взаимно уравновешенным векторам реального центростремительного ускорения и фиктивного «антиценростремительного» (т.е. центробежного) или тот же баланс в виде сил: центростремительной и «антицентростремительной» (т.е. центробежной) как сейчас повсеместно принято это преподносить.
Если реализовать предложенную выше СИСТЕМУ ТОЛЬКО ИЗ ФИКТИВНЫХ МНИМЫХ УСКОРЕНИЙ С ОБЯЗАТЕЛЬНОЙ ПРИСТАВКОЙ К НИМ «АНТИ», т.е. УСКОРЕНИЙ СО ЗНАКОМ МИНУС, И ОДНОВРЕМЕННО ОТКАЗАТЬСЯ ОТ РАССМОТРЕНИЯ СООТВЕТСТВУЮЩИХ ИМ ФИКТИВНЫХ СИЛ (СО ЗНАКОМ МИНУС ПЕРЕД ИХ ЖЕ «РОДНЫМ» УСКОРЕНИЕМ), то и не было бы никогда проблем с этой приснопамятной ФИКТИВНОЙ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ СИЛОЙ, КОТОРОЙ БЫ ПРОСТО НЕ СУЩЕСТВОВАЛО ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ, а вместо неё фигурировало бы в уравнении второго закона движения только фиктивное «антицентростремительное» (ныне центробежное) ускорение. Также пропали бы из выражений динамики движения тела ВСЕ НЕСУЩЕСТВУЮЩИЕ МНИМЫЕ "СИЛЫ ИНЕРЦИИ", место которых в уравнениях движения заняли бы соответствующие им фиктивные ускорения со знаком минус. А главное, пропал бы и сам предмет спора о реальности "СИЛ ИНЕРЦИИ" по причине их ПОЛНОГО ОТСУТСТВИЯ в предлагаемой автором системе ускорений и сил.
Действительно, Д’Аламбер и Лагранж вполне могли бы обойтись применением СТАТИКИ ДЛЯ ВЕКТОРОВ УСКОРЕНИЙ ВМЕСТО СТАТИКИ СИЛ, никакой, в принципе, разницы, те же самые вектора, но промасштабированные по модулю (свое длине) умножением на обратную величину массы тела. Однако всех, видимо, попутала «нечистая сила», иначе говоря, так увлекла своим обаянием «СИЛА» (пускай и фиктивная, мнимая и несуществующая, но СИЛА). Как, например, и в современной рекламе на ТВ про Силу Сибири, Силу Красоты и т.п. букет Сил. И даже Ньютон не устоял, применив термин сила инерции, вместо свойства инерции массы, хотя в его законах и определениях нет никакого места фиктивным силам инерции, кроме как реальной «врождённой силы материи» в Определении III, которое не лишне будет повторить в данном месте:
« 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.»
*) Хотя из самого текста Определения чётко видно, что Ньютон понимает под термином"врождённая сила материи" только "присущую ей СПОСОБНОСТЬ сопротивления", а это и есть скалярная селичина, а не векторная.
В итоге, давно пора навести порядок в терминологии теоретическтой механики в части наименований сил и ускорений, закрепить статус РЕАЛЬНЫХ НЬЮТНОВЫХ СИЛ за всеми реальными силами в механике, исключив все фиктивные "силы инерции" и оставив мнимый мир только ФИКТИВНЫМ УСКОРЕНИЯМ с приставкой «АНТИ» (и с присущим им знаком минус) для очищения и оздоровления физической реальности нашего мира. Да сгинут все мнимые «СИЛЫ ИНЕРЦИИ», оставив взамен себя лишь фиктивные мнимые отрицательные ускорения в уравнениях Ньютона для неинерциальных систем отсчёта.
Однако, после этой небольшой разборки с фиктивными "силами инерции", обратимся к подробному рассмотрению всех ускорений, возникающих в неинерциальных вращающихся системах.
1. Об относительном ускорении.
Относительное ускорение Wr (см.выр.(3)) рассматриваемой нами точки, как и её относительная скороcть Vr по своей сути является такими же параметрами относительного движения по отношению к своей подвижной (неинерциальной) СК, как и абсолютное ускорение (и абсолютная скорость) являются относительным движением по отношению к своей инерциальной СК и представляют собой простые вторые и первые производные по времени от радиусов-векторов расстояний точки до начала в двух систем отсчёта, включающие в себя только по три векторных составляющих, спроектированных на единичные орты в своих соответствующих системах отсчёта. Именно это относительное ускорение (и относительную скорость) для рассматриваемой нами точки, свободной от физических связей с подвижной системой отсчёта, мы и реально освободим от соседства с остальными ускорениями (переносным и кориолисовым) для того, чтобы получить «освобождённые» относительные ускорения для нашей свободной точки от, теперь уже ставших для её относительного движения «фиктивными» ускорениями, незаслуженно приписываемыми свободному телу от реальных ускорений точек условного жёсткого подвижного тела, которые совпадают по очереди в пространстве в каждый из моментов времени с нашей свободной точкой, но которые это свободное тело НЕ СОВЕРШАЕТ по причине своей свободы от связей с подвижной системой, что в итоге и обеспечит нам получение правильного результата расчёта движения точки при применении всех законов движения, справедливых и в инерциальных системах отсчёта!
2. О переносном ускорении.
Переходим к рассмотрению переносного ускорения We (выр.(3)), которое развивается любой условной точкой жёстко связанной с подвижной системой и совершающей движение вместе с ней как единое жёсткое тело с переносным ускорением We. При этом весь этот набор из трёх членов переносного ускорения (выр.3) реально воздействует на все точки твёрдого тела с его связанными осями в подвижной системе отсчёта и поэтому автоматически просто визуально-формально приписывается и нашей рассматриваемой свободной точке от одной из тех жёстко-связанных с подвижной системой точек, которая в каждый из моментов времени визуально СОВПАДАЕТ по положению с РАССМАТРИВАЕМОЙ НАМИ СВОБОДНОЙ ТОЧКОЙ. Но если переносные ускорения у «жёстко-связанных» точек реальны и объяснимы наличием жёсткой связи как единого материального вращающегося тела, то приписывание этих же самых ускорений нашей свободной точке, никак не связанной с подвижной системой и движущейся самостоятельно в пространстве под воздействием реальных сил, действующих в обеих системах (например, силы гравитации), является полнейшей фикцией (оптической иллюзией), от которой абсолютные уравнения рассматриваемоё точки в сложном движении и надо ОСВОБОДИТЬ, иначе говоря, вычесть это переносное ускорение We из абсолютного реального ускорения точки W, стоящего слева в выр.(1). По той же самой причине необходимо вычесть и кориолисово ускорение Wс.
Посмотрим, что представляют из себя три члена переносного ускорения в выр.(3).
Первый член – это линейное ускорение начала подвижной системы WA, кстати, в общем случае начало подвижной системы может обладать и вектором линейной скорости VA, который также должен быть учтён, но уже в качестве начального значения скорости в дифференциальных уравнениях движения для скорости рассматриваемой точки.
ПЕРЕНОСНОЕ ускорение начала подвижной системы WA (как и вектор скорости начала системы VA ) целиком и полностью приписываются собственному движению рассматриваемой точки (как впрочем и всем точкам условного твёрдого подвижного тела), поскольку само начало подвижной СК считает себя всегда неподвижным и не вращающимся центром (угловую скорость подвижной системе мы назначаем сами с позиций другой, внешней для подвижной системы - инерциальной системы, что справедливо и для любых систем отсчёта, например, также приписывается скорость и ускорение поступательного движения для начала подвижной системы со стороны внешней системы. По правилу механики о допустимости параллельного переноса линейные вектора ускорений и скорости начала системы отсчёта ВПОЛНЕ СПРАВЕДЛИВО приписываются всем точкам условного жёсткого подвижного тела и тут же, заодно, и нашей свободной точке в сложном движении, но уже АБСОЛЮТНО НЕОПРАВДАННО (просто чисто визуальным наложением ускорения точки жёсткого подвижного тела, совпавшей в данным момент с нашей свободной точкой), поскольку реально нет никакой наложенной физической связи между рассматриваемой нами свободной точкой и совпавшей с ней в данный момент «жёсткой» точкой тела подвижной системы. По этой причине простого визуально-формального приписывания нашей рассматриваемой точке линейного ускорения и скорости начала подвижной системы их также надо вычесть в сложном движении из абсолютного ускорения и скорости неподвижной системы.
Второй член переносного ускорения в виде ((dω/dt) ×r) называется в механике вращательным ускорением и есть ни что иное, как вектор дополнительной линейной скорости, возникающий за счёт углового ускорения вращения начала подвижной системы (dω/dt) на дальности r и суммирующийся с вектором круговой скорости (V = (ω × r)) (см. о нём чуть ниже по тексту), правда, только при условии совпадении по направлению векторов углового ускорения и угловой скорости, что, конечно, не всегда выполняется.
Перед началом рассмотрения третьего члена переносного ускорения вспомним правила определения векторного произведения двух векторов и заодно определим, как расположен в пространстве третий член переносного ускорения из выр.(3), равный двойному векторному произведению: (ω × (ω × r)) и своим видом напоминающий выражение для центростремительного ускорения при вращении тела по кругу. Проверим, не оно ли это?
Нелишним будет напомнить о том, что все векторные произведения пар векторов взяты в круглые скобки, вектора в них отмечены жирным шрифтом, и добавлен символ векторного умножения «×», а результатом этого произведения является также вектор, направление которого определяется с помощью правила правой руки (см. это «правило правой руки» в виде справки под выр.(8) в начале предыдущего комментария), а величина (длина) итогового вектора произведения двух векторов может быть определена по правилу раскрытия векторного произведения, описанному ниже.
Например, для выражения, определяющего вектор скорости любой системы точки (V) при её вращении с угловой скоростью (вектор ω) относительно начала системы отсчёта с радиуcом-вектором вращения r определяется векторным произведением: V = (ω × r), в котором длина вектора скорости рассчитывается по выражению для его модуля (операция взятия модуля от вектора в виде вертикальных скобок | V |) векторного произведения в виде:
| V | = | ω | | r | sin(φ),
где угол φ есть угол между вектором угловой скорости (ω) и радиусом-вектором расстояния до рассматриваемо рассматриваемой точки (r) из начала системы отсчёта и, как правило, этот угол равен 90 градусам для чаще всего встречающихся случаев рассмотрения движения в одной плоскости рисунка, когда вектор угловой скорости вращения неинерциальной системы перпендикулярен плоскости рисунка с плоскими траекториями движения точек, например, вращения точки по кругу и направлен вертикально вверх своей стрелкой от плоскости рисунка из начала системы координат на наблюдателя (при этом ЗА ПОЛОЖИТЕЛЬНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ ВРАЩЕНИЯ (ω), принято принимать вращение вокруг этого вектора в плоскости рисунка ПРОТИВ ЧАСОВОЙ СТРЕЛКИ). В результате на таком рисунке вектор скорости вращения для точки лежит в плоскости рисунка, является перпендикулярным радиус-вектору расстояния точки от начала координат и направлен при такой положительной скорости вращения влево от радиуса-вектора дальности. В итоге, векторного произведения V = (ω × r) получили вектор скорости вращения скорость вращения (V) точки по окружности, направленный влево по касательной к ней.
Далее раскроем последний член для переносного ускорения из выр.(3), записанного в виде двойного векторного произведения, подставив только что рассмотренный нами вектор скорости для вращающейся по кругу точки (V=(ω × r)): (ω × (ω × r)) = (ω ×V). Раскрывая так же по правилу правой руки векторное произведение (ω ×V) выясняем, что итоговый вектор Wосестремит. = (ω ×V) действительно лежит в плоскости рисунка кругового вращения точки и направлен на начало системы отсчёта и является ничем иным как ОСЕСТРЕМИТЕЛЬНЫМ УСКОРЕНИЕМ при вращении точки с вектором угловой скорости (ω), которое в частном случае чисто плоского движения совпадает с вектором ЦЕНТРОСТРЕМИТЕЛЬНОГО ускорения вращения по кругу:
Wцентростр. = (ω × (ω × r)) = (ω ×V). -это вектор центростремительного ускорения точки …(10)
его величина может быть представлена в плоском круговом вращении разными выражениями:
|W центростр.| = | ω | | ω | | r | = | ω | | V | = | ω |2 | r | = | V |2 / | r | …………...................…(11)
Как говорится, выбирайте любое, подходящее Вам, выражение для центростремительного ускорения в плоском вращательном движении точки.
3. О кориолисовом ускорении.
Выражение для определения кориолисова ускорение (выр.4) выглядит в векторном виде так:
Wс = (2ω × Vr).
Модуль этого векторного ускорения равен: | Wс | = 2|ω| |Vr| sin(ω,Vr). Для него можно применить правило правой руки, но есть ещё более удобное правило Н.Е. Жуковского в следующем виде:
« Проекцию вектора относительной скорости Vr на плоскость, перпендикулярную вектору угловой скорости ω подвижной системы координат, равную |Vr| sin(ω,Vr) следует умножить на 2|ω| и повернуть на угол 90 градусов вокруг вектора ω в направлении вращения, и по этому направлению направить вектор кориолисова ускорения».
Вполне очевидно, что кориолисова ускорения не будет, когда один из векторов нулевой, или же вектор относительной скорости параллелен вектору угловой скорости, т.к. при этом sin(ω,Vr)=0.
Это можно продемонстрировать на примере жителей экватора Земли, где перемещения с линейной скоростью строго в сторону полюсов Земли (поперёк экватора) параллельны вектору угловой скорости вращения Земли и НЕ порождают появления кориолисова ускорения, а вот движение вдоль экватора на восток с относительной Vr приведёт к появлению кориолисова ускорения, направленного к центру Земли точно так же, как и направлена другая составляющая от осестремительного (центростремительного) ускорения (см. выше чуть выше окончание предыдущего 2.раздела) и их совместное «фиктивно" приписываемое свободным телам на Земле, мы вынуждены компенсировать в НЕинерциальных системах (см. выр.5), беря их с обратным знаком и, в итоге, появляется ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ СНИЖЕНИЕ ускорения притяжения тела на экваторе за счёт воздействия «центробежного» и дополнительного «антикориолисова (т.е. направленного в обратную сторону относительно кориолисова ускорения) ускорений. А вот при движении в обратную сторону относительно вектора линейной скорости вращения Земли, т.е. на запад, знак кориолисова ускорения изменится и вектор ускорения будет направлено вертикально вверх, т.е. противоположно гравитационному ускорению, а «антикориолисово» ускорение, будет направлено в обратную сторону - к центру Земли, дополнительно прижимая тело к Земле частично компенсируя центробежное ускорения благодаря эффекту снижения реальной угловой скорости вращения тела относительно Земли из-за наложения дополнительной скорости перемещения против обычной линейной скорости вращения Земли на экваторе. Не забудем о том, что кориолисово ускорение МОЖЕТ ПРОЯВЛЯТЬСЯ ТОЛЬКО ПРИ НАЛИЧИИ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ системы, внося своё дополнительное ускорение пропорциональное величине скорости относительного перемещения.
Если двигаться в северном полушарии Земли, то такое относительное перемещение сопровождается появлением реального кориолисового ускорения, направленного горизонтально в левую сторону относительно вектора линейной скорости, а на южном - в правую сторону, то только из-за того, что люди там ходят вниз головой относительно северян. Это хорошо видно наблюдателя из космоса, например, находящегося над северным полюсом Земли.
А теперь немного о форме этой траектории, вызываемой действием кориолисового ускорения. Влияние ускорения Кориолиса (как и всех видов переносных ускорений, ставших «фиктивными» ускорениями по отношению к свободной точке), имеют знак минус (см. выр.(5)), что и приводит к появлению изогнутой траектории на поверхности Земли, появление которой объясняется не воздействием реального ускорения на свободную точку, а результатом оптическим наложения двух движений - прямолинейного полёта (относительно звёзд) над Землёй и вращательного перемещения под телом подстилающей поверхности Земли, иначе говоря в виде траектории, создаваемой перемещением тени от горизонтально пролетающего с постоянной высотой свободного тела на подстилающую поверхность Земли. При этом, если вектор угловой скорости вращения поверхности положительный, т.е. направлен вертикально вверх, то поверхность вращается справа налево и вектор реального кориолисова ускорения для точек условного твёрдого вращающегося вместе со своими осями тела лежит в горизонтальной плоскости и направлен всё время ВЛЕВО И ПЕРПЕНДИКУЛЯРНО вектору относительной скорости точки, т.е. с поворотом на 90 градусов против часовой вектора скорости тела. Кстати, отсюда и второе название этого кориолисова ускорения – ПОВОРОТНОЕ, поскольку оно всё время стремится повернуть вектор относительной скорости движущегося тела. Но поскольку мы вынуждены применить в уравнении движения во вращающейся системе компенсирующий ОБРАТНО-НАПРАВЛЕННЫЙ вектор «антикориолисова» ускорения, то, в итоге, криволинейная проекция траектории тела на поверхность всё время ФАКТИЧЕСКИ ПОВОРАЧИВАЕТСЯ ВПРАВО от направления движения тела (что неплохо показано в мультиролике в Википедии по теме: Королисово ускорение).
Для подтверждения правильности предлагаемой системы ОТКАЗА от фиктивных СИЛ сравним, обычно вводимую в некоторых учебниках Кориолисову силу инерции, равную Ji кор. = – mi Wc (кор.) (см. выр. 8 и 9) с другой вполне РЕАЛЬНОЙ Силой Кориолиса, равной Fс = (2ω × Vr) m , с которой будет давить (без сил трения) на свободное тело с массой m, например, условная гладкая вертикальная стенка, находящаяся от него с правой стороны с момента начала движения и проходящая, например, по меридиану Земли с севера на юг к экватору и набегающая всё время с правой стороны на это свободное тело, летящее с севера на юг к экватору Земли на высоте не превышающей высоты этой стенки и стремящимся сохранить неизменным положение вектора своей скорости относительно неподвижных звёзд. Этим и объясняется появление реальной правосторонней боковой силы Кориолиса со стороны набегающей стенки на свободное тело, вследствие вращения Земли справа налево (против часовой стрелки) в северном полушарии. И если давжды проинтегрировать только одну эту величину кориолисова ускорения реальной боковой Кориолисовой силы, то получим загибающуюся влево криволинейную траекторию, которая полностью будет скомпенсирована воздействием «фиктивного» «атникориолисова» ускорения, равного кориолисову ускорению, но направленного в обратную сторону со знаком минус и в итоге их взаимной компенсации и будет получена прямолинейная относительно поверхности Земли траектория вдоль меридиана с севера на юг с попаданием в точку прицеливания на экваторе, а не криволинейную, как у свободного тела, не контактирующего с вышеописанной условной стенкой, и реально промахивающегося относительно первоначальной точки прицеливания, расположенной на экваторе до начала движения свободной точки, вследствие убегания этой самой точки за время полёта свободного тела из-за вращения Земли.
Но в современных учебниках по механике перед читателем часто появляются сразу ДВЕ корилисовых силы: фиктивная, несуществующая реально, Сила Кориолиса инерции (Ji кор. = – mi Wc (кор.)), предназначенная ТОЛЬКО для получения правильного результата во вращающейся системе и реальная Сила Кориолиса (Fс = (2ω × Vr) m), которая может возникнуть только при наличии физической связи рассматриваемого передвигающегося тела с поверхностью Земли, как например, у рек с правой стороны в северном полушарии Земли, так и в вышерассмотренном полете свободного тела с наложенной на него физической связью в виде условной гладкой стенки. И вот надо всё это объяснить и растолковать, что одна из них фиктивная, а другая – реальная, хотя и отличаются друг от друга добавлением в названии первой фиктивной силы слова «сила инерции». Ну не сложновата ли эта головоломка для учащихся?
А ведь, если убрать все эти фиктивные «Силы инерции» (переносную и кориолисову), заменив их фиктивными орицательными "антиускорениями", то всё станет гораздо понятнее и проще, а в уравнениях движения реальная сила кориолиса (Fс = (2ω × Vr) m) сможет появиться только при условии наложении физической связи на рассматриваемое относительное движение тела, зато фиктивное кориолисово ускорение (с предлагаемым названием "антикориолисово" ускорение) пропишется навсегда (как и "антипереносное" ускорение) во втором законе Ньютона для движения тел в неинерциальных системах (см выр.(5)).
P.S. Более подробное обсуждение кориолисова ускорения, вызывающее повышенный интерес у некоторых знатоков механики, в связи c множителем 2 в кориолисовом ускорении, рассмотрим позже.
Георгий 16.03.2020 12 час.05мин. Времы моск.
Рахиль Менашевна!
Большое спасибо за поздравления и за очень приятную оценку моих расуждений!
Уважаемый Виктор Михайлович!
Конечно, очень многозначительно и приятно, что Ваши дни рождения, физиков-теоретиков, совпадают. От души желаю Вам новых успехов и достижений, во всех направлениях! Особая благодарность Вам и Александре Ивановне за поддержку и популяризацию астрономии, которая в этом очень нуждается!
По поводу сложностей в науке у меня такое мнение. «Единую теорию всего» создать невозможно, и всерьез к этому никто не стремится. Что-то из законов, открытий, наблюдений остается в прошлом, а что-то служит основой для будущей науки. Таков путь познания, и в этом прогресс и перспектива наук. Узнать еще предстоит бесконечно много, так как мир бесконечно сложен!
Спасибо за очень приятную статью об А. Эйнштейне и за содержательный разговор.
Илья, постараюсь ответить кратко на поставленный вопрос. Начнем с пространства и времени в классической механике.
У Ньютона вводилось понятие абсолютного пространства и времени как элементов общего описания расстояний до материальных объектов и временных интервалов между регистрируемыми событиями. В физическом эксперименте можно определить расстояние только между конкретными материальными телами независимо от конкретного способа измерения. Это касается и линейки, и радиолокационного дальномера. Нельзя измерить расстояние до пустой точки, где нет материальных тел. Это очевидно при использовании радара. Если же мы используем линейку, то она сама служит материальным объектом, концы которого указывают расстояние. Поэтому изначально не существует никакого пространства.
Объединяя множество измерений расстояний между объектами, мы приходим к выводу, что их можно собрать в одну математическую схему, которую называют трехмерным евклидовым пространством. В этом смысле абсолютное пространство классической мехники - это просто удобный математический способ собрать воедино все измерения расстояний. Данная математическая конструкция нематериальна по своему смыслу. Материальный объект имеет массу, энергию и т.д. Абсолютное пространство никаких физических свойств не имеет. Можно сказать, что первый закон Ньютона фиксирует этот факт. Пространство и время не влияют на физические процесссы.
Что же мы имеем в Специальной теории относительности (СТО)? Согласно закону инерции, и в СТО пространство-время никаким образом не должно влиять на физические процессы. Оно остается нематериальным. У него нет ни энергии, ни массы, ни других возможных атрибутов материи. Однако в следующих постулатах СТО в противоречие этому факту вводятся специфические свойства пространства и времени, связанные с преобразованиями Лоренца.
В классической механике преобразования Галилея оставляют все свойства материальных тел неизменными в силу нематериальности пространства и времени. Но в СТО преобразования Лоренца приводят к изменению длин материальных тел и длительностей интервалов времени в различных системах отсчета. Это измеримые эффекты, т.е. они являются свойствами материальных тел. Что является причиной изменения этих масштабов? Очевидно, что эти изменения не связаны с другими материальными телами. В преобразованиях Лоренца есть только относительная скорость движения систем отсчета. Поэтому приходится считать, что изменения масштабов при переходе от одной системы отсчета к другой являются свойствами только самого пространства-времени. Но оно у нас не материально! В результате мы приписали нематериальному пространству-времени свойства материальных тел, что и порождает всевозможные парадоксы.
Самый известный - это парадокс близнецов, предъявленный Ланжевеном в 1911 году. Один близнец остается на Земле, другой улетает на звездолете к другим мирам со скоростями, близкими к скорости света. По возвращении тот близнец, который оставался на Земле, должен был бы биологически состариться значительно больше, чем тот, который улетал. Это с точки зрения СТО, ведь длительность полета в разных системах отсчета разная. Но с другой стороны, согласно первому закону инерции (аналог первого закона Ньютона) все физические законы в инерциальных системах отсчета должны идти совершенно одинаково. Оба близнеца не ощущают никакого движения. И клетки в их организме должны стареть одинаково. Возникает парадокс. Его пытаются разрешить с помощью указания на неэквивалентность систем отсчета близнецов, связанную с теми обязательными ускорениями, которые необходимы, чтобы достичь субсветовых скоростей, и обратного торможения корабля при возвращении.
Действительно, звездолету сначала надо ускориться, затем затормозить, затем опять ускориться при возвращении и опять затормозить при подлете к Земле. Получается, что именно из-за того, что одна система отсчета является неинерциальной, возникает расхождение в показаниях часов. Однако парадокс остается. В чем, собственно, проявляется различие в ощущениях братьев? Единственным отличием является сила инерции, но сила инерции - это не какая-то реальная сила. Реальной силой является сила реакции опоры, которая приводит к тому, что один из братьев ускоряется вместе с кораблем. Получается, что если вы прижимаетесь к стенке, то ваши биологические часы начинают идти медленнее? Никаких других физических механизмов нет.
В Общей теории относительности (ОТО) дела обстоят еще хуже. Теперь для описания гравитационного поля, т.е. измеримого поля ускорений, которое возникает вблизи любого материального объекта, мы наделяем пространство-время (нематериальное!!!) свойствами кривизны. В чем проявляется нематериальность пространства-времени ОТО?
Во-первых, локально оно совпадает с пространством-временем СТО.
Во-вторых, в ОТО вообще нет инерциальных систем отсчета. Оказывается, в ОТО даже нет привычной основы для указания на независимость материи от пространства.
И в-третьих, оно не имеет опять никаких материальных атрибутов. Это проявляется в частности в том, что простраству-времени невозможно приписать определенную энергию и массу. Это основная проблема ОТО. В частности, поэтому не удается построить квантовую теорию гравитации.
Отсюда видно, как возникают все парадоксы этих теорий. Идея о том, что кривизна пространства очень просто и органично объясняет гравитационное поле, и по сути должна объяснять и электромагнитное, является очень привлекательной. Поэтому от нее отказываться нельзя. Тогда необходимо видоизменить теорию так, чтобы в ней появился материальный объект, играющий роль физического пространства. Такую идею высказывал до Эйнштейна Клиффорд. Однако он не предложил какой-либо физической конструкции для описания такого пространства. Как пишут, Эйнштейн хотел реализовать именно идею Клиффорда. Но в ОТО это не удалось сделать. В ОТО материя и простраство-времени - разные сущности, причем вторая - нематериальна.
Вот, собственно, основные соображения. Часть этих рассуждений можно найти у Бриллюэна в книжке "Новый взгляд на теорию относительности".
Илья! Большое спасибо за поздравление!
Сегодня - День рождения не только Альберта Эйнштейна, но и руководителя Лаборатории космических исследований Виктора нашего Михайловича Журавлёва!
Виктор Михайлович! Праздничный, но серьёзный вопрос: вот Вы пишете, что пространство-время - нематериально, и непонимание этого - проблема современной физики. Я считаю постранство-время особым способом отношений материальных объектов, то есть склонен к реляционной их концепции.
Однако, скажите - что Вы понимаете под "материей", "материальностью" и, если пространство-время - нематериально, то каково же оно?
В околофизической среде любят произносить названия, типа Теория Всего, как предел мечтаний физика. Для современных физиков - это не более, чем способ указать на то, что, возможно, удастся построить общую теорию для тех видов материи, которые мы называем элементарными частицами, атомами, молекулами и т.д.
Но для ее объяснения придется вводить и вводят в теорию новые формы материи, для которых теорий нет. Более того, нет и достоверных экспериментальных фактов. Те же кварки - это лишь способ объяснить некоторые закономерности в структуре элементарных частиц. Но их наблюдать в современном эксперименте нельзя. Получается что-то вроде средневековой схоластики. Скорее всего кварков и нет в реальности, но они дают удобный способ рассуждать и что-то рассчитать То же самое касается и бозона Хиггса.
Так что можно лишь говорить об успешности той или иной теории в объяснении определенного круга явлений. Следующие теории избавятся от достаточно одиозных элементов современных теорий, но будут вынуждены вводить новые, для которых не будет достоверных сведений. Идеальные математические объекты с симметриями служили всегда подпоркой наших знаний в условиях недостатка информации. Так ведется с первых физических теорий, начиная с Аристотеля и Архимеда.
Меня волнуют проблемы классической механики без попыток вторжения в смежные области новой физики, к коим я не имею никакого отношения и поэтому не собираюсь их обсуждать. Каждому своё поле для пахоты, по призванию и способностям.
Скажем честно, что ЛЮБЫЕ ЗАКОНЫ (не исключая и Ньютоновские), а уж тем более ещё не полностью доказанная опытами ТЕОРИЯ, не являются АБСОЛЮТНОЙ ИСТИНОЙ в последней инстанции, поскольку даже каждый закон и теория имеют весьма органиченные области своего применения, т.к. обеспечивают правильный результат только в ограниченном диапазоне внешних условий для их применения, либо оговоренных самим законом, а чаще и не оговоренных, но со времен наложенных другими физиками. Рано или поздно, но почти все они, по мере развития знаний, будут уточнены или даже отвергнуты в попытке создания ЕДИНОГО ЗАКОНА, объединяющегго все знания об окружающем нас мире, но только после точного подтверждения физическими опытами. Однако, смею Вам заметить, что все попытки создания универсальных и многофункциональных машин в технике, как показывает практика, ВСЕГДА ОКАЗЫВАЮТСЯ МЕНЕЕ ЭФФЕКТИВНЫМИ И ПРОВАЛЬНЫМИ, чем более простые, но УЗКО-СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ машины и устройства. Меня, как инженера-механика, интересующимися расчётом тректорий тел Солнечной системы на малых скоростях движения все поправки высшего порядка малости мало волнуют, так же, как и возмущающие воздействия от относительно далёких космических тел и планет с величиной их уровня, сравнимом с уровниями достижимой точности вычислений. Чисто инженерный прагматичный подход для получения синицы в руках, вместо журавля в небе, поскольку некогда тратить силы и время на обсчёт всего и вся на свете, если оно видно только под микроскопом при решении данного конкретного вопроса. А поскольку всё с мире относительно, то "и невозвожность возврата к классической механике", видимо надо рассматривать с Вашей научной позиции в области новой физики, вышедшей на новый уровень космических околосветовых скоростей со своими очень сложными проблемами. А с позиции иженеров-механиков, которым надо создавать работающие и неразваливающиеся от воздействия разного рода ускорений машины и механизмы ничего кроме законов классической механики пока ещё больше не требуется. Да, для Вас, первопроходцев новой физики больших скоростей, "возврат не возможен", а для инженеров "уход в область околосветовых скоростей пока и не нужен." Увы, диалектика жизни.
По моему скромному мнению, сближение позиций должно состояться только после окончательной проверки всех новых теорий на практике, и вот только тогда и возникнут основания для их симбиоза в виде ЕДИНОГО НОВОГО ЗАКОНА взамен ПРЕДЫДУЩЕГО ЗАКОНА на страницах учебников физики как истины в последней инстанции, по крайней мере для меня. А пока, на мой скромный взгляд, место им на страницах специализированных научных изданий и журналов для обсуждения и поисков путей их реального подтверждения на практике в физических опытах, а не в учебниках для начальной школы.
В общем, "ребята, давайте жить дружно" в нашей общей песочнице и не посягать на чужие куличики, а только любоваться ими издалека, не разрушая чужие, а создавая свои собственные, давая лишь доброжелательный замечания со стороны по внешнему виду куличиков соседа. И быть выдержанными и мудрыми, как премудрые пескари.
С уважением. Георгий 14.03.2020г. 09час.35мин. Время моск.
Существует такая околофизическая деятельность, которая старательно ищет ошибки в современных теориях физики, в особенности в Специальной теории относительности (СТО). Общую теорию относительности (ОТО) трогают гораздо меньше по той причине, что она гораздо сложней для понимания. По этой же причине еще меньше трогают квантовую теорию. На чем обычно строятся попытки опровергнуть эти теории? Как правило, они связаны с тем, что сами физики обнаруживают и обсуждают те или иные парадоксы этих теорий и трудности их интерпретации.
Например, уже больше ста лет обсуждается парадокс близнецов, сформулированный Полем Ланжевеном в 1911 году. С точки зрения некоторых физиков считается, что парадокс разрешен, а с точки зрения другой части - нет. Парадокс имеет форму легко воспринимаемой притчи и поэтому обсуждается всеми - и понимающими СТО, и не понимающими СТО. Такие парадоксы - очень благодатная почва для альтернативных суждений. Существует ли в реальности трудность СТО, связанная с этим парадоксом? На мой взгляд - существует. Проблема в том, что в СТО нематериальный объект пространство-время наделяется физическими свойствами, что и приводит к парадоксам.
В ОТО существует еще больше парадоксов и трудностей. Например, самая главная проблема ОТО - это невозможность приписать гравитационному полю в форме искривленного пространства-времеми какую-то определенную энергию. Это, в частности, не позволяет уже больше ста лет построить квантовую теорию гравитации. На мой взгляд, эта проблема возникает из того, что и в ОТО нематериальному пространству-времени приписываются физически измеримые свойства. О чем-то похожем говорили физики и раньше. Например, в книжке Бриллюэна "Новый взгляд на теорию отностельности" (ее легко найти в Интернете) высказывалось много разных идей о том, что нужно сделать, чтобы объяснить парадоксы.
Это я пишу к тому, что очень часто люди, поверхностно знающие суть проблемы, обвиняют современных физиков в тупом догматизме. На самом деле проблема не столько в том, чтобы найти парадокс, а в том, чтобы создать теорию, исправляющую парадоксы. Те, кто обвиняют современную физику в догматизме, как правило, предложить что-то полезное не в состоянии. Однако, как показывает опыт последних лет 200, для исправления парадоксов необходимо радикально менять суть теорий, но таким образом, что старые достижения остаются в силе. Последнее сейчас называется принципом соответствия. Поэтому, если уж браться за формулировку парадоксов, то надо это делать с целью найти путь к улучшению теории, а не просто взять ее и отвергнуть.
Возврат к классической механике не возможен, поскольку она не объясняет множество наблюдаемых явлений. К сожалению, есть мало книг, в которых описывают то, как менялись взгляды физиков. Современные учебники содержат описание уже построенного здания, когда все леса и подпорки, которые были необходимы для его построения, уже убраны. Поэтому в учебниках редко проглядывают те споры и дискуссии, которые в конце концов привели к современной физике. В ней сейчас много заблуждений, но многие из них станут ясны только после создания новой теории. Можно надеяться , что это произойдет в ближайшее время.
Уважаемая RMR_astra!
Ваша статья, как бальзам на рану. Когда слышу или читаю, что Солнцу светить ещё миллиарды лет, у меня всегда возникает внутренний протест. Какие миллиарды лет, если внутри Солнца постоянно происходят неуправляемые термоядерные реакции, вспышки, смена магнитных полюсов, турбулентность нестационарных процессов?
Первая же фраза статьи:
настраивает на понимание, что Солнце может в непредсказуемый момент стать источником реальной опасности для жизни на Земле. Да, Солнце создает условия для жизни человечества, но необходимо осознавать, что наша жизнь зависит от процессов на Солнце и может измениться гораздо раньше миллиарда лет.
Искренняя благодарность за этот материал. Он созвучен моему представлению, что должна в первую очередь доносить наука всем людям, живущим на Земле.
Уважаемый Георгий!
Интересный экскурс в историю физики. Спасибо!
Но поскольку вы анонсировали еще и современный взгляд на законы Ньютона, сделаю небольшое дополнение. Хотя сам Ньютон свой закон формулировал в форме $F=ma$, сейчас такой подход следует считать неточным. Дело в том, что закон должен отражать некоторую экспериментальную закономерность с уже определенными величинами. Однако сила $F$ как количественная характеристика некоторого физического фактора так или иначе опять связана со вторым законом Ньютона. Вы специально этому посвятили несколько разделов для определения силы. Поэтому более правильная формулировка второго закона Ньютона должна выглядеть так. "Отношение ускорений различных тел, помещенных в одну и ту же физическую обстановку, относятся друг к другу, как обратное отношение их масс". Другими словами:
$$
\frac{a_1}{a_2}=\frac{m_2}{m_1},~~\frac{a_2}{a_3}=\frac{m_3}{m_2}, ~~\frac{a_1}{a_3}=\frac{m_3}{m_1},\cdots
$$
Отсюда:
$$
m_1a_1=m_2a_2=m_3a_3=\cdots=F
$$
Величина $F$, однозначно характеризующая воздействие физической обстановки на тела, называется силой. Ускорение $a$ является чисто геометрической величиной, не требующей дополнительного определения. Масса $m$ - некоторый параметр, характеризующий количество вещества. Теперь становится ясно, что сила $F$ - есть физический фактор, вытекающий из второго закона Ньютона. Задача физики - это выяснение того, как $F$ связана с физической обстановкой.
Я здесь не стал уточнять, что ускорение и сила являются векторами. Это очевидное расширение закона. Есть еще одно расширение, связанное с тем, что само тело может изменять физическую обстановку. Так обстоят дела в законе Всемирного тяготения и законе Кулона, например. В этих законах сила, вызывающая ускорение, зависит от массы или заряда самого тела. Однако в этом случае второй закон Ньютона должен формулироваться для пробных тел (с бесконечно малыми массами и зарядами), что обеспечиваает сушествование напряженностей полей. Это дает более точное понимание того, с чем мы имеем дело в теории тяготения и электродинамике. Это же сразу высвечивает трудности этих теорий. На макромасштабах проблем нет. Но в микромире и массы, и заряды частиц, таких как электроны, протоны и т.д., не могут иметь массу и заряд меньше определенной величины. Минимальная масса электрона - масса покоя, а заряд всегда кратен заряду электрона. Поэтому на этом уровне второй закон Ньютона уже не может рассматриваться как фундаментальный. Но это уже другая история.
Как рассчитать сложное движение тела в неинерциальной системе отсчёта.
Оглавление:
1. Понятие об инерциальной и неинерциальной системах отсчёта (или системах координат).
2. Основные теоремы для системы рассматриваемых космических тел.
3. Сложное движение материальной точки. Теоремы о сложении скоростей и ускорений.
3.1 Основные определения. Абсолютная и относительная производные вектора.
3.2 Теорема о сложении скоростей для двух систем координат.
3.3 Теорема о сложении ускорений (теорема Кориолиса).
3.4 Применение основных теорем механики в неинерциальных системах отсчёт
Выбор системы отсчёта для расчёта траектории тела относительно неё представляется весьма важным начальным фактором, определяющим, в итоге, теоретически обоснованную надёжность расчётов траекторий космических тел. Рассмотрим подробнее вопрос выбора и размещения начала системы координат и проведём анализ всех возможных видов «кажущихся» ускорений, появляющихся в неинерциальных системах отсчёта вследствие их вращения и ускоренного перемещения начала системы отсчёта.
« ИНЕРЦИАЛЬНАЯ ситема отсчёта это такая система отсчёта, в которой справедлив закон движения по инерции свободной материальной точки, когда на неё не действуют никакие силы (или действуют взаимно уравновешенные силы) и при этом тело находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения по отношению к такой системе отсчёта.
Всякая система отсчёта, движущаяся по отношению к инерциальной поступательно, равномерно и прямолинейно, является также инерциальной. Следовательно, теоретически может существовать сколько угодно равноправных инерциальных систем, обладающих тем важным свойством, что во всех таких системах законы физики одинаковы (так называемый «принцип относительности Галилея»). т.е. законы и уравнения механики не изменяются при: линейных сдвигах системы по осям координат, при угловых поворотах вокруг осей координат на некоторый угол, при «сдвиге по времени» (на dt) и при разных значениях равномерной поступательной скорости самой системы координат.
Помимо закона инерции, в любой инерциальной системе справедливы все три закона механики Ньютона, закон притяжения тел и законы сохранения количества движения (импульса), момента количества движения и движения центра инерции (или центра масс) для замкнутых, т. е. не подверженных внешним воздействиям, систем (см. подробнее первую статью данного цикла, посвящённую законам Ньютона и его Определениям I-VI).
Строго говоря, понятие об инерциальной системе является идеальной абстракцией. Реальная система отсчёта связывается всегда с каким-нибудь конкретным телом (Землёй, корпусом корабля или самолёта и т. п.), по отношению к которому и изучается движение тех или иных объектов. А поскольку в природе нет неподвижных тел (тело, неподвижное относительно Земли, будет двигаться вместе с нею ускоренно по отношению к Солнцу и звёздам и т. д.), то любая реальная система отсчёта может рассматриваться как инерциальная лишь с той или иной степенью приближения. С очень высокой степенью точности инерциальной системой можно считать Солнечную систему с началом в центре Солнца (точнее, в центре масс (центре инерции) Солнечной системы, т.е. в барической системе отсчёта) и с осями, направленным на далёкие звёзды. Такая инерциальная система используется в задачах небесной механики и космонавтики. Для решения большинства технических задач инерциальной системой практически может служить система, жёстко связанная с Землёй, а в случаях, требующих большей точности (напр., в гироскопии), - с началом в центре Земли и осями, направленными на звёзды.
Если система отсчёта движется по отношению к инерциальной системе с линейным ускорением и(или) вращается, то она является НЕИНЕРЦИАЛЬНОЙ СИСТЕМОЙ ОТСЧЁТА. При этом выражения всех вышеназванных законов, записанные в инерциальной системе требуют введения дополнительных членов, компенсирующих отличия в движении неинерциальной системы (её ускорения и вращения) от инерциальной.
Объясняется это тем, что ПО ОТНОШЕНИЮ К НЕИНЕРЦИАЛЬНОЙ СИСТЕМЕ ОТСЧЁТА МАТЕРИАЛЬНАЯ ТОЧКА, находящаяся под воздействием реальных сил, (например, сил гравитационного притяжения между космическими телами) и не испытывающая воздействия никаких дополнительных реальных сил со стороны неинерциальной системы), ДОЛЖНА БЫТЬ ОСВОБОЖДЕНА НАМИ В ЕЁ ДИНАМИЧЕСИХ УРАВНЕНИЯХ ДВИЖЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНО НЕИНЕРЦИАЛЬНОЙ СИТЕМЫ ОТ ФАКТИЧЕСКИ ПРИПИСЫВАЕМЫХ ЭТОМУ ТЕЛУ В ЭТОЙ СИСТЕМЕ «КАЖУЩИХСЯ» (МНИМЫХ И РЕАЛЬНО НЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ) ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ УСКОРЕНИЙ, КОТОРЫЕ НЕ ВЫЗВАНЫ ДЕЙСТВИЯМИ НИКАКИХ РЕАЛЬНЫХ СИЛ, А ПОЯВЛЯЮЩИХСЯ ТОЛЬКО ИЗ-ЗА НАЛИЧИЯ «УСКОРИТЕЛЬНЫХ» ЭВОЛЮЦИЙ У САМОЙ НЕИНЕРЦИАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ (относительно инерциальной системы), КОТОРЫЕ ОНА СО СВОЕЙ СТОРОНЫ (со своей, например, кружащейся вращающейся «больной головы» перекладывает на «здоровую» голову, т.е. на реально не вращающееся рассматриваемее нами тело, заставляя его также кружиться, как и она сама кружится при этом даже не подозревая ничего о собственном вращении, считая себя НЕ кружащейся!) ПРИПИСЫВАЕТ РАССМАТРИВАЕМОМУ НАМИ ТЕЛУ и которые вызваны следующими параметрами движения, присущими неинерциальной системе отсчёта:
1. ЛИНЕЙНЫМ УСКОРЕНИЕМ и НАЛИЧИЕМ при этом ЛИНЕЙНОЙ СКОРОСТИ начала неинерциальной системы,
2. ВРАЩЕНИЕМ ВОКРУГ НАЧАЛА СИСТЕМЫ ОТСЧЁТА (центростремительное ускорение вращения), а также и, возможно,
3. УСКОРЕННЫМ ВРАЩЕНИЕМ (угловое ускорение), и, наконец,
4. КОРИОЛИСОЫМ УСКОРЕНИЕМ, возникающим только при одновременном наличии линейной скорости перемещения тела относительно неинерциальной системы и угловой скорости вращения системы.
Примечание: Уважаемые читатели, кому не хочется тратить время (на чтение методики вывода ускорений в неинерциальных системах), могут сразу переходить к последнюю часть раздела 3.4 к выражениям (33) и (34) для ускорений в неинерциальной системе отсчёта.
2. Основные теоремы для системы рассматриваемых космических тел.
Давным-давно, в годы моей юности, в начале 60х годов, в школьном курсе физики А.В.Пёрышкина теоремы для систем тел не рассматривались, а преподавались в высшей школе в курсе «Теоретической механики». А вот в современных учебниках для 10 классов профильного и даже базовых уровней, в частности, двух разных учебниках под редакцией Г.Я.Мякишева, уже излагаются многие вопросы из курса теоретической механики такие, например, как закон сохранения импульса системы, о котором и пойдёт ниже речь как об основополагающем законе для выбора места расположения рациональной системы координат по расчёту космических траекторий.
Все теоретические формулы и большинство нижеследующих описаний взяты мной из понравившегося мне учебного пособия для студентов Московского Физтеха (МФТИ) (М.А. Айзерман «Классическая механика», Издание третье, Москва, Издательство Физико-математической литературы, 2005г, 380с.).
«Книга отличается систематически проведенным подходом, опирающимся на инвариантность и ковариантность законов и уравнений механики по отношению к преобразованиям систем отсчета», не встречавшемся ранее мне в обычных учебниках по «Теоретической механике» для студентов ВТУЗ-ов. Книга помогла взглянуть по новому на многие вопросы, связанные с рассмотрением инерциальных и неинерциальных систем отсчёта в механике. Поэтому большинство теоретических выражений и некоторых идей, изложенных ниже, позаимствовано из данной книги со ссылками на неё в соответствующих местах.
Количество движения системы материальных точек. (стр.72-74 книги)
Рассмотрим понятия о количестве движения системы тел, центре инерции системы, теорему об изменении количества движения системы (или теорему о движении центра системы) и сделаем вывод о постоянстве скорости движения центра инерции для замкнутой (не подверженной внешним воздействиям) системы тел в современном изложении.
Введём основные понятие о системе рассматриваемых тел (mi, где mi – масса тела с №=i, i=1,2…n; n-число тел в системе).
*) Далее во всех символах знака суммирования (Σ) подразумевается суммирование по i от 1 до n, т.е. по всем телам системы тел.
Количество движения сиcтемы тел есть вектор Q :
Q = Σ qi = Σ (mi · Vi); где жирным шрифтом обозначены векторные величины… (1)
Второй закон механики был сформулирован И. Ньютоном в труде «Начала…» в следующем виде:
«Производная по времени от количества движения системы равна главному вектору все действующих на систему внешних сил», а это и есть ТЕОРЕМА ОБ ИЗМЕНЕНИИ КОЛИЧЕСТВА ДВИЖЕНИЯ СИСТЕМЫ ТЕЛ:
(dQ / dt) = Σ (mi· dVi / dt) = Σ (Fi) = Fвнешняя …………….……………………….. (2)
Центром инерции системы, для которой рассчитываются расстояния (ri) от начала исходной инерциальной системы координат до тел, является точка С, задаваемая радиусом-вектором rc :
rc = Σ (mi · ri) / Σ mi ; где: M = Σ mi называется МАССОЙ СИСТЕМЫ ТЕЛ ……….... (3)
Кстати, при воздействии однородного поля тяжести понятие ЦЕНТРА ИНЕРЦИИ СОВПАДАЕТ с понятием ЦЕНТРА ТЯЖЕСТИ материального ТЕЛА : rц.т. = Σ (Gi · ri) / Σ Gi ;
Дифференцирование по времени выр. (3) даёт позволяет найти выражении для ВЕКТОРА СКОРОСТИ ЦЕНТРА ИНЕРЦИИ СИСТЕМЫ:
Vc = Σ (mi · Vi) / Σ mi ; ……………………………………………………………. (4)
Из равенства (4) следует, что Q = Σ (mi · Vi) = M · Vc ; ……………..……………………. (5)
В итоге, количество движения системы тел равно произведению МАССЫ системы на СКОРОСТЬ ЕЁ ЦЕНТРА ИНЕРЦИИ.
Дифференцирование по времени выр. (5) позволяет выразить второй закон механики Ньютона для материальной точки, которая помещена в центре инерции системы и движется вместе с ним как точка с массой, равной массе системы тел M, к которой приложена равнодействующая всех внешних сил Fвнешняя:
(dQ / dt) = M · (dVc / dt) = Fвнешняя ………….……….…………..……………….. (6)
Выр. (6) следует новый вариант теоремы об изменении количества движения системы, называемый как ТЕОРЕМА О ДВИЖЕНИИ ЦЕНТРА ИНЕРЦИИ СИСТЕМЫ ТОЧЕК :
«При движении системы материальных точек её центр инерции движется так, как двигалась бы материальная точка, помещённая в центре инерции системы, если бы в ней были сконцентрированы массы всех точек системы и к ней были бы приложены все внешние силы, действующие на все точки системы».
Введём понятие замкнутой системы точек, которая движется только под влиянием внутренних взаимодействий, т.е. взаимодействий материальных точек, входящих в систему. Это, конечно, условное понятие, т.к. в реальном мире все объекты взаимосвязаны гравитационными взаимодействиями в принципе при любых расстояниях между материальными объектами. Однако при идеализации задачи можно пренебречь относительно слабыми взаимодействиями других внешних объектов по сравнению с взаимодействиями точек, входящими в систему. Так, например, два небесных тела Землю и Луну, можно считать замкнутой системой, если интересует лишь взаимное движение между ними и пренебрегают воздействием на них остальных небесных тел, в том числе Солнца и других планет. Или, например, три небесных тела Солнце, Землю и Луну считают замкнутой системой, если учитывают лишь взаимодействие между этими телами и пренебрегают воздействием других планет Солнечной системы на их движение. Солнечная система в целом является примером замкнутой системы лишь в тех случаях, когда считают возможным пренебречь воздействием на тела Солнечной системы других внешних материальных объектов Вселенной. (стр.43)
У замкнутых систем, по их определению, Fвнешняя = 0, и тогда из выр.6 следует, что
(dVc / dt) = 0 ; а, следовательно и Vc = const; …………………………………… (7)
Поэтому закон сохранения количества движения можно сформулировать так:
«ЦЕНТР ИНЕРЦИИ ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЫ ДВИЖЕТСЯ С ПОСТОЯННОЙ СКОРОСТЬЮ (быть может и равной нулю)».
Можно сравнить эту теорему с её изложением у Ньютона в Следствии IV к 3-му Закону:
«Центр тяжести системы двух или нескольких тел от взаимодействия тел друг на друга не изменяет ни своего состояния покоя, ни движения; поэтому центр тяжести системы всех действующих друг на друга тел (при отсутствии внешних действий и препятствий) или находится в покое, или движется равномерно и прямолинейно.»
Разумеется, это утверждение верно и для проекций соответствующих векторов. Если проекция главного вектора внешних сил на некоторую ось тождественно равна нулю, то и центр инерции движется так, что проекция скорости центра инерции на эту ось остаётся постоянной.
Далее будет весьма удобно вводить в рассмотрение систему отсчёта, которая движется поступательно и начало которой помещено в центр инерции системы. Такую систему отсчёта будем называть далее ЦЕНТРАЛЬНОЙ. В том случае, когда скорость центра инерции системы точек ПОСТОЯННА, ЦЕНТРАЛЬНАЯ СИСТЕМА является ИНЕРЦИАЛЬНОЙ.
Из §3 Момент количества движения системы материальных точек (кинетический момент) (стр.74-76):
Выберем в нашей инерциальной системе произвольную точку А, которую назовём полюсом, и относительно которой определим момент от вектора количества движения каждой из материальных точек системы qi (= mi · Vi ) относительно этого полюса А с учётом вектора расстояния точки ri до полюса А в виде векторного произведения:
KАi = (ri × qi) = (ri × mi·Vi) …………………………….………………………… (8)
Вектор Ki называется моментом количества движения i-ой точки относительно полюса А. Символ «х» является символом ВЕКТОРНОГО произведения двух векторов.
*) Справка: Для определении положения и направления вектора Ki, являющегося результатом векторного произведения двух векторов ri и Vi в декартовой системе координат,
используется правило ПРАВОЙ руки (но не левой!), когда три пальца правой руки (большой, указательный и средний) распрямляем во взаимно перпендикулярные положения друг относительно друга (моделируя этим направления трёх осей декартовой системы координат), то при совмещении по направлению двух пальцев с первым (ri) и вторым векторами (Vi) из векторного произведения и при выполнении КРАТЧАЙШЕГО ПОВОРОТА от первого вектора ко второму (при взгляде на конец третьего пальца правой руки в сторону его основания) (этот кратчайший) ПОВОРОТ от первого вектора ко второму должен быть ВИДЕН ПРОТИВ ДВИЖЕНИЯ ЧАСОВОЙ СТРЕЛКИ. Тогда третий палец и будет отображать положение и направление итогового вектора (K), являющегося результатом векторного произведения двух исходных векторов (ri × mi·Vi) в выр.(8).
Главным моментом количества движения всей системы материальных точек будет их векторная сумма всех моментов материальных точек системы относительно полюса А, т.е. кинетическим моментом системы:
KА = Σ KАi = (ri × mi·Vi );
Если точку полюса А, используемую выше для расчёта кинетического момента, расположить в центре инерции системы, то получим, опуская вывод, ТЕОРЕМУ ОБ ИЗМЕНЕНИИ КИНЕТИЧЕСКОГО МОМЕНТА СИСТЕМЫ ТОЧЕК при воздействии на систему момента от внешних сил, приложенных к токам системы относительно центра инерции системы:
(dKА / dt) = M A внеш. ………………………………………………………… (9)
Производная от кинетического момента системы материальных точек (относительно неподвижного полюса А) равна главному моменту внешних сил, приложенных к точкам системы, относительно этого же полюса.
Для замкнутых систем выполняется условие M A внеш. = 0, т.к. на материальные точки ЗАКНУТОЙ системы (по определению) не действуют внешние силы и момент нечем создавать. Отсюда следует ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ КИНЕТИЧЕСКОГО МОМЕНТА:
При движении ЗАМКНУТОЙ системы материальных точек её кинетический момент относительно любого неподвижного полюса НЕ МЕНЯЕТСЯ.
3. Сложное движение материальной точки. Теоремы о сложении скоростей и ускорений.
При написании данного весьма важного раздела взята за основу глава XIII «Сложное движение точки» (учебник для ВТУЗ-ов, Н.В.Бутенин, Я.Л.Лунц, Д.Р.Меркин «Курс классической механики» том I Статика и Кинематика, издание 4, Москва «НАУКА», 1985г, стр.203-208) как простое и типичное изложение для инженеров-механиков, смысл которого весьма прост и состоит во взятии сначала производной по времени от радиуса-вектора рассматриваемой точки, проведённого из начала неинерциальной системы отсчёта к рассматриваемой точке, для получения её вектора скорости, а затем во взятии производной по времени уже от вектора скорости точки для получения её вектора относительного ускорения в неинерциальной системе отсчёта.
3.1 Основные определения. Абсолютная и относительная производные вектора.
В этом разделе будет рассмотрен вывод выражения для первой производной от радиуса-вектора рассматриваемой точки по времени для получения выражения её вектора скорости и использованием правил дифференцирования векторов из курса линейной алгебры.
Рассмотрим движение одной и той же материальной точки М относительно двух систем: неподвижной инерциальной (назовём её: абсолютной) Системы Координат (СК) и неинерциальной (назовём её – подвижной СК) с центром в точке A , движущейся в самом общем виде с линейным ускорением начала системы координат и вращением относительно него с вектором угловой скорости ω.
Будем называть «АБСОЛЮТНЫМ» (или СЛОЖНЫМ) движением материальной точки М её движение относительно неподвижной инерциальной системы. Движение точки по отношению к подвижной системе назовём ОТНОСИТЕЛЬНЫМ. Под ПЕРЕНОСНЫМ движением будем понимать движение подвижной системы координат относительно неподвижной.
Зададим в подвижной СК расстояние от её начала до материальной точки М вектором расстояния r. Абсолютное движение точки М названо ещё и сложным потому, что ниже представим его ещё и как сумму двух движений: переносного движения самой подвижной системы координат относительно неподвижной системы и относительного движения точки М в подвижной системе. Поскольку нам понадобится операция дифференцирования по времени вектора расстояния r, определённого в подвижной системе координат, то введём понятие абсолютной и относительной производных.
Пусть задан вектор расстояния r(t) в подвижной СК, имеющий три проекции на оси подвижной СК: rx, ry, rz . Если ввести понятие трёх единичных векторов подвижной системы i, j, k,(их ещё называют ортами системы координат, в данном случае это орты подвижной СК) то вектор r может быть представлен в виде геометрической суммы трёх своих составляющих проекций на оси подвижной СК:
r (t) = rx i + ry j + rz k. *) ........................................................................................... (10)
*) знак скалярного умножения в виде точки (·), который должен стоять перед единичными векторами опущен для упрощения записи как в выр.(10), так и во всех нижеследующих выражениях.
Продифференцируем обе части равенства (10) по времени, имея в виду, что единичные вектора подвижной СК (i(t), j(t), k(t)) несмотря на свою постоянную длину, равную единице, из-за вращения СК также вращаются в пространстве и поэтому являются функцией времени и обладают тангенциальными линейными скоростями, приложенными к концам единичным векторов и перпендикулярными самим векторам, точно так же, как, например, вектор линейной скорости кругового вращения перпендикулярен вектору-радиусу вращающейся с постоянной скоростью точки и являются функцией времени. Напоминаем о правиле для взятия производной по времени от произведения двух функций U(t) и V(t), зависящих от времени, состоящем в том, что полная производная от произведения двух функций, зависящих от времени, равна произведению производной по времени от первой функции, умноженной на вторую функцию, плюс произведение первой функции на производную по времени от второй функции, т.е.:
(d(U V) / dt) = (dU/dt) V + U (dV/dt) ………………………………………………..(11)
что в применении дифференцирования по времени к выражению (10) после группировки членов даёт:
(dr/dt) = (drx/dt) i + (dry/dt) j + (drz /dt) k + rx (di/dt) + ry (dj/dt) + rz (dk/dt). ….(12)
Сумма первых трёх слагаемых представляет собой производную вектора r относительно подвижной СК. Если бы мы поставили своей задачей изучать изменение вектора r по отношению к подвижной СК, то мы учитывали бы при этом лишь изменения проекций вектора на оси этой системы координат, т.е. только сумму первых трёх слагаемых.
Действительно, собственное движение самой системы, в которой мы, например, оказались (например, на Землю) нас обычно не интересует, и мы, будучи помещены в начало любой системы отсчёта сами как бы и не вращаемся и не движемся, а лишь наблюдаем за вращениями и перемещениями окружающих тел относительно нас, т.е. относительно начала системы отсчёта, поскольку всё в мире относительно. При этом сама система отсчёта реально не «подозревает» о собственном вращении относительно какой-либо другой системы отсчёта (ведь она самодостаточна ) и её вращение мы можем наблюдаем лишь с позиций другой системе отсчёта, например, инерциальной. Но эти относительные рассуждения не должны нас отрывать от суровой действительности, и РАССМАТРИВАТЬ ОТНОСИТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ ДРУГИХ СИСТЕМ ОТСЧЁТА МЫ ОБЯЗАНЫ ТОЛЬКО С ПОЗИЦИЙ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ СИСТЕМ ОТСЧЁТА, т.к. только для них были выведены все законы движения, открытые Ньютоном, и применение которых мы хотим распространить также и на неинерциальные системы отсчёта.
Назовём сумму первых трёх слагаемых в (12) ОТНОСИТЕЛЬНОЙ, ИЛИ ЛОКАЛЬНОЙ производной и обозначим её как (dr/dt)отн.:
(dr/dt)отн. = (drx/dt) i + (dry/dt) j + (drz /dt) k . ……….……………………………………..… (13)
Для преобразования трёх последних слагаемых в выр. (12) вспомним векторное выражение связи между линейной скоростью вращения любой точки твёрдого тела (V) и её вектором угловой скорости вращения (ω) и заданном векторе расстоянии до рассматриваемой точки вращающегося тела (r).
Из рассмотрения теории вращения твёрдого тела (с вектором угловой скорости вращения ω), имеющего одну неподвижную точку, известно выражение в виде векторного произведения для определения линейной скорости любой точки твердого тела, вызванной этим вращением (194 стр):
V = (ω × r). *) …………………………………………………..…………………… (14)
*) Примечание: Символами векторного произведения в данном комментарии являются круглые скобки для двух перемножаемых векторов, написанных жирным шрифтом, с символом векторного произведения между ними в виде знака умножения: «×» (см.выр.14).
Определим величину модуля вектора линейной скорости вращения | V | , раскрыв правило для векторного произведения (14):
| V | = | ω | | r | sin(φ) = | ω | rнорм. . ……………….………………….………………………… (15)
Где φ – угол вежду вектором угловой скорости ω, направленного по оси мгновенного вращения твёрдого тела, проходящей через неподвижную точку, относительно которой и вращается тело,
и направлением вектора расстояния r от неподвижной точки до рассматриваемой вращающейся произвольной точки тела, а rнорм. - это модуль расстояние (длина нормали) от точки тела до мгновенной оси вращения тела, т.е. это радиус вращения обычного вращения точки тела по кругу, плоскость которого перпендикулярна мгновенной оси вращения.
Подставив в выр. (14) вместо вектора полного расстояния до точки (r) последовательно единичные вектора подвижной СК i, j, k получим выражения для их производных по времени, не забывая, что длина этих единичных векторов постоянна и равна 1:
V = (ω × r ). … (14)
(di/dt) = (ω × i); (dj/dt) = (ω × j); (dk/dt) = (ω × k). ……………..…..….…….… (16)
Вышеприведенные производные есть тангенциальные скорости (т.е. перпендикулярные плоскостям, проходящем через вектор вращения СК ω и какую-либо из осей СК ) единичных векторов вращающейся СК.
Поэтому сумма последних трёх слагаемых из выр. (12) может быть преобразована к виду:
rx (di/dt) + ry (dj/dt) + rz (dk/dt) = rx (ω × i) + ry (ω × j) + rz (ω × k) =
= (ω × (rx i + ry j + rz k))= (ω × r); ….…….……… (17)
где ω – вектор угловой скорости подвижной системы координат. И, следовательно:
dr/dt = (dr/dt)отн. + (ω × r). ………… …………………………………………. (18)
где: (dr/dt)отн. = (drx/dt) i + (dry/dt) j + (drz /dt) k. … (13)
Таким образом, абсолютная производная по времени вектора в неподвижной системе координат равна сумме относительной производной этого же вектора в подвижной СК и добавочного вектора линейной скорости, вызванного вращением подвижной СК, и равного векторному произведению угловой скорости вращения подвижной СК на вектор расстояния до рассматриваемой материальной точки.
3.2 Теорема о сложении скоростей для двух систем координат.
Напомним, что мы рассматриваем движение одной и той же материальной точки М относительно двух систем: неподвижной (инерциальной СК) и подвижной (неинерциальной СК) с центром в точке А, движущейся в самом общем виде с линейным ускорением начала системы координат и вращением относительно него с вектором угловой скорости ω.
Найдём связь между следующими скоростями:
Абсолютной скоростью (V) материальной точки М относительно неподвижной инерциальной СК.
Относительной скоростью (Vr) по отношению к подвижной неинерциальной СК. Относительная скорость является движением относительно подвижной СК и по своей сути похожа на абсолютную скорость точки, являющуюся точно таким же движением, но по отношению к своей инерциальной СК.
А вот ПЕРЕНОСНАЯ скорость это нечто особенное из области «оптической иллюзии», когда собственное вращение и ускоренное перемещение начала подвижной СК целиком и полностью приписывается собственному движению точки М, поскольку само начало подвижной СК считает себя неподвижным и невращающимся центром, впрочем, как и все другие системы отсчёта, не исключая и инерциальные СК, это их коренное свойство, назовём манией собственного величия любой СК в виде её мирового центра - начала её системы координат («пупа»), вокруг которого всё и должно вертеться и двигаться, хотя с точки зрения другой, «трезвомыслящей» инерциальной СК, точка М переносную скорость (а в дальнейшем и разные виды вращательных ускорений) РЕАЛЬНО НА САМОМ ДЕЛЕ НЕ РАЗВИВАЕТ.
В итоге, переносной скоростью (Ve) материальной точки М, является скорость точки подвижной СК которая в данный момент совпадает с точкой М и именно скорость этой совпавшей точки подвижной СК и приписывается точке М (без всякого наложения на неё какой-либо физической связи со стороны самой подвижной СК), но фиктивно и чисто внешне приписываемая точке М за счёт простого оптического слежения за ней из начала неинерциальной СК.
Пусть заданы два радиус-вектора расстояний: первый от начала неподвижной СК до рассматриваемой нами материальной точки R(t) и от начала неподвижной СК до начала подвижной СК RА(t) и замыкает этот треугольник векторов радиус-вектор r(t), который определяет положение точки М в подвижной СК, т.е.
R = RA + r ……………………..….………………………………………………. (19)
Для выяснения связи между векторами скоростей продифференцируем по времени треугольник векторов расстояний (выр.19):
V = (dR /dt) = (dRA /dt) + (dr /dt) = VA + (dr /dt). .……………….……….…. (20)
где: (dr/dt) = (dr/dt)отн. + (ω × r) . см.(18)
Немного ранее была специально для этого вычислена производная для радиус-вектора dr/dt (см. выр.18). Очевидно и то, что производная по времени от радиус-вектора начала подвижной СК (dRA/dt) равна вектору скорости начала подвижной СК, т.е. VA , а производная от радиус-вектора дальности точки М в подвижной СК – (dr/dt) отн. есть ни что иное, как вектор относительной cкорости Vr точки М в подвижной СК. Подставим всё это в выр.20:
V =VA + (ω × r) + (dr/dt)отн.;
V= (VA+(ω × r)) +Vr. - Абсолютная скорость как сумма переносной и относительной скоростей .(21)
Вектор абсолютной скорости равен векторной сумме переносной и относительной скоростей:
V = Ve + Vr; где: V - абсолютная скорость …………………………………….…… (22)
где: Ve = VA + (ω × r); - переносная скорость ………...……………....…………... (23)
Vr = (dr/dt) отн. = (drx/dt) i + (dry/dt) j + (drz /dt) k. - относительная скорость .... (24)
В итоге, получили формулировку для теоремы о сложении скоростей:
Абсолютная скорость точки относительно неподвижной СК равна геометрической сумме векторов переносной и относительной скоростей.
Выр.22 применяют для определения скорости космического тела в моменты перехода на границе «сферы переключения межпланетных траекторий» для нахождения начального значения вектора как относительной скорости при ВХОДЕ в «сферу» из неподвижной, например, Солнечной СК в СК какой-либо планеты по выр 25, вытекающему из выр. 22:
Vr = V – Ve, …..…....……………………………………………………………. (25)
где: Ve = VA + (ω × r) – переносная скорость, а VA - орбитальная скорость планеты относительно Солнца, ω – угловая скорость собственного вращения планетной СК (если применена инерциальная, не вращающаяся планетная СК, то ω = 0 и Ve =VA), а радиус-вектор r равен радиусу «сферы переключения межпланетных траекторий». При выходе из «сферы» для определения начального значения скорости тела в Солнечной СК применяют выр.22.
В итоге, выр.23 для ПЕРЕНОСНОЙ СКОРОСТИ (Ve), вызванная скоростными эволюциями начала подвижной СК, ПРИПИСЫВАЕТ материальной точке М, НЕСУЩЕСТВУЮЩУЮ РЕАЛЬНО, «ФИКТИВНУЮ» и ИЛЛЮЗОРНУЮ СКОРОСТЬ (относительно начала подвижной СК), не вызванную НИКАКИМИ ФИЗИЧЕСКИМИ ВОЗДЕЙСТВИЯМИ на материальную точку М, а объяснимую лишь эффектом визуального перемещения точки М относительно начала подвижной СК.
Например, можно запросто «разогнать» относительную скорость тела М в подвижной СК, не прикладывая никаких реальных сил к материальному телу, до околосветовых скоростей при умеренной угловой скорости вращения ω лишь самой подвижной СК. Это напоминает опыт Майкельсона по определению скорости света, где в качестве подвижной СК выступает легкая, быстро вращающаяся СК в виде платформы с закреплённой на ней зеркальной призмой, отражающей луч света. Ну и как тут не назвать все эти кажущиеся, нереальные скорости, возникающие в подвижной вращающейся СК из-за её собственного вращения, не иначе как МНИМЫМИ И «ФИКТИВНЫМИ», а вот такие же «фиктивные» иллюзорные ускорения и, соответствующие им разные виды «сил инерции», рассмотрим в следующем разделе.
Вот что написал в своих «Началах…» И.Ньютон по этому поводу:
«Причины происхождения, которыми различаются истинные и кажущиеся движения, суть те силы, которые надо к телам приложить, чтобы произвести эти движения. Истинное абсолютное движение не может ни произойти, ни измениться иначе, как от действия сил, приложенных непосредственно к самому движущемуся телу, тогда как относительное движение тела может быть и произведено, и изменено без приложения сил к этому телу; достаточно, чтобы силы были приложены к телам, по отношению к которым это движение определяется.»
*) Примечание: Добавим, что, так термин «относительное движение» у Ньютона в инерциальной системе на современном языке соответствует понятию «переносное движение» в неинерциальной системе, которое можно создать вообще без всяких сил, сообщив вращение или линейную скорость началу неинерциальной системы координат.
3.3 Теорема о сложении ускорений (теорема Кориолиса).
Для нахождения абсолютного ускорения точки по отношению к инерциальной системе координат продифференцируем по времени выр.21 теоремы сложения скоростей для абсолютной скорости:
V = (VA + (ω × r)) + Vr;
где: Vr = (dr/dt) отн. = (drx/dt) i + (dry/dt) j + (drz /dt) k. – относительная скорость …(21)
W = (dV/dt) = (dVA/dt) + [ ((dω/dt) × r) + (ω × (dr/dt)) ] + (dVr/dt). ………………… (26)
где: ранее было выведено выр. : dr/dt = (dr/dt)отн. + (ω × r). …….(18)
Абсолютную производную для вектора относительной скорости Vr найдём по универсальной формуле (18) для взятия производной от векторов в двух системах: неподвижной и подвижной
(dVr/dt) = (dVr/dt)отн. + (ω × Vr) . ……….……………………………………. (27)
В этом выражении (dVr / dt)отн. есть относительная производная вектора Vr по времени и, следовательно, представляет собой относительное ускорение Wr, т.е. ускорение точки по отношению к подвижной СК:
Wr = (dVr/dt)отн. = (d2rx/dt2) i + (d2ry/dt2) j + (d2rz/dt2) k. - относительное ускорение …(28)
Используя подстановку равенств (18), (13), (25) и (26) в формулу (24) преобразуем её:
W = WA + ((dω/dt) × r) + (ω × (Vr + (ω × r)) ) + Wr + (ω × Vr) .
W = WA + ((dω/dt) × r) + (ω × (ω × r)) + Wr + (2ω × Vr), ……………...…… (29)
где: WA = (dVА /dt) и (dω/dt) линейное и угловое ускорения начала подвижной СК.
Для того, чтобы выделить только переносное ускорение We для материальной точки М, которое ей приписывается наблюдателем жёстко зафиксированным к началу подвижной СК вращающимся вместе с подвижной СК, отслеживать ПЕРЕНОСНОЕ движение подвижной СК, т.е. перемещение точки М относительно подвижной СК (ускорение той точки, жёстко закреплённой относительно осей подвижной СК, с которой в данный момент ТОЛЬКО совпадает СВОБОДНАЯ И НИКАК НЕ СВЯЗАННАЯ с подвижной СК движущаяся материальная точка, сложное движение которой мы и пытаемся определить), закрепим точку в подвижной СК, т.е. положим Vr = 0 и Wr = 0. В этом случае из выр.(27) будем иметь выр. для переносного ускорения We, которое испытывает точка ЖЁСТКО ЗАФИКСИРОВАННАЯ относительно подвижной СК, т.е. представляющая единое твёрдое тело вместе с осями подвижной системы координат:
We = WA + ((dω/dt) × r) + (ω × (ω × r)). – Это переносное ускорение ……………. (30)
Итак, это и есть переносное ускорение точки свободного твёрдого тела, с которым жёстко связана подвижная СК и которая в данный момент совпадает с рассматриваемой нами материальной точкой М, и которой формально приписываются все эти «иллюзорные» ускорения. Переносное ускорение представляет собой сумму линейного ускорения начала подвижной СК ( WA ) с вектором (dω/dt × r), называемого ВРАЩАТЕЛЬНЫМ УСКОРЕНИЕМ. При вращении вокруг неподвижной оси направления векторов (dω/dt) и ω всегда совпадают и поэтому вектора скорости и касательного ускорения направлены вдоль одной и той же прямой по касательной траектории. Последний дополнительный вектор в переносном ускорении (ω × (ω × r)) называют осесимметричным ускорением.
По аналогии с анализом выр. (14) ( V = (ω × r ) ) в виде выр.(15) для модуля скорости вращающееся точки ( | V | = | ω | | r | sin(φ) = | ω | rнорм. ) можно показать, что модуль вектора
| ω × ( ω × r )| = | ω | 2 | r | sin(φ) = | ω |2 rнорм. в отличие от модуля скорости (во вращательном движении по кругу, плоскость которого перпендикулярна мгновенной оси вращения) направлен не по касательной к кругу вращения с радиусом вращения rнорм, а по нормали к траектории вращения вокруг мгновенной оси , т.е. вдоль вектора rнорм и направлен к оси мгновенного вращения, как бывает обычно направлен вектор центростремительного ускорения при вращении по кругу с радиусом rнорм. Это и есть осесимметричное ускорение, увлекающее точки твёрдого тела во вращательное движение вокруг мгновенной оси вращения. Естественно оно и породит в подвижной системе противоположно ему направленное всем известное ЦЕНТРОБЕЖНОЕ УСКОРЕНИЕ.
В итоге, имеем выражение для полного ускорения материальной точки:
W = We + Wr + (2ω × Vr) . …..……………………………………….……. (31)
Ускорение, определяемое членом (2ω × Vr), называется поворотным или кориолисовым ускорением, т.е. кориолисово ускорение точки равно удвоенному векторному произведению угловой скорости перносного движения на скорость точки в её относительном движении:
Итак, имеем
W = We + Wr + Wc. -Абсолютное (полное) ускорение относительно неподвижной СК …... (33)
где: Wr = (dVr/dt)отн.=(d2rx/dt2) i + (d2ry/dt2) j + (d2rz/dt2) k. -Относительное ускорение(28)
We = WA + ((dω/dt) × r) + (ω × (ω × r)). –Переносное ускорение(30)
Wс = (2ω × Vr). - Кориолисово ускорение ……..………………… .………………..(34)
Это и есть содержание теоремы Кориолиса: Абсолютное ускорение точки можно рассматривать как геометрическую сумму переносного, относительного и кориолисова ускорений за счёт введения в рассмотрение подвижной СК, начало которой обладает линейной переносной скоростью ( VA ) и ускорением ( WA ), а также вращается с угловой скоростью (ω), имеющей в общем виде и угловое ускорении( dω/dt ) и при наличии скорости перемещения рассматриваемой точки относительного подвижной СК (Vr). Направление кориолисова ускорения определяется как и для всех векторных произведения в помощью правила правой руки, описанного в начале статьи (см. справку под выр.(8).
3.4 Применение основных теорем механики в неинерциальных системах отсчёта
(Данный раздел написан по материалам §8.гл.3 книги «Классическая механика» М.А.Айзерман.стр.106-110).
Рассмотрим движение материальной точки в неинерциальной системы в сравнении с её же движением относительно инерциальной системы. Наблюдатель, находящийся в инерциальной СК, имеет право для изучения динамики движения тоски применять законы механики и в частности второй закон Ньютона:
mi Wi = Fi. ………………………………………………………………………. (35)
где Wi – проекции ускорения точки относительно инерциальной системы на её оси x,y,z.
Попытка применить второй закон в неинерциальной системе приведёт к тому, что закон Ньютона не будет выполняться, т.к. умножение массы точки на ускорение, которое наблюдается в неинерциальной системе, приведёт к получению силы отличающейся от реально действующей на точку силы в законе (35). Разница вызвана появлением дополнительных ускорений в неинерциальной системе (см.выр. 33,28,30 и34), вызванных неинерциальностью системы: вращением осей системы координат с угловой скоростью (ω) и наличием линейного ускорения у начала сиcтему координат (WA). Движение точки mi можно считать сложным движением:
Движение точки mi относительно инерциальной системы можно рассматривать как АБСОЛЮТНОЕ, движение точки mi относительно неинерциальной системы – как ОТНОСИТЕЛЬНОЕ, а движение неинерциальной системы относительно инерциальной системы отсчёта – как ПЕРЕНОСНОЕ. Тогда в соответствии с выр.33:
W (абс) = We (пер) + Wr (отн.) + Wc (кор.) ………………………………………………… (36)
В качестве ускорения в левой части выр.36 фигурирует ускорение точки mi относительно инерциальной системы, т.е. как раз то ускорение, которое теперь, рассматривая движение точки mi как сложное, мы назвали АБСОЛЮТНЫМ, подставляя выр.36 во второй закон Ньютона (выр.35), получаем:
mi (We (пер) + Wr (отн.) + Wc (кор.)) = Fi.
Перепишем это соотношение для определения ОТНОСИТЕЛЬНОГО ускорения, что позволит записать второй закон Ньютона применительно к НЕИНЕРЦИАЛЬНОЙ системе отсчёта:
mi Wr (отн.) = Fi - mi We (пер.) - mi Wc (кор.) ………………………………………… (37)
*) Примечание: Для инженерного применения больше подходит вариант выр. 37 БЕЗ ПЕРЕХОДА к инерционным силам, а сразу в ускорениях для каждого из рассматриваемого i-го тела системы тел:
Wri (отн.) = Fi / mi - Wei (пер.) - Wci (кор.) ……………………………………..……… (38)
Формулу (37) можно трактовать как запись второго закона Ньютона применительно к НЕИНЕРЦИАЛЬНОЙ системе отсчёта. В правой части появляются два новых члена в виде двух «сил» переносной (Ji пер) и кориолисовой (Ji кор), поскольку имеют размерность силы как произведение массы тела на ускорение, и в итоге получаем:
mi Wr (отн.) = Fi + Ji пер. + Ji кор. ……………….……………………………………..… (39)
где: Ji пер. = - mi We (пер.), Ji кор. = - mi Wc (кор.) ……….. (40)
Новые два вектора в правой части формулы (38) имеют размерность силы и называются СИЛАМИ ИНЕРЦИИ: вектор Ji пер. называется ПЕРЕНОСНОЙ силой инерции, а вектор Ji кор. – КОРИЛИСОВОЙ силой инерции. Обратите внимание, что НАПРАВЛЕНИЕ сил инерции ПРОТИВОПОЛОЖНО направлению соответствующих ускорений!
Таким образом, мы установили, что второй закон Ньютона может быть применён и в неинерциальных системах отсчёта, если к силам, действующим на каждую точку , добавить переносную и кориолисову силы инерции!
Если все силы делятся на внешние и внутренние, то СИЛЫ ИНЕРЦИИ ОТНОСЯТСЯ К ВНЕШНИМ СИЛАМ. Так, например, теорему об изменении количества движения и теорему об изменении кинетического момента, можно записать так:
(dQ/dt) = Fвнешняя + Ji пер. + Ji кор. ……………….…………………………………………….… (41)
(dKА/dt) = MA внеш. + MA Jпер + MA Jкор. ……………………………………………….…. (42)
Для нас представляет особый интерес ЦЕНТРАЛЬНАЯ СИСТЕМА ОТСЧЁТА, расположенная в центре масс системы тел и которая движется поступательно относительно инерциальной системы так, что в любой момент времени скорость (ускорение) всех её точек СОВПАДАЕТ со скоростью (ускорением) ЦЕНТРА ИНЕРЦИИ рассматриваемой системы материальных точек. В центральной системе КОРИОЛИСОВЫХ сил НЕТ ( так как переносное движение ПОСТУПАТЕЛЬНО и ω = 0) и для связанного с ней наблюдателя центр инерции рассматриваемой системы материальных точек НЕПОДВИЖЕН (Vc = Wc = 0). Поэтому для такого наблюдателя из формулы Q = M (dVc/dt) = 0 всегда (т.е. не только для замкнутых систем, но и при любых внешних силах!): количество движения системы СОХРАНЯЕТСЯ равным нулю во время движения. Из теоремы о движении центра инерции:
M (dVc/dt) = R = Rвнешн. + Jпер. = 0.
следует, что в центральной системе главный вектор все сил, приложенных к точкам системы (включая силы инерции) равен нулю.
Георгий 04.02.2020г 23ч 50мин. Время моск.
P.S. В следующей теме будут проанализированы все виды ускорений, появляющихся в неинерциальных системах отсчёта в теореме Кориолиса с акцентом на анализ кориолисова ускорения, вызывающего интересные дискуссии о «правильности» выражения для него, поскольку многих смущает множитель 2 в выражении для кориолисова ускорения (2ω × Vr) особенно в случае, когда вектор относительной скорости Vr направлен тангенциально, т.е перпендикулярно радиусу-вектору рассматриваемой точки и его ускорение совпадает по направлению и накладывается на центростремительное ускорение, вызываемое обычным вращением точки, относительно начала подвижной системы координат с угловой скоростью систем ω, но кориолисово ускорение при этом превышает по своей величине в 2 раза обычное центростремительное вращательное ускорение.