Неинерциальные системы отсчета. Силы инерции

Как уже отмечалось (см. § 5,6), законы Ньютона выполняются только в инерциальных системах отсчета. Системы отсче­та, движущиеся относительно инерциальной системы с ускорением, называются неинерциальными. В неинерциальных системах законы Ньютона, вообще говоря, уже несправедливы. Однако законы дина­мики можно применять и для них, если кроме сил, обусловленных воздействием тел друг на друга, ввести в рассмотрение силы особого рода — так называемые си­лы инерции.

Если учесть силы инерции, то второй закон Ньютона будет справедлив для лю­бой системы отсчета: произведение массы тела на ускорение в рассматриваемой системе отсчета равно сумме всех сил, действующих на данное тело (включая

 

 

и силы инерции). Силы инерции F _ин при этом должны быть такими, чтобы вместе с силами F, обусловленными воздействием тел друг на друга, они сообщали телу ускорение а ', каким оно обладает в неи­нерциальных системах отсчета, т. е.

m а ' = F + F _ин. (27.1)

Так как F =m a (a — ускорение тела в инерциальной системе отсчета), то

m a ' = m a + F _ин.

Силы инерции обусловлены ускорен­ным движением системы отсчета относи­тельно измеряемой системы, поэтому в об­щем случае нужно учитывать следующие случаи проявления этих сил: 1) силы инер­ции при ускоренном поступательном дви­жении системы отсчета; 2) силы инерции, действующие на тело, покоящееся во вра­щающейся системе отсчета; 3) силы инер­ции, действующие на тело, движущееся во вращающейся системе отсчета.

Рассмотрим эти случаи.

1. Силы инерции при ускоренном поступа­тельном движении системы отсчета. Пусть на тележке к штативу на нити подвешен шарик массой т (рис. 40). Пока тележка покоится или движется равномерно и прямолинейно, нить, удерживающая шарик, занимает вертикальное положение и сила тяжести Р уравновешивается реакцией нити Т.

Если тележку привести в поступательное движение с ускорением а ₀, то нить начнет откло­няться от вертикали назад до такого угла а, пока результирующая сила F = P + T не обеспе­чит ускорение шарика, равное а₀. Таким обра­зом, результирующая сила F направлена в сто­рону ускорения тележки а ₀ и для установивше­гося движения шарика (шарик теперь движется вместе с тележкой с ускорением а ₀)равна

F = mg tga=ma₀,

откуда угол отклонения нити от вертикали tga=a₀/g,

т. е. тем больше, чем больше ускорение тележки. Относительно системы отсчета, связанной с ускоренно движущейся тележкой, шарик по­коится, что возможно, если сила F уравновеши­вается равной и противоположно направленной ей силой F _и, которая является ничем иным, как силой инерции, так как на шарик никакие дру­гие силы не действуют. Таким образом,

F _и=-m a ₀. (27.2)

Проявление сил инерции при поступатель­ном движении наблюдается в повседневных яв­лениях. Например, когда поезд набирает ско­рость, то пассажир, сидящий по ходу поезда, под действием силы инерции прижимается к спинке сиденья. Наоборот, при торможении поезда сила инерции направлена в противоположную сторо­ну и пассажир отделяется от спинки сиденья. Особенно эти силы заметны при внезапном тор­можении поезда. Силы инерции проявляются в перегрузках, которые возникают при запуске и торможении космических кораблей.

2. Силы инерции, действующие на тело, покоящееся во вращающейся системе отсчета. Пусть диск равномерно вращается с угловой скоростью w(w=const) вокруг вертикальной оси, проходящей через его центр. На диске, на разных расстояниях от оси вращения, установ­лены маятники (на нитях подвешены шарики массой m). При вращении маятников вместе с диском шарики отклоняются от вертикали на некоторый угол (рис.41).

В инерциальной системе отсчета, связан­ной, например, с помещением, где установлен диск, шарик равномерно вращается по окруж­ности радиусом R (расстояние от точки крепле­ния маятника к диску до оси вращения). Следо­вательно, на него действует сила, равная F = mw² R и направленная перпендикулярно оси вращения диска. Она является равнодействую­щей силы тяжести Р и силы натяжения нити Т: F=P+T, Когда движение шарика установит-

 

ся, то F=mgtgalfa=mw²R, откуда tgalfa=w²R/g,

т. е. углы отклонения нитей маятников будут тем больше, чем больше расстояние К от шари­ка до оси вращения диска и чем больше угловая скорость вращения w.

Относительно системы отсчета, связанной с вращающимся диском, шарик покоится, что возможно, если сила F уравновешивается рав­ной и противоположно направленной ей силой F _и, которая является ничем иным, как силой инерции, гак как на шарик никакие другие силы не действуют. Сила F _ц, называемая центробеж­ной силой инерции, направлена по горизонтали от оси вращения диска и равна

F_ц=-mw²R. (27.3)

Действию центробежных сил инерции под­вергаются, например, пассажиры в движущем­ся транспорте на поворотах, летчики при выпол­нении фигур высшего пилотажа; центробежные силы инерции используются во всех центробеж­ных механизмах: насосах, сепараторах и т. д., где они достигают огромных значений. При проектировании быстро вращающихся деталей машин (роторов, винтов самолетов и т. д.) при­нимаются специальные меры для уравновеши­вания центробежных сил инерции.

Из формулы (27.3) вытекает, что центро­бежная сила инерции, действующая на тела во вращающихся системах отсчета в направлении радиуса от оси вращения, зависит от угловой скорости вращения и системы отсчета и радиу­са R, но не зависит от скорости тел относитель­но вращающихся систем отсчета. Следователь­но, центробежная сила инерции действует во вращающихся системах отсчета на все тела, удаленные от оси вращения на конечное рассто­яние, независимо от того, покоятся ли они в этой системе (как мы предполагали до сих пор) или движутся относительно нее с какой-то скоростью.

3. Силы инерции, действующие на тело, движущееся во вращающейся системе отсчета. Пусть шарик массой т движется с постоянной скоростью v' вдоль радиуса равномерно враща­ющегося диска (v’ = const, w=const, v'┴w). Если диск не вращается, то шарик, направлен­ный вдоль радиуса, движется по радиальной прямой и попадает в точку А, если же диск привести во вращение в направлении, указан­ном стрелкой, то шарик катится по кривой 0В (рис. 42, а), причем его скорость v' относитель­но диска изменяет свое направление. Это воз­можно лишь тогда, если на шарик действует сила, перпендикулярная скорости v'.

Для того чтобы заставить шарик катиться по вращающемуся диску вдоль радиуса, исполь­зуем жестко укрепленный вдоль радиуса диска стержень, на котором шарик движется без тре­ния равномерно и прямолинейно со скоростью v' (рис. 42,б). При отклонении шарика стержень действует на него с некоторой силой F. Относи­тельно диска (вращающейся системы отсчета) шарик движется равномерно и прямолинейно, что можно объяснить тем, что сила F уравнове­шивается приложенной к шарику силой инер­ции F _K, перпендикулярной скорости v'. Эта си­ла называется кориолисовой силой инерции.

Можно показать, что сила Кориолиса

Вектор f _k перпендикулярен векторам скорости v' тела и угловой скорости вращения w системы отсчета в соответствии с правилом правого винта.

Сила Кориолиса действует только на тела, движущиеся относительно вращающейся систе­мы отсчета, например относительно Земли. Поэтому действием этих сил объясняется ряд на­блюдаемых на Земле явлений. Так, если тело движется в северном полушарии на север (рис. 43), то действующая на него сила Корио­лиса, как это следует из выражения (27.4), будет направлена вправо по отношению к на­правлению движения, т. е. тело несколько от­клонится на восток. Если тело движется на юг. то сила Кориолиса также действует вправо, если смотреть по направлению движения, т. е. тело отклонится на запад. Поэтому в север­ном полушарии наблюдается более сильное под­мывание правых берегов рек; правые рельсы железнодорожных путей по движению изнаши-

 

ваются быстрее, чем левые, и т. д. Аналогично можно показать, что в южном полушарии сила Кориолиса, действующая на движущиеся тела, будет направлена влево по отношению к на­правлению движения.

Благодаря силе Кориолиса падающие на поверхность Земли тела отклоняются к востоку (на широте 60° это отклонение должно состав­лять 1 см при падении с высоты 100 м). С си­лой Кориолиса связано поведение маятника Фу­ко, явившееся в свое время одним из доказа­тельств вращения Земли. Если бы этой силы не было, то плоскость колебаний качающегося вблизи поверхности Земли маятника оставалась бы неизменной (относительно Земли). Действие же сил Кориолиса приводит к вращению плоскости колебаний вокруг вертикального на­правления.

Раскрывая содержание F _ин в формуле

(27.1), получим основной закон динамики для неинерциальных систем отсчета:

m а '= F + F _и+ F _ц+ F _K, где силы инерции задаются формулами

(27.2) — (27.4).

Обратим еще раз внимание на то, что силы инерции вызываются не взаимодей­ствием тел, а ускоренным движением системы отсчета. Поэтому они не подчиня­ются третьему закону Ньютона, так как если на какое-либо тело действует сила инерции, то не существует противодей­ствующей силы, приложенной к данному телу. Два основных положения механики, согласно которым ускорение всегда вы­зывается силой, а сила всегда обусловле­на взаимодействием между телами, в системах отсчета, движущихся с ускоре­нием, одновременно не выполняются.

Для любого из тел, находящихся в не­инерциальной системе отсчета, силы инер­ции являются внешними; следовательно, здесь нет замкнутых систем. Это означает,

что в неинерциальных системах отсчета не выполняются законы сохранения импуль­са, энергии и момента импульса. Таким образом, силы инерции действуют только в неинерциальных системах. В инерциаль­ных системах отсчета таких сил не су­ществует.

Возникает вопрос о «реальности» или «фик­тивности» сил инерции. В ньютоновской механи­ке, согласно которой сила есть результат взаи­модействия тел, на силы инерции можно смот­реть как на «фиктивные», «исчезающие» в инерциальных системах отсчета. Однако воз­можна и другая их интерпретация. Так как взаимодействия тел осуществляются посредст­вом силовых полей, то силы инерции рассматри­ваются как воздействия, которым подвергаются тела со стороны каких-то реальных силовых полей, и тогда их можно считать «реальными». Независимо от того, рассматриваются ли силы инерции в качестве «фиктивных» или «реаль­ных», многие явления, о которых упоминалось в настоящем параграфе, объясняются с по­мощью сил инерции.

Силы инерции, действующие на тела в неи­нерциальной системе отсчета, пропорциональны их массам и при прочих равных условиях со­общают этим телам одинаковые ускорения. По­этому в «поле сил инерции» эти тела движутся совершенно одинаково, если только одинаковы начальные условия. Тем же свойством облада­ют тела, находящиеся под действием сил поля тяготения.

При некоторых условиях силы инерции и силы тяготения невозможно различить. Напри­мер, движение тел в равноускоренном лифте происходит точно так же, как и в неподвижном лифте, висящем в однородном поле тяжести. Никакой эксперимент, выполненный внутри лифта, не может отделить однородное поле тя­готения от однородного поля сил инерции.

Аналогия между силами тяготения и силами инерции лежит в основе принципа эквивалентности гравитационных сил и сил инерции (принципа эквивалентности Эйнштейна): все физические явления в по­ле тяготения происходят совершенно так же, как и в соответствующем поле сил инерции, если напряженности обоих полей в соответствующих точках пространства совпадают, а прочие начальные условия для рассматриваемых тел одинаковы. Этот принцип является основой общей теории относительности.

Контрольные вопросы

• Как определяется гравитационная постоянная и каков ее физический смысл?

• Что такое вес тела? В чем отличие веса тела от силы тяжести?

• Как объяснить возникновение невесомости при свободном падении?

• Что такое напряженность поля тяготения?

• Какое поле тяготения называется однородным? центральным?

• Какие величины вводятся для характеристики поля тяготения и какова связь между ними?

Дайте их определения. в Известно, что сила тяготения пропорциональна массе тела. Почему же тяжелое тело не падает

быстрее легкого?

•Покажите, что силы тяготения консервативны. ® Чему равно максимальное значение потенциальной энергии системы из двух тел, находящихся

в поле тяготения? Когда оно достигается?

• Какие траектории движения имеют спутники, получившие первую и вторую космические скоро­сти?

• Как вычисляются первая и вторая космические скорости? е Когда и почему необходимо рассматривать силы инерции?

• Что такое силы инерции? Чем они отличаются от сил, действующих в инерциальных системах

отсчета? в Как направлены центробежная сила инерции и сила Кориолиса? Когда они проявляются? От

чего зависят?

• В северном полушарии производится выстрел вдоль меридиана на север. Как скажется на

движении снаряда суточное вращение Земли?

• Сформулируйте и поясните принцип эквивалентности Эйнштейна.

Задачи

5.1. Два одинаковых однородных шара из одинакового материала, соприкасаясь друг с другом, притягиваются. Определить, как изменится сила притяжения, если массу шаров увеличить в n=4 раза. [Возрастет в 6,35 раза]

5.2. Плотность вещества некоторой шарообразной планеты составляет 3 г/см³. Каким должен быть период обращения планеты вокруг собственной оси, чтобы на экваторе тела были не­весомыми? [T=Ö(Зp/(Gr))=1,9 ч]

5.3. Определить, в какой точке (считая от Земли) на прямой, соединяющей центры Земли и Луны, напряженность поля тяготения равна нулю. Расстояние между центрами Земли и Луны равно R, масса Земли в 81 раз больше массы Луны. [0,9 R]

5.4. Два одинаковых однородных шара из одинакового материала соприкасаются друг с другом. Определить, как изменится потенциальная энергия их гравитационного взаимодействия, если массу шаров увеличить в четыре раза. [Возрастет в 14,6 раза]

5.5. Два спутника одинаковой массы движутся вокруг Земли по круговым орбитам радиусов R₁ и R₂. Определить: 1) отношение полных энергий спутников E ₁ /E ₂;2) отношение их моментов импульса L ₁ /L₂. [1) R ₂ /R ₁; 2) Ö(R₁/R₂)]

5.6. Вагон катится вдоль горизонтального участка дороги. Сила трения составляет 20% от веса вагона. К потолку вагона на нити подвешен шарик массой 10 г. Определить: 1) силу, дей­ствующую на нить; 2) угол отклонения нити от вертикали. [1) 0,10 Н; 2) 11˚35']

5.7. Тело массой 1,5 кг, падая свободно в течение 5 с, попадает на Землю в точку с географиче­ской широтой fi=45°. Учитывая вращение Земли, нарисовать и определить все силы, дей­ствующие на тело в момент его падения на Землю. [ 1) 14,7 Н; 2) 35,7 Н; 3) 7,57 мН ]