Сила инерции

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Файл:Kettenkarussel.jpg
Наблюдатель, вращающийся вместе с каруселью, может объяснить отклонение кресел на аттракционе действием центробежной силы инерции

Си́ла ине́рции (также инерционная сила) — многозначное понятие, применяемое в механике по отношению к трём различным физическим величинам. Одна из них — «даламберова сила инерции»Шаблон:Переход — вводится в инерциальных системах отсчёта для получения формальной возможности записи уравнений динамики в виде более простых уравнений статики. Другая — «эйлерова сила инерции»Шаблон:Переход — используется при рассмотрении движения тел в неинерциальных системах отсчёта<ref name="ФЭ-СИнерции">Шаблон:Книга</ref> <ref>Шаблон:БРЭ</ref>. Наконец, третья — «ньютонова сила инерции»Шаблон:Переход — сила противодействия, рассматриваемая в связи с третьим законом Ньютона<ref name="Ишлинский-15">Шаблон:Книга</ref>.

Общим для всех трёх величин является их векторный характер и размерность силы. Кроме того, первые две величины объединяет возможность их использования в уравнениях движения, по форме совпадающих с уравнением второго закона Ньютона<ref name="ФЭ-СИнерции" /><ref name="Sav">Савельев И. В. Курс общей физики. Том 1. Механика. Молекулярная физика. — М., Наука, 1987. — Тираж 233000 экз. — с. 119—120</ref><ref name="Land">Ландсберг Г. С. Элементарный учебник физики. Том 1. Механика. Теплота. Молекулярная физика. — М., Наука, 1975. — Тираж 350000 экз. — с. 291—292</ref>, а также их пропорциональность массе тел<ref>Кошкин Н. И., Ширкевич М. Г. Справочник по элементарной физике.- М., Наука, 1988. — Тираж 300000 экз. — с. 33</ref><ref name="Sav"></ref><ref name="Land"></ref>.

Терминология

Русскоязычный термин «сила инерции» произошёл от французского словосочетания фр. force d'inertie. Термин применяется для описания трёх различных векторных физических величин, имеющих размерность силы:

  • величин, которые вводят при описании движения тел в неинерциальных система отсчёта — «эйлеровы силы инерции»;
  • величины, используемой в принципе Д’Аламбера — «даламберова сила инерции»;
  • силы-противодействия из третьего закона Ньютона — «ньютонова сила инерции».

Определения «эйлерова», «даламберова» и «ньютонова» предложены академиком А. Ю. Ишлинским<ref name="Ишлинский-14-18">Шаблон:Книга</ref><ref name="Ишлинский-Сб">Шаблон:Статья</ref>. Они используются в литературе, хотя и не получили пока повсеместного распространения. Далее используется данная терминология, позволяющая сделать изложение более сжатым и ясным.

Эйлерова сила инерции в общем случае складывается из нескольких составляющих различного происхождения, которым также присвоены специальные наименования («переносная», «кориолисова» и др.). Более детально об этом говорится в соответствующем разделе ниже.

В других языках используемые названия сил инерции более явно указывают на их особые свойства: в немецком нем. Scheinkraft<ref name="WG">Walter Greiner Klassische Mechanik II. Wissenschaftlicher Verlag Harri Deutsch GmbH. Frankfurt am Main. 2008 ISBN 978-3-8171-1828-1</ref> («мнимая», «кажущаяся», «видимая», «ложная», «фиктивная» сила), в английском англ. Шаблон:Lang-en2<ref name="RPF"> ^Richard Phillips Feynman, Leighton R. B. & Sands M. L. (2006). The Feynman Lectures on Physics. San Francisco: Pearson/Addison-Wesley. Vol. I, section 12-5. ISBN 0-8053-9049-9. https://books.google.com/books?id=zUt7AAAACAAJ& <=intitle:Feynman+intitle:Lectures+intitle: on+intitle:Physics&lr=&as_brr=0.</ref>(«псевдосила») или англ. Шаблон:Lang-en2 («фиктивная сила»). Реже в английском используются названия «сила д’Аламбера» (англ. Шаблон:Lang-en2<ref name="CL">^Cornelius Lanczos (1986). The Variational Principles of Mechanics. New York: Courier Dover Publications. p. 100. ISBN 0-486-65067-7. https://books.google.com/books?id=ZWoYYr8wk2IC&pg=PA103&dq=%22Euler+force%22&lr=&as_brr=0&sig=UV46Q9NIrYWwn5EmYpPv-LPuZd0#PPA100,M1 Шаблон:Wayback.</ref>) и «инерционная сила» (англ. Шаблон:Lang-en2<ref name="MB">^ Max Born & Günther Leibfried (1962). Einstein’s Theory of Relativity. New York: Courier Dover Publications. pp. 76-78. ISBN 0-486-60769-0. https://books.google.com/books?id=Afeff9XNwgoC&pg=PA76&dq=%22inertial+forces%22&lr=&as_brr=0&sig=0kiN27BqUqHaZ9CkPdqLIjr-Nnw#PPA77,M1 Шаблон:Wayback.</ref>). В литературе, издаваемой на русском языке, по отношению к эйлеровой и даламберовой силам также используют аналогичные характеристики, называя эти силы «фиктивными»<ref name="Зоммерфельд2">Шаблон:Книга</ref>, «кажущимися»<ref name="Борн">Шаблон:Книга</ref>, «воображаемыми»<ref name="Ишлинский-Сб"/> или «псевдосилами»<ref name="Фейнман">Шаблон:Книга</ref>.

Одновременно с этим в литературе иногда подчёркивают реальность сил инерции<ref>Седов Л. И. Об основных моделях механики. М.: МГУ, 1992. Стр 17.; Седов Л. И. Очерки, связанные с основами механики и физики. М.: Знание, 1983. Стр 19.</ref><ref>Матвеев А. Н. Механика и теория относительности. М.: Высшая школа, 1979. Стр 393. (в 3-е изд. 2003. Стр.393)</ref>, противопоставляя значение данного термина значению термина фиктивность. При этом, однако, различные авторы вкладывают в эти слова различный смысл, и силы инерции оказываются реальными или фиктивными не из-за отличий в понимании их основных свойств, а в зависимости от избранных определений. Такое употребление терминологии некоторые авторы считают неудачным и рекомендуют просто избегать его в учебном процессе<ref>[1] Шаблон:Wayback. Вестник высшей школы. Советская наука, 1987. С. 248.</ref><ref>А. Ишлинский при переиздании своей работы удалил эти термины («Классическая механика и силы инерции», 1987, с. 279): … термин «реальная сила» и «фиктивная сила» понимались по-разному. Считаю, что лучше не спорить на эту тему и от упомянутых слов вообще отказаться.</ref>.

Хотя дискуссия по поводу терминологии ещё не закончена, имеющиеся разногласия не влияют на математическую формулировку уравнений движения с участием сил инерции и не приводят к возникновению каких-либо недоразумений при использовании уравнений на практике.

Силы в классической механике

Шаблон:Main

В классической механике представления о силах и их свойствах основываются на законах Ньютона и неразрывно связаны с понятием «инерциальная система отсчёта». Хотя в наименованиях эйлеровых и даламберовых сил инерции содержится слово сила, эти физические величины силами в смысле, принятом в механике, не являются<ref>«„Силы инерции“ — не силы». Шаблон:Книга</ref><ref name="Фейнман" />.

Действительно, физическая величина, называемая силой, вводится в рассмотрение вторым законом Ньютона, при этом сам закон формулируется только для инерциальных систем отсчёта<ref name="Тарг">Шаблон:Книга</ref>. Соответственно, понятие силы оказывается определённым только для таких систем отсчёта<ref name=" Журавлёв-19">Шаблон:Книга</ref>.

Уравнение второго закона Ньютона, связывающее ускорение <math >\vec a</math> и массу <math>m</math> материальной точки с действующей на неё силой <math >\vec F</math>, записывается в виде

<math >\vec a = \frac{\vec F}{m}.</math>

Из уравнения непосредственно следует, что причиной ускорения тел являются только силы, и наоборот: действие на тело не скомпенсированных сил обязательно вызывает его ускорение.

Третий закон Ньютона дополняет и развивает сказанное о силах во втором законе.

Учёт содержания всех законов Ньютона приводит к заключению о том, что силы, о которых идёт речь в классической механике, обладают неотъемлемыми свойствами:

  • сила есть мера механического действия на данное материальное тело других тел.<ref name="ФЭ4-Сила">Шаблон:Книга</ref>
  • в соответствии с третьим законом Ньютона силы способны существовать лишь попарно, при этом природа сил в каждой такой паре одинакова<ref name="Зоммерфельд">Шаблон:Книга</ref><ref>Шаблон:Книга</ref>.
  • любая сила, действующая на тело, имеет источник происхождения в виде другого тела. Иначе говоря, силы обязательно представляют собой результат взаимодействия тел<ref name="Kleppner">Шаблон:Книга Шаблон:Cite web</ref>.

Никакие другие силы в классической механике в рассмотрение не вводятся и не используются<ref name="Журавлёв-19" /><ref>Встречается утверждение, что применительно к силе Лоренца сказанное не верно и требует дополнительного уточнения (Матвеев А. Н. Механика и теория относительности. — 3-е изд. — М. Высшая школа 1976. — С. 132). Согласно другой точке зрения, «в электродинамике силы противодействия силам Лоренца приложены к электромагнитному полю (ещё недавно некоторые видные учёные считали, что сила Лоренца не удовлетворяет закону действия и противодействия) как к физическому объекту, претерпевающему соответствующее влияние» (Седов, Очерки, с. 17).</ref>. Возможность существования сил, возникших самостоятельно, без взаимодействующих тел, механикой не допускается<ref name="Kleppner" /><ref name="Ишлинский-8">Шаблон:Книга</ref>.

Ньютоновы силы инерции

Некоторые авторы используют термин «сила инерции» для обозначения силы-противодействия из третьего закона Ньютона. Понятие было введено Ньютоном в его «Математических началах натуральной философии»<ref name="СЭХ"> Хайкин, Семён Эммануилович. Силы инерции и невесомость. — 1. — М., «Наука». Главная редакция физико-математической литературы. 1967 г..— С. 129—130, 188—189. — 312 с.</ref>: «Врождённая сила материи есть присущая ей способность сопротивления, по которой всякое отдельно взятое тело, поскольку оно предоставлено самому себе, удерживает своё состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. От инерции материи происходит, что всякое тело лишь с трудом выводится из своего покоя или движения. Поэтому врожденная сила могла бы быть весьма вразумительно названа силою инерции. Эта сила проявляется телом единственно лишь, когда другая сила, к нему приложенная, производит изменение в его состоянии. Проявление этой силы может быть рассматриваемо двояко — и как сопротивление, и как напор.», а собственно термин «сила инерции» был, по словам Эйлера, впервые употреблён в этом значении Кеплером(<ref name="СЭХ"/>, со ссылкой на Е. Л. Николаи).

Для обозначения этой силы-противодействия (действующей на ускоряющее тело со стороны ускоряемого тела<ref name="СЭХ" />) некоторые авторы предлагают использовать термин «ньютонова сила инерции» во избежание путаницы с фиктивными силами, применяемыми при вычислениях в неинерциальных системах отсчёта и при использовании принципа д’Аламбера.

Отголоском мистических и теологических взглядов Ньютона<ref>Шаблон:Cite web</ref> является применённая им терминология при описании силы инерции: «врождённая сила материи», «сопротивление». Такой подход к описанию ньютоновской силы инерции хотя и сохранился в современном обиходеШаблон:Где, однако является нежелательным, поскольку вызывает ассоциации с некой способностью тела сопротивляться изменениям, волевым усилием сохранить параметры движения. Максвелл заметил, что с таким же успехом можно было бы сказать, что кофе сопротивляется тому, чтобы стать сладким, так как сладким он становится не сам по себе, а лишь после добавления сахара<ref name="СЭХ"/>.

Эйлеровы силы инерции

Шаблон:Main Шаблон:Якорь Уравнение движения материальной точки в инерциальной системе координат (ИСО), представляющее собой уравнение 2-го закона Ньютона

<math> m \mathbf{{a}_0} = \mathbf{F}, </math>

в неинерциальной системе отсчёта (НСО) приобретает четыре дополнительных члена с размерностью силы — так называемые «силы инерции»<ref>Шаблон:Книга</ref>, иногда называемые «эйлеровыми»:

<math> m \mathbf{a} = \mathbf{F} - m \frac {d \mathbf{V}} {dt} + m [\mathbf{r} \frac {d \mathbf{\Omega}} {dt}] + 2 m [\mathbf{v} \mathbf{\Omega}] + m [\mathbf{\Omega}[\mathbf{r} \mathbf{\Omega}]], </math>

где:

Классификация

Четыре дополнительных члена в уравнении движения принято рассматривать как отдельные силы инерции, которые получили собственные названия:

  1. <math> -m \frac {d \mathbf{V}} {dt}</math> называется поступательной силой инерции. Сила связана с линейным ускорением НСО<ref name=egorov>Егоров Г. В. О силах инерции Шаблон:Wayback // Вестник БГУ. 2013. № 1.</ref> и противонаправлена ему;
  2. <math>m [\mathbf{r} \frac {d \mathbf{\Omega}} {dt}]</math> называется вращательной силой инерции. Сила связана с угловым ускорением НСО<ref name=egorov/>;
  3. <math>m [\mathbf{\Omega}[\mathbf{r} \mathbf{\Omega}]]</math> называется центробежной силой. Сила связана с вращением НСО и потому проявляется и в случае равномерного вращенияШаблон:Sfn;
  4. <math>2 m [\mathbf{v} \mathbf{\Omega}]</math> называется силой КориолисаШаблон:Sfn.

Первые три силы, не связанные с движением точки, объединяются термином «переносные силы инерции»<ref name=egorov/>.

Примеры использования

В некоторых случаях при расчётах удобно использовать неинерциальную систему отсчёта, например:

  • движение подвижных деталей автомобиля удобно описывать в системе координат, связанных с автомобилем. В случае ускорения автомобиля эта система становится неинерциальной;
  • движение тела по круговой траектории иногда удобно описывать в системе координат, связанной с этим телом. Такая система координат неинерциальна из-за центростремительного ускорения.

В неинерциальных системах отсчёта стандартные формулировки законов Ньютона неприменимы. Так при ускорении автомобиля, в системе координат, связанной с корпусом автомобиля, незакреплённые предметы внутри получают ускорение в отсутствие какой-либо силы, прикладываемой непосредственно к ним; а при движении тела по орбите, в связанной с телом неинерциальной системе координат тело покоится, хотя на него действует ничем не сбалансированная сила гравитации, выступавшая в качестве центростремительной в той инерциальной системе координат, в которой наблюдалось вращение по орбите.

Для восстановления возможности применения в этих случаях привычных формулировок законов Ньютона и связанных с ними уравнений движения для каждого рассматриваемого тела оказывается удобно ввести фиктивную силу — силу инерции — пропорциональную массе этого тела и величине ускорения системы координат, и противонаправленную вектору этого ускорения.

С использованием этой фиктивной силы появляется возможность краткого описания реально наблюдаемых эффектов в неинерциальной системе отсчёта (в разгоняющемся автомобиле): «почему при разгоне автомобиля пассажира прижимает к спинке сиденья?» — «на тело пассажира действует сила инерции». В инерциальной системе координат, связанной с дорогой, сила инерции для объяснения происходящего не требуется: тело пассажира в ней ускоряется (вместе с автомобилем), и это ускорение производит сила, с которой сиденье действует на пассажира.

Сила инерции на поверхности Земли

Файл:Earth Rotation+.jpg
Условно совмещённая картина действующих сил для наземного (неинерциальная система отсчёта) и стороннего (ИСО) наблюдателей.

В инерциальной системе отсчёта (наблюдатель вне Земли) тело, находящееся на поверхности Земли, испытывает центростремительное ускорение <math>a_c</math>, по величине совпадающее с ускорением точек поверхности Земли, вызванным её суточным вращением. Это ускорение, в соответствии со вторым законом Ньютона, определяется воздействующей на тело центростремительной силой <math>c</math> (зелёный вектор). Последняя складывается из силы гравитационного притяжения к центру Земли <math>g_0</math> (красный вектор) и силы реакции опоры <math>b</math> (чёрный вектор)<ref name="КАИ">Китайгородский А. И. Введение в физику. М:Изд.-во «Наука», гл.ред.физико-математической литературы.1973</ref>. Таким образом, уравнение второго закона Ньютона для рассматриваемого тела в случае инерциальной системы отсчёта имеет вид <math>ma_c=c</math> или, что то же самое, <math>ma_c=g_0+b</math>.

Для наблюдателя, вращающегося вместе с Землёй, тело неподвижно, хотя на него действуют в точности те же силы, что и в предыдущем случае: сила гравитации <math>g_0</math> и реакция опоры <math>b</math>. Противоречия здесь не возникает, поскольку в неинерциальной системе отсчёта, каковой является вращающаяся Земля, применять второй закон Ньютона в обычной форме неправомерно. Вместе с тем в неинерциальной системе отсчёта возможно ввести в рассмотрение силы инерции. В данном случае единственной силой инерции является центробежная сила <math>a</math> (синий вектор), равная произведению массы тела на его ускорение в инерциальной системе отсчёта, взятому со знаком минус, то есть <math>-ma_c</math>. После введения этой силы уравнение движения тела, приведённое выше, преобразуется в уравнение равновесия тела, имеющее вид <math>g_0+a + b=0</math>.

Сумму сил гравитации <math>g_0</math> и центробежной силы инерции <math>a</math> называют силой тяжести <math>g</math> (жёлтый вектор)<ref>Шаблон:Книга</ref>. С учётом этого последнее уравнение можно записать в виде <math>g+ b=0</math> и утверждать, что действия силы тяжести и силы реакции опоры компенсируют друг друга. Отметим также, что относительное значение центробежной силы невелико: на экваторе, где такое значение максимально, её вклад в силу тяжести составляет ~0,3 %<ref> Шаблон:Книга</ref>. Соответственно, невелики и отклонения векторов <math>g</math> и <math>b</math> от радиального направления.

Работа сил инерции

В классической физике силы инерции встречаются в двух различных ситуациях в зависимости от системы отсчёта, в которой производится наблюдение<ref name=" СЭХ "/>. Это — сила, приложенная к связи при наблюдении в инерциальной СО, или сила, приложенная к рассматриваемому телу, при наблюдении в неинерциальной системе отсчёта. Обе эти силы могут совершать работу. Исключением является сила Кориолиса, которая работы не совершает, поскольку всегда направлена перпендикулярно вектору скорости. В то же время сила Кориолиса может изменить траекторию движения тела и, тем самым, способствовать совершению работы другими силами (такими, как сила трения). Примером этому может служить эффект Бэра.

Кроме того, в некоторых случаях бывает целесообразно разделить действующую силу Кориолиса на две составляющие, каждая из которых совершает работу. Суммарная работа, производимая этими составляющими, равна нулю, но такое представление может оказаться полезным при анализе процессов перераспределения энергии в рассматриваемой системе<ref>Krigel A. M. The theory of the index cycle in the general circulation of the atmosphere // Geophys. Astrophys. Fluid Dynamics.— 1980.— 16.— p. 1-18.</ref>.

При теоретическом рассмотрении, когда искусственно сводят динамическую задачу движения к задаче статики, вводят третий вид сил, называемый силами Даламбера, которые работы не совершают ввиду неподвижности тел, на которые эти силы действуют.

Эквивалентность сил инерции и гравитации

Шаблон:Main Согласно принципу эквивалентности сил гравитации и инерции локально невозможно отличить, какая сила действует на данное тело — гравитационная сила или сила инерции. В этом смысле глобальные или даже конечные инерциальные системы отсчёта в общей теории относительности в общем случае отсутствуют.

Д’Аламберовы силы инерции

В принципе д’Аламбера в рассмотрение вводятся подлинно отсутствующие в природе силы инерции, которые невозможно измерить никакой физической аппаратурой.

Эти силы вводятся ради использования искусственного математического приёма, основанного на применении принципа Д’Аламбера в формулировке Лагранжа, где задача на движение с помощью введения сил инерции формально сводится к проблеме равновесия<ref name="СЭХ" />.

См. также

Приложения

Шаблон:Примечания

Литература

Источник — https://camokathomelab.servebeer.com/mediawiki/index.php?title=Сила_инерции&oldid=44333