Силы инерции вызываются. Силы инерции

ТЕМА II. СИЛЫ ИНЕРЦИИ

Эта тема будет посвящена рассмотрению особого вида сил – сил инерции. Особенность этих сил состоит в следующем. Все механические силы – будь то силы гравитационного, упругого взаимодействия или силы трения – возникают тогда, когда на тело имеет место воздействие со стороны других тел. С силами инерции дело обстоит иначе.

Для начала вспомним, что такое инерция. Инерция – это физическое явление, состоящее в том, что тело всегда стремится сохранить свою первоначальную скорость. И силы инерции возникают тогда, когда у тела изменяется скорость – т.е. появляется ускорение. В зависимости от того, в каком движении принимает участие тело, у него возникает то или иное ускорение, и оно порождает ту или иную силу инерции. Но все эти силы объединяет одна и та же закономерность: сила инерции всегда направлена противоположно ускорению ее породившему.

По своей природе силы инерции отличаются от других механических сил. Все остальные механические силы возникают в результате воздействия одного тела на другое. Тогда как силы инерции обусловлены свойствами механического движения тела. Кстати, в зависимости от того, в каком движении участвует тело, возникает та или иная сила инерции:

• движение может быть прямолинейным, и тогда речь пойдет о силе инерции поступательного движения;

• движение может быть криволинейным, и тогда речь пойдет о центробежной силе инерции;

• наконец, движение может быть одновременно и прямо-, и криволинейным (если тело перемещается во вращающейся системе или перемещается, вращаясь), и тогда речь пойдет о силе Кориолиса.

Рассмотрим подробнее виды сил инерции и условия их возникновения.

1. СИЛА ИНЕРЦИИ ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯFi. Она возникает, когда тело движется по прямолинейной траектории. Мы постоянно сталкиваемся с действием этой силы в транспорте, движущемся по прямой дороге, при торможении и при наборе скорости. При торможении нас бросает вперед, т.к. скорость движения резко уменьшается, а наше тело старается сохранить ту скорость, которая у него была. При наборе скорости нас вдавливает в спинку сидения по той же причине. На рис. 2.1

Изображены направления ускорения и силы инерции поступательного движения в случае уменьшения скорости: ускорение направлено противоположно движению, а сила инерции направлена противоположно ускорению. Формула силы инерции задается вторым законом Ньютона: . Знак «минус» обусловлен тем, что векторы и имеют противоположные направления. Численное значение (модуль) этой силы соответственно вычисляется по формуле:

F = ma (3.1)

2. ЦЕНТРОБЕЖНАЯ СИЛА ИНЕРЦИИFi. Чтобы понять, как возникает эта сила, рассмотрим рис. 3.2, на котором изображен диск, вращающийся в горизонтальной плоскости, с шариком, прикрепленным к центру диска посредством растяжимой связи (например, резинки). Когда диск начинает вращаться, шарик стремится удалиться от

центра и натягивает резинку. Причем чем быстрее вращается диск, тем дальше удаляется шарик от центра диска. Такое перемещение шарика по плоскости диска обусловлено действием силы, которая называется центробежной силой инерции (Fцб). Таким образом, центробежная сила возникает при вращении и направлена вдоль радиуса от центра вращения.Fцб является силой инерции, а значит ее возникновение обусловлено наличием ускорения, которое должно быть направлено противоположно этой силе. Если центробежная сила направлена от центра, то очевидно, что причиной возникновения этой силы является нормальное (центростремительное) ускорение аn, ведь именно оно направлено к центру вращения (см. Тема 1, §1.2, п.3). Исходя из этого, получаем формулу центробежной силы. Согласно второму закону Ньютона F=ma, где m – масса тела. Тогда для центробежной силы инерции справедливо соотношение:

Fцб = man.

Учитывая (1.18) и (1.19), получаем:

(3.2) и Fцб = mω 2 r (3.3).

3. СИЛА КОРИОЛИСА FK. При совмещении двух видов движения: вращательного и поступательного – появляется еще одна сила, называемая силой Кориолиса (или кориолисовой силой) по имени французского механика Густава Гаспара Кориолиса (1792-1843), который дал расчет этой силы.

Появление кориолисовой силы можно обнаружить на примере опыта, изображенного на рис. 3.3. Ни нем изображен диск, вращающийся в горизонтальной

Рис. 3.3 вид сверху

а). б).

О О

А

В В

плоскости. Прочертим на диске радиальную прямую ОА и запустим в направлении от О к А шарик со скоростью υ. Если диск не вращается, шарик будет катиться вдоль прочерченной нами прямой. Если же диск привести во вращение в направлении, указанном стрелкой, то шарик будет катиться вдоль изображенной пунктиром кривой ОВ, причем его скорость υ будет изменять свое направление (см. рис.3.3 (б)). Следовательно, по отношению ко вращающейся системе отсчета (а в данном случае это диск) шарик ведет себя так, как если бы на него действовала некая сила, перпендикулярная скорости υ. Это и есть сила Кориолиса FK. Именно она заставляет шарик отклоняться от прямолинейной траектории ОА. Формула, которая описывает эту силу определяется опять же вторым законом Ньютона, только на этот раз в качестве ускорения выступает так называемое кориолисово ускорениеаК: ,

где: υ – линейная скорость тела относительно вращающейся системы отсчета,

ω – угловая скорость вращения системы (в нашем случае она направлена вертикально

Читать еще:  А 10 игровой портал. Игры А10

вверх (см. рис.3.3 (а)),

— векторное произведение векторов и .

Здесь уместно было бы вспомнить, что такое векторное произведение. Векторным произведением двух векторов является вектор, перпендикулярный плоскости, содержащей эти вектора, и равный произведению их модулей на синус угла между ними: , где α — угол между векторами и .

Таким образом, мы получаем формулу для силы Кориолиса:

Если α = 90º, то sinα= 1, следовательно: FK=2mυω (3.5).

Итак, как уже было сказано, чтобы сила Кориолиса проявила себя, необходимо совместить 2 вида движения. И здесь возможны два варианта: 1). Тело движется относительно вращающейся системы отсчета. Именно этот случай изображен на рис.3.3. 2). Вращающееся тело совершает поступательное движение В качестве примера можно рассматривать так называемые «крученые» мячи – прием, используемый в футболе – когда удар по мячу осуществляется так, что он во время полета вращается.

109.201.137.33 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Техническая механика

Что такое сила инерции?

Быть может, этот не совсем обычный вопрос вызовет недоумение у обывателя, плохо знакомого с основными постулатами классической механики. Выражения «инерция» и «по инерции» прочно закрепились в бытовом лексиконе, и, казалось бы, их суть понятна каждому. Но что это такое – инерция, и почему тела могут двигаться по инерции пояснить может далеко не каждый.

Давайте попробуем разобраться в этом вопросе с использованием основных постулатов механики и более-менее научных познаний об окружающем мире.

Сначала проведем виртуальные эксперименты, результаты которых может представить каждый.
Пусть перед нами на гладком горизонтальном полу покоится увесистый чугунный шар (например, большое пушечное ядро) и один из «экспериментаторов» пробует покатить его в любую сторону, упираясь ногами в пол и подталкивая руками.
Сначала нам придется приложить значительное усилие, чтобы сдвинуть шар с места, после чего он начнет уверенно катиться в выбранном вами направлении, и если мы перестанем его толкать, он так и будет катиться (силы трения и аэродинамического сопротивления для чистоты эксперимента оставим пока без виртуального внимания).

А теперь наоборот – попробуйте остановить этот шар, вцепившись в него руками и действуя ногами, как тормозом. Чувствуете сопротивление. Думаю, да.
При этом никто не будет отрицать, что чем массивнее шар, тем сложнее изменить его механическое состояние, т. е. сдвинуть с места или остановить.
Итак, вывод – сдвинуть с места неподвижный шар или остановить его при движении довольно непросто – необходимо приложить ощутимое усилие. С точки зрения механики в данном случае мы прикладываем усилие, чтобы преодолеть какую-то непонятную силу.

Посмотрим на наше ядро, покоящееся на полу, пристальнее. С точки зрения опять же классической механики к нему приложены лишь две силы – сила тяжести, притягивающая шар к центру нашей планеты, а также сила реакции пола, противодействующая силе тяжести, т. е. направленная противоположно ей.
Когда наш шар катится по гладкому полу с постоянной скоростью, него тоже действуют только две описанные выше силы – притяжения к Земле и реакция опорной поверхности. Обе эти силы друг друга уравновешивают, и шар находится в равновесном состоянии. А какая же сила препятствует попытке сдвинуть шар с места или остановить его во время прямолинейного и равномерного движения?
Думаю, что самые сообразительные уже догадались – конечно же, это и есть сила инерции.
Откуда же она взялась? Ведь, по сути, мы приложили к шару только одну силу, пытающуюся сдвинуть с места или остановить шар. Где пряталась до сих пор сила инерции и когда она «проснулась»?

Учебники по механике утверждают, что силы инерции, как таковой, в природе не существует. Понятие этой силы в научный обиход ввел француз Жан Лерон Даламбер (Д’Аламбер) в 1743 году, когда предложил использовать ее для уравновешивания тел, перемещающихся с ускорением. Метод назвали принципом Даламбера, и использовали его для преобразования задач динамики в задачи статики, тем самым упрощая их решение.
Но такое решение проблемы не объяснялось и даже вступало в противоречие другими постулатами механики, в частности, с законами, описанными несколько раньше великим англичанином – Исааком Ньютоном.

Когда в 1686 году И. Ньютон, опубликовал свой труд «Математические начала натуральной философии» и открыл человечеству глаза на основные законы механики, в том числе — закон, описывающий движение тел под действием какой-либо силы (F = ma), он несколько расширил понятие массы, как меры некоторого свойства материальных тел – инертности.
В соответствии с выводами гения всем окружающим нас материальным телам присуще некое свойство «лени» — они стремятся к вечному покою, пытаясь избавиться от ускоренного движения. Эту «лень» материальных тел Ньютон и назвал их инертностью.
Т. е инертность – это не сила, а некое свойство всех тел, образующих окружающий нас материальный мир, выражающееся в противодействии попыткам изменить их механическое состояние (придать какое-либо ускорение).
Впрочем, приписывать заслуги о пояснении природы инерции одному лишь Ньютону будет не совсем справедливо. Основополагающие выводы по этому вопросу были сделаны итальянцем Г. Галилеем и французом Р. Декартом, а И. Ньютон лишь обобщил их и использовал в описании законов механики.

Читать еще:  Что означает очная и заочная форма обучения. Формы обучения: в чём разница

В соответствии с размышлениями средневековых гениев, материальные тела (т. е. тела, обладающие массой) крайне неохотно позволяют изменить свое механическое состояние, соглашаясь на это лишь под действием внешней силы. При этом тот же Ньютон, описывая законы взаимодействия тел, утверждал, что силы в природе не появляются в одиночку – они, как результат взаимодействия двух тел, появляются только парами, причем обе силы такой пары равны по модулю и направлены вдоль одной прямой навстречу друг другу, т.е. попарно компенсируют друг друга.

Исходя из этого, в случае с чугунным шаром тоже должно быть две силы – усилие экспериментатора и противодействующая этому усилию сила, обусловленная упомянутым выше свойством инертности этого шара.
Но сила, по общим понятиям классической механики является результатом взаимодействия тел. И никакое свойство тела, в соответствии с этим постулатом, не может быть причиной появления какой-либо силы.

Противоречие с законами Ньютона привело к появлению в научной среде понятий инерциальной и неинерциальной систем отсчета.
Инерциальной стали называть систему отсчета, в которой все тела при отсутствии внешних воздействий находятся в состоянии покоя, а неинерциальной – все прочие системы отсчета, относительно которых тела перемещаются с ускорением. При этом в инерциальной системе отсчета описанные Ньютоном законы механики соблюдаются безусловно, а в неинерциальной не соблюдаются.
Однако все законы классической механики вполне можно применить и для неинерциальных систем отсчета, если наряду с реально действующими силами (нагрузками и реакциями) использовать силу инерции – виртуальную силу, обусловленную все тем же злополучным свойством инертности тел.

Таким образом удалось избавиться от противоречия, вытекающего из природы возникновения сил, описанной Ньютоном, и добиться условного равновесия тел при любом ускоренном движении, используя принцип Даламбера.
Сила инерции получила право на существование, и физики стали изучать ее более пристально, без опаски быть высмеянными коллегами.

Возникновение сил инерции напрямую связано с ускорением тела – в состоянии покоя (неподвижность или прямолинейное равномерное движение тела) эти силы не возникают и проявляются только в неинерциальных системах отсчета. При этом величина силы инерции равна по модулю и противоположно направлена силе, вызывающей ускорение тела, поэтому они взаимно уравновешивают друг друга.

В реальном мире на любое тело действуют силы инерции, т. е. понятие инерциальной системы отсчета является абстрактным. Но во многих практических ситуациях можно условно принять систему отсчета инерциальной, что позволяет упростить решение задач, связанных с механическим движением материальных тел.

Связь между инерцией и гравитацией

Еще Г. Галилей указал на некоторую связь между понятиями инерции и гравитации.

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

По этой причине в некоторых условиях силы инерции ассоциируются с силами тяготения. 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 положен в основу общей теории относительности.

Какими бывают силы инерции?

Силы инерции обусловлены ускоренным движением системы отсчета относительно измеряемой системы, поэтому в общем случае нужно учитывать следующие случаи проявления этих сил:

  • силы инерции при ускоренном поступательном движении системы отсчета (обусловлены поступательным ускорением);
  • силы инерции, действующие на тело, покоящееся во вращающейся системе отсчета (обусловлены центробежным ускорением);
  • силы инерции, действующие на тело, движущееся во вращающейся системе отсчета (обусловлены поступательным и центробежным ускорениями, а также ускорением Кориолиса);.

Кстати, термин «инерция» имеет латинское происхождение — слово «inertia» означает бездеятельность.

Инерция, силы инерции и инерцоиды

А ВСЕ ТАКИ ОН ДВИЖЕТСЯ

Как известно между такими физическими понятиями как «инерция» и «сила инерции» существует принципиальное различие.

Понятие «инерция», в общем его понимании, особых затруднений не вызывает. В классической механике инерция материального тела, это состояние его покоя или равномерного, прямолинейного движения в инерциальных системах отсчета при условии, что все силы действующие на данное тело со стороны всех прочих тел уравновешены — их сумма равна нулю.

Если же говорить о понятии «силы инерции», то здесь все намного сложнее. Со времен Эйлера и до наших дней не затихают споры о физической реальности последних или отнесения их к разряду сил фиктивных , необходимых лишь при динамических расчетах.

На мой взгляд под «силами инерции» следует понимать вполне реальные силы, действующие, как и «обычные» силы между двумя телами, но с одним принципиальным отличием — для возникновения сил инерции и их фиксации необходимы как минимум три материальных тела, а не два, как для сил «обычных». Разберем данное утверждение более подробно.

Читать еще:  Вещи в binding of isaac rebirth. Полезные советы для начинающих

Пример первый, иллюстрирующий действие обычных сил.

Пусть между собой взаимодействуют только два материальных тела — Луна с накрепко закрепленным на ней жестким вертикальным стержнем, представляет собой одно из них и второе тело — это стальной шар, который вращается в горизонтальной плоскости вокруг стержня с постоянной скоростью (силы трения о воздух отсутствуют). Шар удерживается с помощью сильного магнита или, например с помощью веревки. Веревка здесь или магнит — не принципиально, главное, что и в первом и во втором случае шар, стремящийся по инерции двигаться по касательной траектории прямолинейно и равномерно, в каждый момент времени, посредством магнита или веревки, притягивается к стержню, искривляет свою траекторию за счет центростремительного ускорения, испытывая при этом действие центростремительной силы, направленной к центру вращения. Стержень, а вместе с ним и Луна, при этом испытывают действие силы реакции, равной по модулю центростремительной силе, но направленной от центра вращения. Строго говоря, оба рассматриваемых тела вращаются в данном случае вокруг общего центра масс.
Здесь наличие силы, вызывающей описанное выше взаимодействие Луны и шара, автоматически означает наличие ускорения одного из этих тел в относительной системе отсчета, связанной с другим материальным телом и наоборот.
Оба ускорения обусловлены действием «обычной» активной центростремительной силы и столь же «обычной» силы противодействия (силы реакции) — ни о каких силах инерции здесь речи быть не может. Действительно, если рассматривать два других вращающихся подобным образом тела, например Землю и Луну, то понятно, что и в этом случае ни та ни другая не могут испытывать центробежной силы инерции.
Другое дело если рассуждать об объектах, находящихся на их поверхности, однако это будут уже третьи тела.

Пример второй с тремя материальными телами и силами инерции.

Представим себе ситуацию, когда сначала возникает активное силовое взаимодействие только между двумя из трех тел. Пусть первое тело — это Земля с прямыми трамвайными путями, уложенными строго горизонтально, второе тело — это трамвай со столиком на котором жестко закреплено обычное ведро для воды, третье тело — сама вода, налитая в ведро. Пока трамвай движется прямолинейно и равномерно, вода в ведре покоится. Предположим теперь, что в некоторый момент времени трамвай тормозит — возникает силовое взаимодействие (трение) между рельсами и трамваем. Трамвай и неразрывно связанные с ним ведро при этом испытывают отрицательное ускорение, а Земля и рельсы одновременно получают положительное ускорение, которое, конечно, несоизмеримо мало по сравнению с ускорением трамвая, однако все же присутствует. В относительной системе отсчета, связанной с трамваем и ведром, каждая из молекул воды в это же время приобретает относительное ускорение, которое равно по абсолютной величине и противоположно направлено ускорению трамвая с ведром. Именно это ускорение и будет обуславливать возникновение силы инерции, действующей с одной стороны на воду — молекулы воду начнут двигаться относительно ведра ускоренно и в сторону движения трамвая, а с другой стороны передняя часть стенок ведра начнет испытать дополнительное давление воды. Таким образом возникновение вполне реальной пары сил трения между колесами трамвая и рельсами на Земле вызывает появление столь же реальной пары сил инерции. Одна сила инерции действует здесь со стороны стенок ведра на воду и направлена в сторону движения трамвая. Вторая сила инерции действует со стороны воды на стенки ведра и направлена в противоположную сторону, т.е. в направлении противоположном движению трамвая. Эту силу можно назвать также и силой реакции.

Еще один пример, вызывающий наибольшие затруднения в понимании физического смысла сил инерции — пример с вращением.

Разберем подробно опыт, который демонстрировал своим ученикам К. Э. Циолковский — человек вращает над головой ведро с водой на веревке.
Здесь можно выделить также три материальных тела: первое тело — это человек, неподвижно стоящий на Земле и составляющий с ней единой целое, второе тело — ведро на веревке, которое играет роль стального шара в первом рассмотренном нами примере, и наконец третье тело — вода в ведре. Ведро, вращаясь, испытывает центростремительное ускорение, которое в любой момент времени направлено к центру вращения и не позволяет ведру улететь по касательной к круговой траектории вращения. Молекулы воды в ведре в силу своей инертности, стремятся двигаться также по прямому пути.
Относительно воды можно сказать, что поскольку стенки ведра препятствуют такому движению, то именно на нее, со стороны ведра действует центростремительная сила инерции, направленная к центру вращения, при этом на само ведро действует сила реакции, традиционно обозначаемая нами как «центробежная сила инерции», действующая в направлении от центра вращения.

Таким образом, в общем случае силы инерции — это вполне реальные силы, существующие лишь только в механических системах, содержащих более трех материальных тел. Если обозначить три таких тела как А, В и С, то в момент возникновения «обычного» силового взаимодействия между двумя из них (например А и В), в относительной системе отсчета связанной с любым этих двух тел,при наличии физический связи данного тела с третьим телом С, возникают силы инерционного взаимодействия между телом С и тем телом, с которым связана рассматриваемая относительная система отсчета.

Источники:

http://studopedia.ru/9_48565_tema-II-sili-inertsii.html

http://k-a-t.ru/tex_mex/22-dinamika_inercia/index.shtml

http://www.proza.ru/2018/06/14/663

Ссылка на основную публикацию
Статьи на тему:

Adblock
detector