ЦЕНТРОБЕЖНАЯ СИЛА: «ЗОЛУШКА» ОТ ФИЗИКИ
Пожалуй, из всех понятий классической физики больше всех не повезло центробежной силе. Её сначала представляли как некую почти виртуальную тень центростремительной силы, а затем и вовсе удалили из курса физики. По принципу: чем меньше школьники знают, тем крепче спят. А кому уж очень понадобится, пусть читают специальную литературу по этому вопросу, все равно ничего они там не поймут. Так что, заботясь о чистоте школьного разума, эта непонятная сила этак незаметно исчезла из школьного курса физики. Но как это «не парадоксально» из жизни она почему-то исчезать не захотела, и в технике о ней нет, нет, да и вспоминают, делают различные устройства с её использованием.
В учебнике физики А.В. Перышкина и Н.П. Третьякова за 1955 г. эта сила ещё присутствует на его страницах, но вот то, что о ней там пишут «попахивает» метафизикой:
«… Таким образом, если считать центростремительную силу действием, то центробежная сила будет противодействием».
Несколько страниц до этого, авторы предлагают определять какая сила является действием, а какая противодействием, и в скобках дают следующую рекомендацию:
«… силу давления руки на стол естественно назвать действием, а силу давления стола на руку – противодействием.»
Позже уже в высших учебных заведениях этот критерий формулировали более точно: действие определяется формирующей взаимодействие силой, а противодействие реакцией связей этой силы в системе рассматриваемых объектов. Иными словами действие это всегда сила первичная, а противодействие отклик среды на неё.
Таким образом, уже с первых азов знакомства с центробежной силой школьнику внушали, что центростремительная сила первична, а центробежная вторична, то есть, не будь первой второй тоже не будет. Многие добросовестные школьники хорошо усвоили этот урок и спустя много лет с абсолютной уверенностью в своей правоте пишут о том, что центробежной силы в природе как объективной реальности не существует, а есть только математический символ для объяснения природы центростремительной силы.
Это заблуждение настолько элементарно разбивается о простой школьный опыт по физике, что его отсутствие в школьной программе заставляет думать о неком глобальном заговоре против центробежной силы.
Почти у каждого современного ребенка, где-то в коробке сломанных игрушек, которые ещё не выкинули на помойку, валяется сломанная электрическая машинка. Вытащив из неё электродвигатель, и прикрепив к валу любыми подручными средствами два исписанных стержня шариковой ручки, получаем основу экспериментальной установки по демонстрации природы центробежной силы.
Повесив за тем на эти стержни небольшие грузики, и заблокировав их выход через свободные концы стержней, приступаем к эксперименту.
1. Размещаем грузики непосредственно у вала и включаем электромоторчик. Наблюдаем что происходит.
Повторив этот опыт несколько раз, видим, что результат повторятся и ничего иного не происходит.
2. Размещаем грузики на самых удаленных частях стержней от вала и повторяем все, что делали в первом опыте.
Результаты записываем в лабораторный журнал.
И вот что там будет написано:
«В первом опыте грузики при включении электромотора свободно перемещались на самые удаленные от вала части стержней и оставались там до окончания опыта при каждом повторе опыта.
Во втором опыте грузики после включения электромотора всегда оставались на месте и никуда не двигались»
Как объяснить результаты этого опыта с позиции только что рассмотренной теории центробежной силы.
В первом опыте с началом вращения центростремительной силы обнаружено не было, ни что не удержало грузики в центре их вращения, наоборот они сразу же заняли крайние удаленные положения. Но если центростремительной силы не было, то откуда взялась сила её противодействия.
Во втором опыте, грузикам ни чего не мешало переместиться к центру вращения, но они почему-то оставались на его периферии.
Столкнувшись с подобным парадоксом, один исследователь вращательного движения пришел к выводу, что для его объяснения надо ввести некую новую неизвестную науке силу и скромно назвал её в честь самого себя «силой Петрова». Сначала мне показалось что «товарищ» просто шутит, но уже где-то с пятой страницы понял, что это на полном серьезе.
Итак проведенный эксперимент со всей объективностью доказал, что из двух сил вращательного движения только центробежная сила является объективно первичной, а вот центростремительная, это то как раз и есть реакция связи, то есть противодействие основной первичной силе.
Дальнейшее заблуждения заключается в том, что при обрыве этой связи тело всегда будет уходить с орбиты по касательной.
Если бы не было центробежной силы, то, наверное, так оно и было бы, но тогда, где бы мы с вами не размещали грузики на стержнях, они там бы всегда и оставались. В этом случае действительно грузики ушли бы с орбиты по касательной. Но как нам показал проведенный эксперимент, грузики упорно стремились занять крайне удаленное от центра положение, следовательно, на них всегда действует радиальная сила, направленная в противоположную от центра сторону. С обрывом центростремительной связи эта сила сразу не исчезает, а продолжает по инерции удалять наши грузики от центра вращения, поэтому грузики, в случае обрыва центростремительной связи уходят с орбиты не по касательной, а под некоторым углом.
Для того чтобы понять под каким углом грузики покидают орбиту надо рассмотреть треугольник сил действующих на точку во время её выхода с орбиты.
Первая и основная сила, которая действует на эту точку, это так называемая тангенциальная сила, которая направлена строго по касательной к орбите вращения точки.
Вторая сила, это центробежная, которая направлена строго по радиусу вращения в противоположную от центра вращения сторону.
Ну и третья сила, это сила равнодействия первых двух сил.
Тангенциальная сила находится из второго закона Ньютон и равна произведению массы тела на квадрат его линейной скорости деленного на радиус вращения.
Во всех учебниках физики этой формулой описывают центростремительную силу, действующую перпендикулярно и равную по модулю центробежной. Если следовать этой логике, то в рассмотренном нами треугольнике сил все они равны между собой.
Доказать или опровергнуть это утверждение исходя из кинематики точки вращательного движения не представляется возможным. Поэтому обратимся в этом вопросе к «спасательному кругу» небесной механики.
Отношение второй и первой космических скоростей для космических тел всегда равно корню квадратному из двух. Следовательно, центробежная сила относится к тангенциальной, как корень квадратный из двух.
Равнодействующая этих двух сил находится из теоремы Пифагора для прямоугольного треугольника и соответственно равна тангенциальной силе умноженной на корень кубический. Соответственно угол выхода точки с орбиты равен арктангенсу отношения вектора центробежной силы к тангенциальной, то есть корню квадратному из двух – 54,74 градуса. Именно под этим углом любое тело покидает свою орбиту в случае обрыва центростремительной связи, а не по касательной как утверждают учебники физики.
Хочется надеяться, что когда-нибудь придет время и центробежную силу вернут в школьные учебники на достойное для неё место. Жаль, очевидно, что я этого, скорее всего, не увижу.
Видеоматериал поясняющий природу центробежной силы можно посмотреть здесь:
1. https://youtu.be/Q4XfZO9jLe4
2. https://youtu.be/ullifi95Flw
3. https://youtu.be/kuDcvPBM7cA
4. https://youtu.be/5hDnytTf2cA