Сегодня среди специалистов укрепилось мнение, что из двух составляющих криволинейного движения, частным случаем которого является вращательной движение, реальной является только центростремительная сила, а центробежная - это некая математическая фикция, являющеюся силой виртуальной. При этом реальный опыт во внимание не принимается.
Корни этого положения вещей кроются в фундаментальных ошибках Ньютона, одна из которых касается понимания природы центростремительной силы.
Отрывая свой труд «Материалистические начала натуральной философии» 1686 года Исаак Ньютон предваряет его описанием терминов, которые он использует в своей работе. Так на странице 26 [1] читаем:
«Центростремительная сила есть та, с которою тела к некоторой точке, как центру, отовсюду притягиваются, гонятся или как бы то ни было стремятся.
Такова сила тяжести, под действием которой тела стремятся к центру Земли; магнитная сила, которою железо притягивается к магниту, и та сила, каковою бы она не была, которые планеты постоянно отклоняются от прямолинейного движения и вынуждаются обращаться по кривым линиям…»
Здесь Ньютон достаточно не двусмыслено определяет центростремительную силу, как некую внешнюю силу действующую на тела и заставляющюю их изменять свое прямолинейное джижение в соответствии с его первым законом механики на криволинейное движение. Здесь важно отметить, что под центростремительной силой Ньютон понимает именно силу, а не просто препятствие прямолинейному движению.
Но вот то, что он пишет далее является одной из его фундаментальных ошибок определившей судьбу центробежной силы:
«Камень, вращаемый в праще, стремится удалиться от вращающей пращу руки, и этим свои стремлением натягивает пращу тем сильнее, чем сильнее вращение, и как только его пустят, то камень улетает.
Силу, противоположную сказанному стремлению, которою праща постоянно оттягивает камень к руке и удерживает его на круге, т.е. силу направленную к руке или к центру описываемого круга, я называю центростремительной. Это относится и до всякого тела, движущегося по кругу.»
Здесь Ньютон становится заложником логического принципа «аналогия»: если гравитационная и магнитная сила являются центростремительными, то и любое непрерывное ограничение прямолинейного движения является силой.
Если в отношении гравитационной и магнитной силы утверждение, что эти силы являются центростремительными, при определенных условиях, верно, то распространение этого утверждения на все случаи непрерывного ограничения прямолинейного движения является фундаментальной ошибкой Ньютона.
Праща, удерживающая камень на орбите вращения, не создает ни какой силы, а лишь препятствует прямолинейному движению камня. Это доказывается тем, что сила, которая натягивает пращу, пропорциональна угловой скорости вращения, и если бы существовала аналогичная центростремительная сила, то тело бы, сколько не увеличивай скорость вращения, всегда оставалось бы в равновесии, так как пропорционально этому увеличивалась бы и центростремительная сила. Но при достижении определенной скорости вращения, если прочность материала пращи будет недостаточна, она рвется и камень уходит с орбиты, но не в сторону центра, а в противоположную. Причём не по касательной как многие считают, а под углом к ней в 54,74 градуса.
Если бы Ньютон, провел опыт с телом, свободно передвигающимся по вращающемуся штоку, то увидел бы, что тело это всегда стремится от центра к периферии и никогда обратно. Если не ограничивать тело на концах штока, то оно всегда уходит с орбиты вращения. Это указывает на то, что на тело во время вращения действует, лишь одна сила, направленная в противоположную от центра вращения сторону, а центростремительной силы в пассивных связях физически не существует. Поэтому отождествлять реакцию кинематической связи с центростремительной силой в корне не верно.
Сделав эту фундаментальную ошибку, Ньютон вновь возвращается к рассмотрению центростремительной силы тождественной гравитационному и магнитному взаимодействию, тем самым дав понять, что кинематическая связь во вращательном движении и собственно источники центростремительной силы суть одно и тоже, закрепив в сознании своих последователей искаженное понимание природы центростремительной силы. Так на странице 81 [1] он пишет в отношении тела вращающегося внутри круга:
«Такова центробежная сила, с которою тело давит на круг; ей равна и противоположна сила, с которою круг отталкивает тело к своему центру.»
Здесь мы уже видим приложение четвертого следствия третьего закона Ньютона: у любого действия есть равное и обратно направленное противодействие.
Ложность этого утверждения показана мною в статье «Третий закон Ньютона».
В рассмотренном случае в отсутствии природной центростремительной силы (гравитационной, магнитной или иной аналогичной) круг лишь ограничивает движение тела под действием центробежной силы, но сам при этом никакой силы не создает.
На странице 513 [1] Ньютон достаточно витиевато объясняет, что основной причиной, по которой Луна находится на своей орбите, есть равенство центростремительной и центробежной силы. Причем в качестве центростремительной силы Ньютон рассматривает силу тяжести, или как мы её теперь называем силу гравитационного взаимодействия.
Этим утверждением Ньютон фактически признает, что при наличии двух равных по модулю и противоположных по направлению сил вращательного движения, тело находится в равновесии неограниченно долго. Поэтому если в связке двух тел отсутствует центростремительная сила, то тело сателлит, которое движется вокруг центра вращения, будет находиться под действием всего одной физически реальной силы - центробежной. В связи с этим для того чтобы удержать его на стационарной орбите нужна кинематическая связь, позволяющая сохранять расстояние между телами постоянным. При этом следует помнить, что эта связь, также как и тело-сателлит будет находиться под воздействием центробежной силы со всеми вытекающими из этого последствиями.
Далее Ньютон рассматривает различие природы центростремительной силы, в качестве которой выступает гравитация, и центробежной силы.
Гравитационная сила всегда направлена к центру Земли, поэтому её значение в любом месте на поверхности Земли одинаково.* А вот центробежная сила зависит от расстояния рассматриваемой точки до оси вращения Земли, и чем дальше от полюсов, тем больше его значение. В связи с этим вес тела у полюса будет больше чем на экваторе. Этого не могло бы произойти, если бы центростремительная сила находилась в той же плоскости, что и центробежная, и зависела от параметров вращательного движения. Отсюда мы можем сделать один единственный вывод, что центростремительная сила (именно сила) является особого рода природной силой и зависящей исключительно от расстояния между телами, а не от угловой скорости тела-сателлита.
Этот вывод подтверждает и собственно форма Земли – сплюснутый эллипсоид, образовавшийся благодаря тому, что в природе не существует центростремительной силы, в том виде, в каком её представляет Ньютон вне действия природных сил взаимодействия материальных тел (гравитационных, магнитных и аналогичных).
Таким образом, вращательное (криволинейное) движение является уравновешенным в двух совершенно разных случаях:
1. В качестве центростремительной силы выступает некая природная сила, характер которой не зависит от скорости движения тела-сателлита по криволинейной траектории. В качестве такой силы может выступать гравитационная, магнитная или аналогичная им сила.
2. Вращательное (криволинейное) движение осуществляется исключительно под воздействием центробежной силы, действие которой ограничивается кинематической связью, которая в свою очередь, так же находится под её воздействием. В этом случае, ни какой центростремительной силы в криволинейном движении нет.
1. Ньютон Исаак. Математические начала натуральной философии. - М.: Наука, 1989. Перепечатка с VII тома собрания трудов академика А.Н. Крылова, его собственного перевода. М.-Л.: изд. АН СССР, 1936.
* Эта одинаковость условна в определенных границах.