Во вращающейся системе отсчета наблюдатель испытывает на себе действие силы, уводящей его от оси вращения.
Вам, наверное, доводилось испытывать неприятные ощущения, когда машина, в которой вы едете, входила в крутой вираж. Казалось, что сейчас вас так и выбросит на обочину. И если вспомнить законы механики Ньютона , то получается, что раз вас буквально вдавливало в дверцу, значит на вас действовала некая сила. Ее обычно называют «центробежная сила». Именно из-за центробежной силы так захватывает дух на крутых поворотах, когда эта сила прижимает вас к бортику автомобиля. (Между прочим, этот термин, происходящий от латинских слов centrum («центр») и fugus («бег»), ввел в научный обиход в 1689 году Исаак Ньютон.)
Стороннему наблюдателю, однако, всё будет представляться иначе. Когда машина закладывает вираж, наблюдатель сочтет, что вы просто продолжаете прямолинейное движение, как это и делало бы любое тело, на которое не оказывает действия никакая внешняя сила; а автомобиль отклоняется от прямолинейной траектории. Такому наблюдателю покажется, что это не вас прижимает к дверце машины, а, наоборот, дверца машины начинает давить на вас.
Впрочем, никаких противоречий между этими двумя точками зрения нет. В обеих системах отсчета события описываются одинаково и для этого описания используются одни и те же уравнения. Единственным отличием будет интерпретация происходящего внешним и внутренним наблюдателем. В этом смысле центробежная сила напоминает силу Кориолиса (см. Эффект Кориолиса), которая также действует во вращающихся системах отсчета.
Поскольку не все наблюдатели видят действие этой силы, физики часто называют центробежную силу фиктивной силой или псевдосилой . Однако мне кажется, что такая интерпретация может вводить в заблуждение. В конце концов, едва ли можно назвать фиктивной силу, которая ощутимо придавливает вас к дверце автомобиля. Просто всё дело в том, что, продолжая двигаться по инерции, ваше тело стремится сохранить прямолинейное направление движения, в то время как автомобиль от него уклоняется и из-за этого давит на вас.
Чтобы проиллюстрировать эквивалентность двух описаний центробежной силы, давайте немного поупражняемся в математике. Тело, движущееся с постоянной скоростью по окружности, движется с ускорением, поскольку оно всё время меняет направление. Это ускорение равно v 2 /r , где v - скорость, r - радиус окружности. Соответственно, наблюдатель, находящийся в движущейся по окружности системе отсчета, будет испытывать центробежную силу, равную mv 2 /r .
Теперь обобщим сказанное: любое тело, движущееся по криволинейной траектории, - будь то пассажир в машине на вираже, мяч на веревочке, который вы раскручиваете над головой, или Земля на орбите вокруг Солнца - испытывает на себе действие силы, которая обусловлена давлением дверцы автомобиля, натяжением веревки или гравитационным притяжением Солнца. Назовем эту силу F . С точки зрения того, кто находится во вращающейся системе отсчета, тело не движется. Это означает, что внутренняя сила F уравновешивается внешней центробежной силой:
Однако с точки зрения наблюдателя, находящегося вне вращающейся системы отсчета, тело (вы, мяч, Земля) движется равноускоренно под воздействием внешней силы. Согласно второму закону механики Ньютона, отношение между силой и ускорением в этом случае F = ma . Подставив в это уравнение формулу ускорения для тела, движущегося по окружности, получим:
F = ma = mv 2 /r
Но тем самым мы получили в точности уравнение для наблюдателя, находящегося во вращающейся системе отсчета. Значит, оба наблюдателя приходят к идентичным результатам относительно величины действующей силы, хотя и исходят из разных предпосылок.
Это очень важная иллюстрация того, что представляет собою механика как наука. Наблюдатели, находящиеся в различных системах отсчета, могут описывать происходящие явления совершенно по-разному. Однако, сколь бы принципиальными ни были различия в подходах к описанию наблюдаемых ими явлений, уравнения, их описывающие, окажутся идентичными. А это - не что иное, как принцип инвариантности законов природы, лежащий в основе
Определения центробежной и центростремительной силы из разных источников и другие высказывания по этому поводу .
«..., при равномерном вращении точки по окружности величина линейной скорости остаётся постоянной, а направление изменяется. Но изменение скорости в единицу времени и есть ускорение. Следовательно, при равномерном вращении по окружности точка движется с ускорением, которое обуславливает изменение скорости по направлению. Такое ускорение называется центростремительным
. Вектор центростремительного ускорения направлен к центру вращения. ...» ст. 54.
«В случае равномерного движения тела по окружности центростремительная сила - это результирующая всех сил, действующих на тело
. Она приложена к телу и направлена к центру вращения. Её роль может выполнять любая сила, удерживающая тело на криволинейной траектории.
По третьему закону Ньютона в природе силы существуют только парами, следовательно, при вращательном движении наряду с центростремительной силой должна существовать вторая сила, равная ей по величине и противоположная по направлению. Такая сила называется центробежной
. Если центростремительная сила приложена к телу, то центробежная - к связи.» ст. 55.
Воронецкая Л. В., Васковская В. Н. Физика. "Вища школа", 1976.
«Согласно второму закону Ньютона, эта центростремительная сила пропорциональна массе тела и сообщаемому ею этому телу ускорению. Ускорение это, называемое нормальным или центростремительным, для движения по кругу радиусом R
со скоростью v
равно
w n
=
v 2
/
R
.
(1.4)
Величина центростремительного ускорения впервые была определена Гюйгенсом. Центростремительная сила, вызывающая это ускорение,
F
ц
=
mv 2
/
R
(1.5)
и направлена, как ускорение, т. е. к центру. А центробежную силу направляют от центра, т. е. противоположно ускорению. Между тем ни одна реальная сила не может быть направлена против ускорения, создаваемого ею. Значит, сила эта фиктивная, введенная условно.» (Гулиа, скорее всего, имеет в виду инерционную центробежную силу (центробежную силу инерции) в неинерциальных системах отсчёта, однако и в этом случае этот текст противоречит многим курсам механики.)
Гулиа Н. В. Инерция. - М.: Наука, 1982. ст. 18-19.
«§ 134. Вращающиеся системы отсчёта
. Теперь рассмотрим движение тел относительно систем отсчёта, вращающихся
относительно инерциальных систем. Выясним, какие силы инерции действуют в этом случае. Ясно, что это будет более сложно, так как разные точки таких систем имеют разные ускорения относительно инерциальных систем отсчёта.
Начнем со случая, когда тело покоится относительно вращающейся системы отсчёта. В этом случае сила инерции должна уравновешивать все силы, действующие на тело со стороны других тел. Пусть система вращается с угловой скоростью ω, а тело расположено на расстоянии r от оси вращения и находится в равновесии в этой точке. Для того чтобы найти результирующую сил, действующих на тело со стороны других тел, можно, как и в § 128, рассмотреть движение тела относительно инерциальной системы. Это движение есть вращение с угловой скоростью ω по окружности радиуса r. Согласно § 119, результирующая направлена к оси по радиусу и равна mω 2 r
, где m
- масса тела. ... Эта результирующая не зависит, конечно, от того, в какой системе отсчёта рассматривается данное движение. Но относительно нашей неинерциальной системы тело покоится. Значит, сила инерции уравновешивает эту результирующую, т. е. равна массе тела, умноженной на ускорение той точки системы, где находится тело, и направлена противоположно этому ускорению. Таким образом, сила инерции также равна mω 2 r
, но направлена по радиусу от оси вращения
. Эту силу инерции часто называют центробежной силой инерции
1). Силы, действующие со стороны других тел на тело, покоящееся относительно вращающейся системы отсчёта, уравновешиваются центробежной силой инерции. ...
1) Не путать с центробежной силой, введенной в § 119 для обозначения силы, действующей со стороны тела, движущегося по окружности, на связь.»
Под ред. академика Г. С. Ландсберга эл. уч. физики том 1 Механика, теплота... - М:. Наука, 1973. ст. 299-300.
«§ 33. Поступательное и вращательное движение твёрдого тела .
В § 3 мы условились ограничиться описанием поведения только одной точки , произвольно выбранной на движущемся теле. И потом, рассматривая траекторию, скорость, ускорение и другие величины, мы рассчитывали их для этой одной, выбранной нами точки тела, т. е. мы построили кинематику точки . Однако несмотря на это, очень часто говорилось о траектории движения тела , о скорости движения тела и т. д. ...
Лабораторная работа № 21
ЦЕНТРОБЕЖНАЯ СИЛА
Цель работы:
Изучение законов механики в неинерциальной системе отсчета, вращающейся относительно инерциальной. Исследование зависимости величины центробежной силы от массы тела, угловой скорости и расстояния до оси вращения.
Оборудование:
Электромотор, вращающаяся платформа с тележкой, нить, динамометр, компьютерный интерфейс Cobra3, компьютер, набор грузов.
Продолжительность работы – 4 часа.
Теоретическая часть.
1. Инерциальные системы отсчета и законы механики Ньютона
Динамикой называется раздел механики, изучающий причины возникновения механического движения. Многовековые наблюдения позволяют сделать вывод, что определяющую роль здесь играет взаимодействие тел . Его количественной характеристикой является сила:
Сила – векторная физическая величина, мера взаимодействия тел.
Исторически сложилось так, что многочисленные эксперименты по выяснению связи между взаимодействием тел и характером механического движения проводились в системе отсчета, связанной с Землёй. В ходе этих экспериментов было установлено, что тело, не испытывающее воздействия со стороны других тел, сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. Однако нетрудно видеть, что в других системах отсчета это утверждение может оказаться неверным. Например, в системе отсчета, связанной с разгоняющимся автомобилем, объекты, находящиеся за окном – деревья, здания и т.п., – движутся ускоренно в сторону, противоположную направлению движения автомобиля, хотя сумма действующих на них сил остаётся равной нулю. Таким образом, прежде чем сформулировать законы динамики, необходимо дать определение систем отсчета, о которых будет идти речь в этих законах:
Первый закон Ньютона : Существуют системы отсчета, называемые инерциальными , в которых тела сохраняют состояние покоя или равномерного прямолинейного движения при отсутствии действий на них со стороны других тел или при взаимной компенсации этих воздействий.
Все остальные системы отсчета называются неинерциальными .
Воздействие на данное тело со стороны других тел вызывает изменение его скорости, т.е. сообщает ему ускорение. Однако одинаковое воздействие сообщает разным телам разные ускорения, т.е. тела по-разному сопротивляются попыткам изменить их состояние движения. Это свойство тел называют инертностью .
Массой m называется скалярная физическая величина, являющаяся мерой инертности тела.
Второй закон Ньютона : Произведение массы тела на его ускорение равно действующей на него силе .
Подведём итоги:
· Законы механики Ньютона выполняются только в инерциальных системах отсчета.
· Единственной причиной ускоренного движения тела в инерциальной системе являются силы, действующие на него со стороны других тел.
· Если , то согласно (1) ускорение тела также будет равно нулю. Этот вывод совпадает со второй частью формулировки первого закона Ньютона. Тем не менее, его нельзя считать следствием второго закона, поскольку главным содержанием первого закона является постулат о существовании инерциальных систем отсчёта.
2. Неинерциальные системы отсчета
Можно показать, что любая система отсчета, движущаяся прямолинейно и равномерно относительно инерциальной системы, также является инерциальной (см. например, , §2.7). Из этого утверждения следует, что неинерциальной системой отсчёта является любая система, движущаяся ускоренно относительно инерциальной. Простейшими неинерциальными системами отсчета являются системы, движущиеся ускоренно прямолинейно и вращающиеся системы.
Вернёмся к рассмотренному выше примеру с разгоняющимся автомобилем. Система отсчета, связанная с ним, очевидно, является неинерциальной. Второй закон Ньютона, записанный в форме (1), в данной системе отсчета не выполняется: ускоренное движение зданий и деревьев в этой системе не является результатом действия на них каких-либо сил со стороны других тел. Будем считать, что эти ускорения вызваны действием сил особой природы, называемых силами инерции . Их существование обусловлено ускоренным движением неинерциальной системы отсчета относительно инерциальной. С учетом сказанного второй закон Ньютона в неинерциальной системе отсчета примет следующий вид:
где – ускорение тела в неинерциальной системе отсчета; – «обычные» силы, обусловленные взаимодействием тел; – силы инерции .
Отметим главные особенности сил инерции:
· Введение сил инерции даёт возможность описывать движение тел в любых системах отсчета с помощью одних и тех же уравнений движения.
· Силы инерции обусловлены не воздействием на тело со стороны других тел, а свойствами той системы отсчёта, в которой рассматриваются механические явления. В этом смысле их можно назвать «фиктивными».
3. Центробежная сила
В данной лабораторной работе исследуются силы инерции, возникающие в неинерциальной системе отсчета, вращающейся относительно лабораторной инерциальной системы. Экспериментальная установка представляет собой платформу, вращающуюся с постоянной угловой скоростью ω вокруг перпендикулярной к ней вертикальной оси Z (см. Рис. 1, а). Вместе с платформой вращается привязанная к оси вращения небольшая тележка. Свяжем с платформой подвижную систему отсчёта с осями , как это показано на рисунке. Эта система вращается относительно лабораторной инерциальной системы K с осями X , Y , Z , а значит, является неинерциальной. Рассчитаем силу инерции, действующую на тележку в этой системе отсчета.
Тележка представляет собой твердое тело сложной формы, размерами которого в условиях данной задачи пренебречь нельзя. Поэтому сначала определим силу инерции, действующую в данной неинерциальной системе отсчета на материальную точку, а затем обобщим полученный результат для случая твёрдого тела.
Рис. 1 – Схематическое изображение экспериментальной установки: а) в лабораторной (инерциальной) системе отсчета; б) в неинерциальной системе отсчета, вращающейся относительно инерциальной.
1. Рассмотрим небольшой груз массы m , подобно тележке привязанный к оси вращения нерастяжимой невесомой нитью и вращающийся вместе с платформой. На Рис.1 этот груз схематически изображён слева от оси вращения. Сила тяжести скомпенсирована реакцией опоры, поэтому её в дальнейших рассуждениях рассматривать не будем. В K -системе груз движется по окружности с постоянной скоростью. Так как направление вектора скорости непрерывно изменяется, это движение является ускоренным. Ускорение направлено к оси вращения и называется центростремительным . Его величина:
(3)
где V – линейная скорость, ω – угловая скорость, а r – расстояние до оси вращения. Связанная с данным ускорением сила также называется центростремительной и по второму закону Ньютона:
(4)
В ситуации, изображённой на Рис. 1 а, в роли центростремительной силы выступает сила натяжения нити :
В системе отсчета (см. Рис. 1, б) груз покоится, а значит, его ускорение равно нулю. Запишем уравнение второго закона Ньютона для неинерциальных систем (2), учитывая силу инерции:
(6)
Тогда для силы инерции получим:
; 
(7)
Эта сила инерции называется центробежной силой . Перечислим её главные особенности:
· Центробежная сила – сила инерции, которую необходимо вводить в уравнение второго закона Ньютона при описании движения в неинерциальной системе отсчета, вращающейся с постоянной угловой скоростью относительно инерциальной.
· Вектор центробежной силы направлен от оси вращения.
· Величина центробежной силы задаётся уравнением
Пусть – радиус-вектор, проведенный в неинерциальной системе отсчета к материальной точке от оси вращения. Тогда выражение для центробежной силы можно записать в векторной форме:
2. Центробежная сила, действующая на тележку, равна сумме сил, действующих на составляющие её материальные точки:
(10)
Разделим и умножим на массу тележки m и вынесем за знак суммы одинаковый для всех точек квадрат угловой скорости. В результате получим:
(11)
Выражение
задает координаты центра масс тележки в плоскости XY . Таким образом, центробежная сила, действующая на тележку, определяется по формуле:
А её абсолютное значение:
где r C – расстояние от оси вращения до центра масс тележки. Экспериментальной проверке этого соотношения и посвящена данная лабораторная работа.
Описание установки
Внешний вид экспериментальной установки показан на Рис. 2. Источником вращательного движения является электромотор (1) с возможностью регулировки скорости и направления вращения. Через передаточный ремень (2) вращение передаётся платформе (3) с установленной на ней тележкой (4). Для измерения расстояния от центра масс тележки до оси вращения на платформу нанесена сантиметровая шкала (5). К тележке привязана нить (6), которая через блок (7), отверстие в верхней части платформы и подвижный карабин подсоединена к динамометру (8), непрерывно измеряющему силу натяжения нити. Измеряемый сигнал через интерфейс Cobra3 (9) подаётся на персональный компьютер.
Рис. 2 – Внешний вид установки для измерения величины центробежной силы
Как описано в теоретической части, в идеальном случае сила натяжения нити должна быть равна центробежной силе. Однако в реальной экспериментальной установке выходное отверстие нити в верхней части платформы немного смещено относительно оси вращения. Это сделано намеренно: такая конструкция установки позволяет измерять не только центробежную силу, но и угловую скорость вращения. В самом деле, смещение приводит к тому, что в процессе вращения расстояние от верхнего отверстия до динамометра периодически изменяется. Вследствие этого периодически изменяется и сила натяжения нити, причём частота этого изменения совпадает с частотой вращения платформы. Таким образом, измерив зависимость силы натяжения от времени, мы сможем точно определить как частоту, так и угловую скорость вращения. В свою очередь центробежная сила будет равна среднему по времени значению силы натяжения.
Экспериментальная часть
Упражнение 1. Изучение зависимости центробежной силы от массы.
1. Установите на платформу пустую тележку без грузов. Закрепите нить на тележке таким образом, чтобы при натянутой нити центр тяжести тележки располагался на расстоянии 20 см от оси вращения. Следите за тем, чтобы нить была надета на жёлтый шкив.
2. Включите компьютер. Для входа в операционную систему используйте логин «Student ». Запустите программу Measure двойным щелчком по ярлыку на рабочем столе.
3. Согласно алгоритму, изложенному в Приложении 1, измерьте значения периода вращения и центробежной силы и занесите их в Таблицу 1 (масса пустой тележки 50 г). Определите погрешность величины исходя из характеристик установки и методики измерения. Погрешность измерения силы принять равной .
Таблица 1
| Масса тележки с грузом m , кг | Центробежная сила F , Н | Период T , с | Угловая скорость ω , рад/с | , кг/с 2 | ∆(), кг/с 2 |
| 0,05 | … | … | … | … | … |
| 0,07 | … | … | … | … | … |
| … | … | … | … | … | … |
| 0,19 | … | … | … | … | … |
4. Постепенно нагружая тележку с шагом 20 г, повторите измерения периода вращения и центробежной силы (п.п. 6÷10).
5. Для корректного измерения зависимости центробежной силы от массы период вращения во всех измерениях должен оставаться постоянным. Однако, частота вращения в установке регулируется достаточно грубо, и поэтому период вращения в различных измерениях может немного различаться. Это необходимо учитывать. Для каждого измерения по формуле рассчитайте угловую скорость, величину и её погрешность. При этом погрешность измерения массы можно считать равной . Результаты измерений занесите в Таблицу 1.
6. Постройте график зависимости центробежной силы от величины . По согласованию с преподавателем построение графиков можно проводить как на миллиметровой бумаге, так и на компьютере с помощью программы Measure . Процедура построения графика с помощью компьютера подробно описана в Приложении 2 .
7. Согласно формуле (14) построенная зависимость должна быть линейной. Определите угловой коэффициент прямой и сравните его с расстоянием от оси вращения до центра тяжести тележки. Сделайте вывод.
Доработана: 21.05.15
Рассуждения на тему «ЦЕНТРОБЕЖНАЯ СИЛА»
Аннотация. Предлагаются мои личные толкования распространённого термина «Центробежная Сила»
Если заглянуть в Интернет с поисковым термином «центробежная сила», то Сеть предложит множество самых разных ссылок, каждая из которых посвящена какому-нибудь конкретному проявлению Природы, подпадающему под термин «центробежная сила». Ссылок много. Но многие из них, по-моему, просто запутывают вопрос, пытаясь околонаучно описать суть явления. Поэтому для получения полезной выжимки приходится пересмотреть кучу объяснений. В том числе и заведомо абсурдных.
В публикациях некоторых Авторов (в том числе и весьма уважаемых Авторов) из-за существующей неопределённости в понимании термина « центробежная сила » встречаются, мягко говоря, не совсем логичные словосочетания.
Например, « Центробежная сила инерции ». Приведённый термин по сути своей так же бессмысленнен, как и словосочетание: « Чёрствая нежность ».
Я считаю, что ЛЮБАЯ сила – это процесс , во время которого происходит передача энергии от «Источника» к «Приёмнику» (моя статья «Инерция»).
Сила рождается из энергии, обязательно излучаемой чем-то (или Кем-то).
А что же (или Кто же?) тогда излучает энергию, которая обозначается термином « Центробежная Сила »?
На рисунке 1 показана традиционная схема, используемая при рассуждениях о « Центробежной Силе ».
Рис. 1
Вокруг некоторой точки О 1 на расстоянии вылета R вращается жёстко связанное с этим расстоянием (каким-то способом) тело Т .
Считается (традиционно), что всё остальное и так понятно: вектор ЦБС означает ЦентроБежную Силу; вектор ЦСС – ЦентроСтремительную Силу. Траекторией тела является окружность (красный цвет). Считается при этом, что других пояснений, вроде как, и не требуется.
Из некоторых ссылок можно узнать, что возникновение ЦБС является следствием проявления « Закона Инерции ». И что по этой причине, оказывается, « Центробежную Силу » (ЦБС) смело можно называть « Центробежной Силой Инерции »!
Я в своих статьях уже описывал ляпсусность подобных утверждений. Думаю, что здесь к этому можно не возвращаться.
Некоторые из источников указывают на то, что ЦБС, как самостоятельная сила, вообще не существует. Что термином «Центробежная Сила» обозначается явление, когда тело, движущееся по криволинейной траектории, давит на ограничитель, не позволяющий ему (телу) двигаться прямолинейно.
На рисунке 1 таким ограничителем может служить, например, нить (тяга, трос, канат, стержень, гравипол, магниполе). Может служить, например, направляющая, скажем, в виде рельса или паза (красная дуга). Тогда, и давление, оказываемое на ограничитель вращающимся телом, и силу натяжения нити (тяги, троса, каната, стержня) можно считать « Центробежной Силой ».
Из названного определения « Центробежной Силы » приходится сделать вывод, что при отсутствии «Приёмника» силы (в нашем случае – это ограничитель) не возможно существование и самой ЦБС! Поскольку вращающемуся телу не на что давить. Поэтому оно беспрепятственно может себе лететь и лететь от оси вращения (например, тело насажено на длинную вращающуюся спицу или помещено в длинный вращающийся жёлоб).
Такую спицу или такой жёлоб не трудно себе представить. Можно создать условия, когда тело будет двигаться по спице (по жёлобу), практически, без трения.
Совершенно ни у кого не вызовет сомнения тот факт, что при таком вращении тело будет надёжно удаляться от оси вращения.
Но, из-за отсутствия ограничителя, должна отсутствовать и сама ЦБС!
Тогда что же заставляет груз удаляться?
Но остаётся вопрос: «А откуда, всё-таки, берётся ЦБС в тех ситуациях, когда она имеет место быть (т. е., ограничитель – имеется)? И что заставляет тело, свободно насаженное на спицу, удаляться от оси вращения, если отсутствует ЦБС (т. е., ограничитель – отсутствует)?»
В общем, невольно зарождается сомнение в правомерности признания «Давления на ограничитель» в качестве аналога ЦБС. Тем более, что «Приёмником» энергии в этом толковании придётся назвать ограничитель. А вот что является «Источником» энергии пока остаётся неясным.
Очень интересно!
Но, если «вращающееся тело» не преодолевает никакого трения при контакте с ограничителем (например, тело с тягой является единым целым, а трение в оси вращения пренебрежимо мало), то давление тела на ограничитель осуществляется без потери энергии, приобретённой им для своего вращения.
Получается так, что давление на ограничитель создаётся, а энергия на это НЕ затрачивается!
Если создаётся давление, то его можно преобразовать в работу! И на эту работу опять же не будет затрачиваться энергия, приобретённая телом для своего вращения!
Впрочем, всё это – безусловно, интересно. Но без ответа остаётся вопрос: «Что из себя представляет « Центробежная Сила » и откуда она появляется?»
На рисунке 2 показана схема движения тела Т , вращающегося вокруг точки О 1 (того же самого тела, которое присутствует на рисунке 1).
Рис. 2
При заданных величинах ω и R тангенциальная скорость тела Т приобретёт величину, обозначенную вектором V . И, если в точке Т обрывается сопротивление «ограничителя» (обрывается толстая красная дуга), то тело продолжает своё движение уже не по дуге, а по прямой в направлении вектора V .
За время, необходимое телу, чтобы пройти угловой сектор α , при скорости V тело пройдёт расстояние L (если этому ничто не помешает).
Наблюдателю, оказавшемуся на связке О 1 Т и вместе с ней вращающемуся вокруг оси О 1 , показалась бы, что тело удалилось на расстояние S .
Возможно, что после такого события Наблюдатель вполне мог поверить в Нечистую силу. Он ведь видел, что к телу НЕ прикладывалась никакая сила. А тело, тем не менее, сдвинулось!
В данном конкретном случае Наблюдатель оказался грамотным Физиком. Он понимал, что для сдвига тела к нему необходимо приложить некоторую силу . А если в реальности такой силы не существует, то надо придумать несуществующую физическую силу вместо какой-то там «нечистой силы».
Может быть, именно «здесь и зарыта собака»?
На тело, свободно насаженное на спицу, вращающуюся вокруг перпендикулярной к ней оси, НЕ ДЕЙСТВУЕТ НИКАКАЯ СИЛА, стремящаяся удалить тело от оси вращения (?).
На рисунке 3 показана примерная аналогия обсуждаемой ситуации.
Рис. 3
Некое тело (зелёный цвет) может перемещаться только по линейной траектории (красный цвет). Перемещение осуществляется при помощи вращающейся кулисы.
После поворота кулисы на некоторый угол она заняла позицию, отмеченную синим цветом. При этом расстояние тела от оси вращения увеличилось на величину S .
Едва ли кто-то из Читателей скажет, что здесь тело удаляется от оси вращения кулисы из-за воздействия на него « Центробежной Силы ».
Но так как вращающееся тело, невзирая на это, всё-таки удаляется от оси вращения, то вместо долгих разъяснений о причинах такого удаления, проще (хотя бы предварительно) ввести условную силу, совпадающую своим вектором с линией связки центра массы тела с осью вращения, и дать ей (скромное) имя « Петрова Сила »!
Направление « Петрова Силы » ВСЕГДА – от (мгновенной) оси вращения тела.
ПРИМЕЧАНИЕ
На рисунке 3 можно создать ситуацию, когда расстояние от тела до оси уменьшится.
Просто надо помнить, что изображена всего лишь примерная аналогия.
В соответствии с таким определением получается, что « Петрова Сила » никак НЕ связана с пресловутым « законом Инерции ». Тело, вращающееся вокруг внешней относительно себя оси, действительно стремится сохранить своё мгновенное состояние (в данном случае – тангенциальное направление движения). Но происходит это НЕ из-за пресловутого «закона Инерции», а по свойству ВСЕХ объектов Мироздания. Как материальных, так и НЕматериальных.
«Приёмником» энергии для « Петрова Силы » является само удаляющееся от оси вращения тело. «Источником» энергии – все Вселенные.
Любое препятствие (ограничитель ) на пути удаляющегося от оси вращения (?) тела НЕМЕДЛЕННО генерирует традиционную « Центробежную Силу ». А поскольку « Центробежная Сила » появляется из « Петрова Силы », постольку она оказывается неуравновешенной никакими « Силами Отталкивания ». Она по отношению ко всему устройству оказывается как бы внешней (квазивнешней). Это означает, что « Центробежная Сила », как и положено квазивнешней силе, вызывает перемещение во внешней среде, как самого « Ограничителя », так и всей остальной массы, с ним связанной.
Теперь полезно рассмотреть другие аспекты, связанные с « Центробежной Силой »:
Выше по тексту термин «от оси вращения» сопровождается знаком вопроса (?). Это сделано НЕ случайно.
В физике, как само собой разумеющееся, указывается, что вектор центробежной силы проходит через « ось вращения » тела.
С моей точки зрения – это явное заблуждение. Появилось такое заблуждение из-за того, что, по умолчанию, траектория движения вращающегося тела в физике принимается КРУГОВОЙ. А ведь только при такой форме траектории мгновенный центр кривизны и ось вращения будут совпадать.
Да вот только проблема-то в том, что криволинейная траектория вращающегося тела – это НЕ ОБЯЗАТЕЛЬНО окружность! К примеру, тело, насаженное на длинную вращающуюся спицу движется НЕ по окружности, а по разворачивающейся СПИРАЛИ! И в этой ситуации мгновенный центр кривизны и реальная ось вращения спицы уж точно НЕ СОВПАДАЮТ! Да и небесные тела движутся в Космосе вовсе не по круговым траекториям!
Один из возможных вариантов обсуждаемой ситуации иллюстрируется рисунком 4.
Например, тело Т вращается вокруг центра О 1 , а траекторией тела является, скажем, эллипс (красная линия).
Понятно, что мгновенный центр кривизны О 2 конкретного участка эллипсовидной траектории не всегда совпадает с центром вращения (обычно, хотя и не обязательно, – это фокус эллипса).
Рис. 4
В связи с этим – вопрос: «Так что же пересекает вектор центробежной силы? Ось вращения или мгновенный центр кривизны?»
Мне лично кажется, что НЕ ось вращения, а мгновенный ЦЕНТР кривизны.
Как раз из-за этого приходится вводить новые термины:
– нормальная центробежная сила
– радиальная центробежная сила
– нормальная центростремительная сила
– радиальная центростремительная сила
– нормальное центробежное ускорение
– радиальное центробежное ускорение
– нормальное центростремительное ускорение
– радиальное центростремительное ускорение
– нормально-тангенциальный (вектор)
– радиально-тангенциальный (вектор)
Понятно, что точкой приложения « Центробежной Силы » является точка контакта вращающегося тела с ограничителем . А сама « Центробежная Сила » упирается в ограничитель или растягивает его (в зависимости от типа ограничителя ).
Воздействие « Центробежной Силы » на ограничитель не обязательно должно осуществляться контактным способом, так как в роли ограничителя не обязательно должен выступать вещественный объект. Эту роль с успехом может выполнить гравитационное поле (« Гравипол »). Можно для этой цели использовать также и магнитное поле (« Магниполе »).
В случае гравитационного ограничителя « Центробежная Сила » стремится преодолеть силу гравитации и « стащить » тело с его траектории, а заодно потащить вместе с ним и гравитело, используя гравипол в качестве соединителя. В этом случае точкой приложения « Центробежной Силы » оказывается центр массы гравитирующего объекта (гравитела ), оказавшегося центром вращения.
В случае магнитного поля (магниполя ), работающего на притяжение , ситуация такая же, как и с полем тяготения. Только термины «Гравипол» и «Гравитело» придётся заменить на термины «Магниполе» и «Магнитело».
Для случая, когда применяется магнитное поле, работающее на отталкивание , « Центробежная Сила » стремится не пустить тело к оси вращения. А заодно отодвинуть от себя и сам ограничитель (« магнитело »), используя « магниполе » в качестве связующего звена. Здесь точкой приложения « Центробежной Силы » становится « магнитело ».
Суммарно, можно сформулировать условия, необходимые для формирования и существования « Центробежной Силы »:
Криволинейная траектория движущегося тела
Наличие ограничителя, не позволяющего телу двигаться по касательной к мгновенной точке траектории
Скорость движения по траектории не должна быть нулевой
Масса тела не должна быть нулевой
Мгновенный радиус кривизны траектории не должен быть нулевым
Центр массы движущегося тела не должен совпадать с мгновенным центром кривизны
Итак, с « Центробежной Силой » и с « Петрова Силой » мы, боль-мень, разобрались. «Боль-мень» потому, что остались не рассмотренными ещё несколько вопросов о взаимодействии вращающегося тела с ограничителем .
Теперь пора рассмотреть понятие « Центростремительная Сила ».
Физика разъясняет, что « Центростремительная Сила » является реакцией (ограничителя ) на проявление « Силы Центробежной ». Эта реактивная сила по модулю ВСЕГДА равна « Центробежной Силе » и имеет противоположное ей направление (то есть, направлена к мгновенному центру кривизны траектории).
Точкой приложения « Центростремительной Силы » становится точка КОНТАКТА вращающегося предмета и ограничителя, мешающего предмету удаляться от оси его вращения. Контакт не обязательно должен быть непосредственным. Контакт может быть даже дистанционным (см. выше).
А вот чему будет равна « Центростремительная Сила » в ситуации, когда вращающийся предмет никак НЕ контачит с осью вращения?
Ситуация, по большому счёту, не такая уж и фантастическая.
Например:
Вокруг вертикальной (для определённости) оси вращается в горизонтальной (для определённости) плоскости длинная спица. На спицу насажено тело, имеющее неограниченно малое трение со спицей. Из-за вращения спицы тело, естественно (хотя точнее будет – « условно »), генерирует « Петрова Силу ». Вектор « Петрова Силы » всегда направлен вдоль вращающейся связки тела (спица или жёлоб) с осью её вращения.
Форма траектории тела, насаженного свободно на вращающуюся спицу, наверняка не будет окружностью. Эта форма – расширяющаяся спираль. Поэтому мгновенный центр кривизны в любой точке траектории уж точно НЕ будет совпадать с осью вращения спицы. Вектор « Петрова Силы », исходящий из мгновенного центра кривизны, условимся называть « Нормальной Петрова Силой ». И всегда можно выделить из вектора « Нормальной Петрова Силы » компоненту, направленную вдоль спицы , (не вдоль линии, связывающей тело с мгновенным центром кривизны). Будем называть такую компоненту просто « Петрова Силой ». Она уносит тело вдоль спицы от оси её вращения. А поскольку тело через спицу никак не контактирует с осью своего вращения (трение груза со спицей можно сделать практически нулевым) и поскольку у такого тела отсутствует ограничитель, постольку отсутствует и точка контакта тела с ограничителем. Следовательно, нет ограничителя – значит, нет причин для формирования « Центростремительной Силы ».
Другими словами: « Петрова Сила » работает, а « Центростремительная Сила » при этом НЕ сформировалась!
Практическая ценность упомянутой схемы может показаться сомнительной, но это не меняет сути вопроса. К тому же, и сама схема всё-таки может быть практически применена, например, для зарядки тела большой кинетической энергией (типа «снаряд пращи»).
Теперь на очереди более традиционный вариант.
Вращающееся тело жёстко связано тягой с осью своего вращения. В этом варианте ограничителем служит сама тяга. Поэтому « Центробежная Сила » растягивает именно тягу. И приложена она именно к тяге, оказывая через неё давление на опору оси вращения.
А что в этой ситуации делает « Центростремительная Сила »?
В данном случае « Центростремительная Сила » это та сила, при помощи которой ось вращения пытается отпихнуть ось от тяги.
Только смысла в этой попытке никакого нет!
Для вычисления прочностных контактных напряжений в материалах тяги и опоры вполне достаточно знания о величине « Центробежной Силы ».
« Центростремительная Сила » предполагалась изначально в качестве силы, уравновешивающей « Центробежную Силу » по принципу Д’Аламбера.
Но только в данном варианте и эта задача не решается, так как устройство, находящееся под действием неуравновешенной квазивнешней силы. по определению не может быть уравновешенным. В статичное состояние его могут привести только силы трения внешней (относительно всего устройства) среды.
Получается, что рассуждения о « Центростремительной Силе » тут просто бесполезны! Я обозначаю подобное пустословие « надуманно-придуманным ».
Если теперь рассмотреть в качестве ограничителя внешнюю стенку (обечайку), то проведённый только что анализ один к одному пригоден и здесь.
Итак, оказалось, что при анализе ЛЮБОГО варианта использования тела, вращающегося вокруг внешней относительно себя оси, разговоры о « Центростремительной Силе » не имеют смысла. То есть, ЦСС оказывается надуманно-придуманной.
А, если это так, то зачем вообще о ней помнить?
На рисунке 5 повторен рисунок 1, но уже без ЦСС .
Рис. 5
На рисунке 6 такое же преобразование выполнено для рисунка 4.
Рис. 6
На обоих рисунках видно, что устройство буквально стремится улететь в направлении ЦБС.
А то, что в следующее мгновение времени направление полёта изменится, ничего не меняет. Ведь формирование тяговой силы в определённом направлении – это самостоятельная задача!
Здесь следует обратить внимание на то, что, хотя тело и стремится улететь, но под действием центробежной силы само тело улететь принципиально не может. Как только тело преодолевает препятствие, так срезу же исчезает сама центробежная сила!
Другими словами, центробежная сила не подчиняется формуле Ньютона
А и правда! ЦБС возникает только на тот отрезок времени, пока тело упёрлось в ограничитель и дальше перемещаться вдоль радиуса вращения уже не может. Следовательно, ускорение « а » в этот период равно нулю. По формуле Ньютона и действующая на тело сила должна равняться нулю! То есть, её как бы и нет вовсе. Да вот только тело об этом не знает (например, железнодорожный состав) и благополучно сходит с рельс на поворотах.
А что же происходит с телом, преодолевшим ограничитель? Ведь оно куда-то летит! А раз летит, значит, к нему должна быть приложена какая-то сила!
Так вот никакая сила к вырвавшемуся на свободу телу НЕ приложена!
Тело летит по свойству инерции !
ПРИМЕЧАНИЕ
Я – противник использования безграмотного термина «сила инерции»! Поскольку такой силы НЕ существует и существовать НЕ может!
Наконец-то дошла очередь до обсуждения взаимодействия « Центробежной Силы » и ограничителя .
Ранее было упомянуто, что ЦБС работает, как внешняя сила, хотя и является только квази внешней.
Появляется желание предположить, что, если некоторая сила является квазивнешней, то разложив её на векторные компоненты, находящиеся в плоскости вращения, мы получим тоже квазивнешние силы.
Именно такое предположение позволяет рассчитывать тяговую компоненту q центробежного движителя (рисунок 7).
Рис. 7
Экспериментальные проверки показали правильность высказанного предположения. Можно даже посмотреть видеоролики для моделей ЦДП-47 и ЦДП-50.
А можно ли ожидать такого же эффекта при разложении вектора центробежной силы на компоненты, расположенные в плоскости, содержащей в себе ось вращения? Будут ли вертикальные компоненты вести себя как квазивнешние силы?
На рисунке 8 показана схема движителя с ограничителем в виде конической поверхности (лиловый цвет).
Рис. 8
В данном варианте коническая поверхность имеет возможность свободного подъёма вверх независимо от ротора (коричневый цвет).
При вращении ротора грузы (голубой цвет) генерируют центробежную силу Р, упирающуюся в коническую поверхность и направленную, как ей и положено, перпендикулярно к оси вращения. Вертикальная компонента q этой силы оказывает давление на коническую поверхность и тем самым должна поднимать её вверх.
Я думаю, что ожидаемый результат у Читателя сомнений не вызовет. Коническая крышка действительно должна подпрыгнуть вверх.
Впрочем, данный эффект я не проверял.
Схема на рисунке 9 отличается только тем, что теперь коническая поверхность НЕ может оторваться от ротора.
Рис. 9
Напрашивается предположение, что теперь ВЕСЬ движитель должен подниматься при вращении ротора, если тяговая компонента q действительно ведёт себя как внешняя сила. Ведь поведение силы Р , как квазивнешней, сомнения не вызывает.
Эксперимент, проведённый с такой схемой, ожиданий НЕ подтвердил. Весы, на которые был поставлен испытываемый движитель, показали абсолютный нуль подъёмной силы!
Вывод напрашивается сам собой: квазивнешние вектор центробежной силы и её векторные компоненты ВСЕГДА находятся в плоскости, перпендикулярной к оси вращения. Другие векторные составляющие от вектора центробежной силы НЕ являются по своим свойствам ни внешними, ни, даже, квазивнешними!
Другими словами: центробежная сила и её векторные компоненты, лежащие в плоскости, перпендикулярной к оси вращения, являются не уравновешенными (не скомпенсированными), в то время как векторные компоненты этой же центробежной силы, не совпадающие с перпендикулярной плоскостью вращения, к не уравновешенным силам уже НЕ относятся.
Формулы
Обычно понятие центробежной силы используется в рамках классической (Ньютоновской) механики , которой касается основная часть данной статьи (хотя обобщение этого понятия и может быть в некоторых случаях достаточно легко получено для релятивистской механики).
По определению, центробежной силой называется сила инерции (то есть в общем случае - часть полной силы инерции) в неинерциальной системе отсчета, не зависящая от скорости движения материальной точки в этой системе отсчета, а также не зависящая от ускорений (линейных или угловых) самой этой системы отсчета относительно инерциальной системы отсчета.
Для материальной точки центробежная сила выражается формулой:
- центробежная сила приложенная к телу, - масса тела, - угловая скорость вращения неинерциальной системы отсчёта относительно инерциальной (направление вектора угловой скорости определяется по правилу буравчика), - радиус-вектор тела во вращающейся системе координат.Эквивалентное выражение для центробежной силы можно записать как
если использовать обозначение для вектора, перпендикулярного оси вращения и проведенного от неё к данной материальной точке.
Центробежная сила для тел конечных размеров может быть рассчитана (как это обычно делается и для любых других сил) суммированием центробежных сил, действующих на материальные точки, являющиеся элементами, на которые мы мысленно разбиваем конечное тело.
Вывод
Следует иметь в виду, что для правильного описания движения тел во вращающихся системах отсчёта, кроме центробежной силы следует также вводить силу Кориолиса .
В литературе встречается и совсем другое понимание термина «центробежная сила». Так иногда называют реальную силу, приложенную не к совершающему вращательное движение телу, а действующую со стороны тела на ограничивающие его движение связи. В рассмотренном выше примере так называли бы силу, действующую со стороны шарика на пружину. (См., например, ниже ссылку на БСЭ.)
Центробежная сила как реальная сила
Центростремительная и центробежная силы при движении тел по круговым траекториям с общей осью вращения
Применяемый не к связям, а, наоборот, к поворачиваемому телу, как объекту своего воздействия, термин «центробежная сила» (букв. cила, приложенная к поворачивающемуся или вращающемуся материальному телу, заставляющего его бежать от мгновенного центра поворота), есть эвфемизм, основанный на ложном толковании первого закона (принципа Ньютона) в форме:
Всякое тело сопротивляется изменению своего состояния покоя или равномерного прямолинейного движения под действием внешней силы
Всякое тело стремится сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока не подействует внешняя сила.
Отголоском этой традиции и является представление о некоей силе , как о материальном факторе, реализующем это сопротивление или стремление. О существовании такой силы уместно было бы говорить, если бы, например, вопреки действующим силам, движущееся тело сохраняло бы свою скорость, но это не так .
Использование термина «центробежная сила» правомочно тогда, когда точкой её приложения является не испытывающее поворот тело, а ограничивающее его движение связи. В этом смысле центробежная сила представляет собой один из членов в формулировке третьего закона Ньютона, антагониста центростремительной силе, вызывающей поворот рассматриваемого тела и к нему приложенной. Обе эти силы равны по величине и противоположны по направлению, но приложены к разным телам и потому не компенсируют друг друга, а вызывают реально ощутимый эффект - изменение направление движения тела (материальной точки).
Оставаясь в инерциальной системе отсчёта , рассмотрим два небесных тела, например, компонента двойной звезды с массами одного порядка величины и , находящихся на расстоянии друг от друга. В принятой модели эти звёзды рассматриваются как материальные точки и есть расстояние между их центрами масс. В роли связи между этими телами выступает сила Всемирного тяготения , где - гравитационная постоянная. Это - единственная здесь действующая сила, она вызывает ускоренное движение тел навстречу друг другу.
Однако, в том случае, если каждое из этих тел совершает вращение вокруг общего центра масс с линейными скоростями = и = , то подобная динамическая система будет неограниченное время сохранять свою конфигурацию, если угловые скорости вращения этих тел будут равны: = = , а расстояния от центра вращения (центра масс) будут соотноситься, как: = , причём , что непосредственно следует из равенства действующих сил: и , где ускорения равняются соответственно: = и .
Центростремительные силы, вызывающие движение тел по круговым траекториям равны (по модулю): =. При этом первая из них является центростремительной, а вторая - центробежной и наоборот: каждая из сил в соответствии с Третьим законом является и той, и другой.
Поэтому, строго говоря, использование каждого из обсуждаемых терминов излишне, поскольку они не обозначают никаких новых сил, являясь синонимами единственной силы - силы тяготения. То же самое справедливо и в отношении действия любой из упомянутых выше связей.
Однако, по мере изменения соотношения между рассматриваемыми массами, то есть всё более значительного расхождения в движении обладающих этими массами тел, разница в результатах действия каждой из рассматриваемых тел для наблюдателя становится всё более значительной.
В ряде случаев наблюдатель отождествляет себя с одним из принимающих участие тел, и потому оно становится для него неподвижным. В этом случае при столь большом нарушении симметрии в отношении к наблюдаемой картине, одна из этих сил оказывается неинтересной, поскольку практически не вызывает движения.
См. также
Примечания
Ссылки
- Матвеев А. Н. Механика и теория относительности: Учебник для студентов вузов. - 3-е издание. - М.: ООО "Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО "Издательство «Мир и образование», 2003. - с. 405-406