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, а 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:

F = mv 2 /r

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

Как известно, любому физическому телу свойственно сохранять свое состояние покоя либо равномерного до тех пор, пока на него не будет произведено какое-либо воздействие извне. Сила центробежная - это не что иное, как проявление этого универсального В нашей жизни она обнаруживается так часто, что мы ее практически не замечаем и реагируем на нее на уровне подсознания.

Понятие

Сила центробежная - это своеобразное воздействие, которое оказывает физическая точка на силы, сковывающие свободу ее перемещения и заставляющие двигаться криволинейно относительно связующего ее тела. Поскольку вектор перемещения такого тела постоянно изменяется, то даже в том случае, когда его абсолютная скорость остается неизменной, величина ускорения не будет равна нулю. Поэтому вследствие второго закона Ньютона, который устанавливает зависимость силы от массы и ускорения тела, и возникает сила центробежная. Теперь вспомним о третьем правиле знаменитого английского физика. Согласно ему существуют парами, а значит, сила центробежная должна чем-то уравновешиваться. В самом деле, должно же быть что-то, что удерживает тело на его криволинейной траектории! Так и есть, в паре с центробежной на крутящийся объект также действует сила центростремительная. Отличие между ними в том, что первая приложена к телу, а вторая - к его связи с точкой, вокруг которой происходит вращение.

Где проявляется действие центробежной силы

Стоит раскрутить рукой небольшой груз, который привязан к бечевке, как сразу начинает ощущаться натяжение бечевки. Если бы не существовало влияние центробежной силы привело бы к разрыву веревки. Каждый раз, когда мы движемся по круговому пути (на велосипеде, машине, трамвае и т.д.), нас прижимает в противоположную от поворота сторону. Поэтому на скоростных треках, на участках с крутыми поворотами трасса имеет специальный наклон для придания большей устойчивости соревнующимся гонщикам. Рассмотрим еще один любопытный пример. Поскольку наша планета вращается вокруг оси, то центробежная сила воздействует на любые объекты, которые находятся на ее поверхности. Вследствие этого все вещи становятся немного легче. Если взять гирю весом в 1кг и перенести ее с полюса на экватор, то ее вес уменьшится на 5 грамм. При таких мизерных величинах это обстоятельство кажется несущественным. Однако с увеличением веса такая разница возрастает. К примеру, паровоз, прибывший в Одессу из Архангельска, станет легче на 60 кг, а массой в 20000 тонн, проделавший путь из Белого моря в Черное, станет легче на целых 80 тонн! Почему это происходит?

Потому что центробежная сила, возникающая от вращения нашей планеты, стремится разбросать с поверхности Земли все, что на ней находится. От чего зависит величина центробежной силы? Опять вспоминаем второе правило Ньютона. Первым параметром, влияющим на величину центробежной силы, конечно же, является масса вращающегося тела. А второй параметр - это ускорение, которое в криволинейном движении зависит от скорости вращения и радиуса, описываемого телом. Эта зависимость может быть отображена в виде формулы: а = v 2 /R. Получается: F =m*v 2 /R. Ученые вычислили, что если бы наша Земля вращалась раз в 17 быстрее, то на экваторе была бы невесомость, а если бы полный оборот совершался всего за один час, то потерю веса ощутили бы не только на экваторе, но и во всех морях и странах, которые с ним соседствуют.

Рассмотрим вращение камня массой m на веревке (рис. 4.8).

Рис. 4.8

В каждый момент времени камень должен был бы двигаться прямолинейно по касательной к окружности. Однако он связан с осью вращения веревкой. Веревка растягивается, появляется упругая сила, действующая на камень, направленная вдоль веревки к центру вращения. Это и есть центростремительная сила (при вращении Земли вокруг оси в качестве центростремительной силы выступает сила гравитации).

Но так как то

		(4.5.2)
		(4.5.3)

Центростремительная сила возникла в результате действия камня на веревку, т.е. это сила, приложенная к телу, – сила инерции второго рода . Она фиктивна – ее нет.

Сила же, приложенная к связи и направленная по радиусу от центра, называется центробежной .

Помните, что центростремительная сила приложена к вращающемуся телу, а центробежная сила – к связи.

Сила гравитационного притяжения направлена к центру Земли.
Сила реакции опоры (нормального давления) направлена перпендикулярно к поверхности движения.

Центробежная сила – сила инерции первого рода. Центробежной силы, приложенной к вращающемуся телу, не существует.

С точки зрения наблюдателя, связанного с неинерциальной системой отсчета, он не приближается к центру, хотя видит, что F цс действует (об этом можно судить по показанию пружинного динамометра). Следовательно, с точки зрения наблюдателя в неинерциальной системе есть сила, уравновешивающая F цс, равная ей по величине и противоположная по направлению:

Т.к. a n = ω 2 R (здесь ω – угловая скорость вращения камня, а υ – линейная), то

F цб = m ω 2 R .

(4.5.4)

Все мы (и физические приборы тоже) находимся на Земле, вращающейся вокруг оси, следовательно, в неинерциальной системе (рис 4.9).

Рис. 4.9

Пусть на некотором диске имеется радиальная направляющая, на которую наденем шарик, привязанный к оси диска пружиной (рис. 2.3). При раскручивании диска шарик растягивает пружину до тех пор, пока упругая сила не станет равной
.

Рис. 2.3

где
центростремительное ускорение;

угловая скорость.

Относительно системы
(диск) шарик покоится. Это можно формально объяснить тем, что в системе
кроме силы
на шарик действует сила инерции
, направленная вдоль радиуса от оси вращения диска:

где
единичный вектор, направленный к центру диска.

Эта сила называется центробежной силой инерции . Она возникает во вращающихся (неинерциальных) системах отсчёта независимо от того, покоится тело в этой системе или движется относительно неё со скоростью .

Сила Кориолиса

Густав Кориолис (1792 – 1873) – французский учёный в области механики.

П

Рис. 2.4

ри движении тела (
) в неинерциальной вращающейся системе отсчёта кроме центробежной силы возникает еще одна сила инерции, называемая силой Кориолиса .

Возьмём горизонтально расположенный диск, вращающийся относительно инерциальной системы отсчёта с постоянной угловой скоростью (её определение будет в лекции № 3) (рис. 2.4). Допустим, что по окружности радиусомR равномерно движется привязанная нитью к оси диска материальная точка (частица) со скоростью относительно диска. Её скорость относительно Земли имеет модуль
.

Центростремительное ускорение:

.

Сила натяжения нити:

где
ускорение частицы относительно диска. Перенося
в левую часть, ав правую, получим:

или

(Формально это выглядит как 2-й закон Ньютона).

Здесь
центробежная сила инерции;

сила Кориолиса, которую можно представить в виде векторного произведения:

Многие течения в мировом океане, а также ветры-пассаты обязаны своим происхождением силе Кориолиса. Силы Кориолиса необходимо учитывать при движении ракет и т.д.

5. Центр инерции. Определение. Центром инерции (центром масс) системы материальных точек (частиц) называется точка С, положение которой задаётся радиус-вектором , определённым следующим образом:

где
масса
й частицы;
радиус-вектор, определяющий положение этой частицы;
масса системы.

Замечание: в однородном поле сил тяжести центр инерции совпадает с центром тяжести системы.

Теорема о движении центра инерции (масс)

Запишем 2-й закон Ньютона для
й частицы массой.

где
внутренняя сила, действующая на-ю частицу (т.е равнодействующая сил, действующая со стороны других частиц системы на-ю частицу);
ускорение-й частицы;
внешняя сила, действующая на-ю частицу.

Для всех тел (частиц) системы сумма

, (*)

так как
по 3-му закону Ньютона (внутренние силы попарно равны по величине, направлены противоположно и действуют вдоль одной прямой).

Из определения центра масс следует:

.

Продифференцируем это выражение дважды:

,

где
ускорение центра масс.

. (**)

Сравнив выражения(*) и (**), получим
.

Сумму внешних сил можно заменить равнодействующей
, а
(по определению), получим:

Центр масс системы движется как материальная точка, масса которой равна суммарной массе всей системы и сосредоточена в центре инерции (масс), а действующая сила – геометрической сумме всех внешних сил, действующих на систему (приложенных к точке С ). Этот результат называется теоремой о движении центра масс (инерции) .

Физический смысл этой теоремы заключается в том, что зачастую при движении тел (системы материальных точек) нас интересует не движение отдельных частей тела, а перемещение его в пространстве в целом. И в этом случае замена сложного (в общем случае) движения точек тела движением одной точки (центра масс) сильно упрощает задачу .

Вопросы для самоконтроля

Сформулируйте 1-й закон Ньютона. Что он устанавливает?

Сформулируйте 2-й закон Ньютона. Приведите пример использования этого закона как уравнения движения.

Сформулируйте 3-й закон Ньютона. Всегда ли он справедлив?

Когда возникает необходимость рассматривать силы инерции? Являются ли эти силы реальными?

Когда возникает центробежная сила инерции? Как ее рассчитывают?

При каких условиях возникает сила Кориолиса? Чему она равна?

Дайте определение центра инерции (центра масс).

Сформулируйте и докажите теорему о движении центра инерции (масс).

В буквальном смысле эти силы выглядят как определённым способом ориентированные по отношению к центру - некой точке, равноудалённой от всех точек траектории движущегося тела. В двумерном пространстве (на плоскости) такой траекторией является окружность , а в трехмерном - тоже окружность, образованная пересечением сферической поверхности плоскостью, в общем случае не проходящей через её центр.
Все остальные траектории любого вида центром в этом смысле не обладают, и потому применительно к движущемуся по не круговым траекториям телу использование представления о центростремительной и центробежной силах не оправдано и ведёт к многочисленным недомолвкам и недоразумениям .

Центростремительная и центробежная силы

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 M 1 и M 2 , находящихся на расстоянии R друг от друга. В принятой модели эти звёзды рассматриваются как материальные точки и R есть расстояние между их центрами масс. В роли связи между этими телами выступает сила Всемирного тяготения F G :G M 1 M 2 / R 2 , где G - 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 v 1 = ω 1 R 1 и v 2 = ω 2 R 2 , то подобная динамическая система будет неограниченное время сохранять свою конфигурацию, если угловые скорости вращения этих тел будут равны: ω 1 = ω 2 = ω , а расстояния от центра вращения (центра масс) будут соотноситься, как: M 1 / M 2 = R 2 / R 1 , причём R 2 + R 1 = R , что непоcредственно следует из равенства действующих сил: F 1 = M 1 a 1 и F 2 = M 2 a 2 , где ускорения равняются соответственно: a 1 = ω 2 R 1 и a 2 = ω 2 R 2

Центростремительные силы, вызывающие движение тел по круговым траекториям равны (по модулю): F 1 =F 2 = F G . При этом первая из них является центростремительной, а вторая - центробежной и наоборот: каждая из сил в соответствие 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 Всемирного тяготения. То же самое справедливо и 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.

Переписывая Второй закон в виде F − m a = 0 и заменяя второй член слева на некую силу F i = − m a , получаем новую запись Второго закона: F + F i = 0 .Здесь обе силы действуют на одно и то же тело, причём их сумма равна нулю, из чего следует, что данное тело в системе отсчёта, связанной с этим телом, покоится, хотя сама система вместе с ним движется ускоренно. Эта сила F i , ничем не отличается по своему происхождению от силы F (о чём говорит знак равенства в канонической записи закона). Существует предложение называть её Ньютоновской силой инерции . Никакого отношения к центробежной силе эта сила не имеет.

Литература

• Ньютон И. Математические начала натуральной философии. Пер. и прим. А. Н. Крылова. М.: Наука, 1989
• С. Э. Хайкин. Силы инерции и невесомость. М.: «Наука», 1967 г.
• Фриш С. А. и Тиморева А. В. Курс общей физики, Учебник для физико-математических и физико-технических факультетов государственных университетов, Том I. М.: ГИТТЛ, 1957