Продолжение статьи «Бытие субъекта. Инерция и Давление» http://www.proza.ru/2018/05/15/1703
(от Автора, 2020 г.:
Часть рассматриваемых в статье положений («всемирное тяготение», центростремительная сила, работа силы и пр.) уже устарели и не отражают объективную реальность, тем не менее, основная идея прослеживается, и статья может быть интересна как теоретический антиквариат).
Объективно реальными движениями являются лишь простые прямолинейные перемещения материи в пространстве, в своих множественных сочетаниях образующие различные процессы. Движения, воспринимаемые субъектом, есть явления Бытия, созданные объективно реальными движениями.
Реальное движение в пространстве подчиняется открытым Ньютоном законам.
Первый закон Ньютона: Если тело не испытывает никакого воздействия, либо если все воздействия на тело взаимно скомпенсированы, то тело находится в покое или движется равномерно и прямолинейно, и такая система отсчёта координат является инерциальной.
Второй закон Ньютона: В инерциальной системе мера воздействия на тело равна скорости изменения его импульса.
Третий закон Ньютона: В инерциальной системе мера воздействия тела на другое тело равна мере противодействия другого тела.
Эти законы нам хорошо знакомы со школьной скамьи, но хочется обратить внимание читателя, что этими законами определяется ВОЗДЕЙСТВИЕ тел друг на друга, а не их ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ, как пытается трактовать Ньютона современная наука. Во времена Ньютона и Ломоносова учёные прекрасно понимали, что воздействие является причиной, а ответное воздействие является следствием, и такой порядок движений не допускает обратной трактовки и всяких «инвариантностей», которые возникли, благодаря проникновению в физику термина «взаимодействие». Сам по себе термин нормально отражал взаимное последовательное воздействие тел друг на друга, но вот учёные, начиная с середины 19-го века, когда ускорились темпы изучения магнетизма и электричества, почему-то стали усматривать в этом термине не последовательность, а одновременность воздействий, что является ошибкой, поскольку при этом исчезает разница между причиной и следствием.
Представим два объекта, перемещающихся в космическом пространстве прямолинейно и равномерно. При этом один объект может быть на несколько порядков крупней другого по размерам и массе, а прямолинейные траектории их движения, если продлить их от точек, в которых находятся объекты в данный момент, пересекаются. Скорости движения объектов на данный момент таковы, что через какое-то время они обязаны столкнуться. Но, согласно закону Всемирного тяготения, тела должны притягивать друг друга, причём сила их притяжения увеличивается при сближении, так как она обратно пропорциональна квадрату уменьшающегося расстояния между ними. Это значит, что от точек, в которых находятся объекты в данный момент, они полетят не по прямолинейным, а по криволинейным траекториям, равномерно ускоряясь. А если представить, как нам предлагает современная теоретическая физика, что радиус сферы гравитационного взаимодействия тел бесконечен, то два объекта в пространстве изначально, где бы они не находились, не могут двигаться прямолинейно с постоянной скоростью, потому что изначально притягивают друг друга. Это означает не только, что представляемые нами два объекта не могли двигаться в пространстве прямолинейно и равномерно, но и то, что в пространстве, пока принимается положение о дальнодействии гравитации, не может существовать инерциальных систем, для которых справедливы три фундаментальных закона Ньютона. И в таком случае все системы Вселенной являются неинерциальными. Но это, конечно, ошибочный вывод, сделанный из неверных предпосылок.
На самом деле предположение о бесконечности и дальнодействии гравитационного поля ошибочно – и время, и любое поле имеют пределы и границы – это было показано ранее в «ЛТО. Комментарий» http://www.proza.ru/2018/03/23/2091 и других статьях. Поэтому совершенно неправильно понятие об инерциальных системах использовать как представление об идеальной форме движения, как это делает Википедия, когда пишет о прямолинейном перемещении материального объекта с постоянной скоростью, как об абстракции. Такую форму движения имеют кванты материи – инерционные частицы, а возможно, и не только они. Кроме того, мы всегда можем рассматривать движущуюся в конкретном направлении систему отсчёта как инерциальную – например, падение предмета по прямой линии на земную поверхность или перемещение предмета на поверхности земли по прямой линии с учётом всех действующих сил.
Фотон – направленное перемещение инерционной частицы с предельной скоростью – является примером реального прямолинейного движения в инерциальной системе отсчёта.
Надо помнить, что Первый закон Ньютона не утверждает обратного. Если, с точки зрения субъекта, тело находится в покое или движется равномерно и прямолинейно, это не является свидетельством того, что тело не испытывает никакого воздействия, или что все воздействия на тело взаимно скомпенсированы. То есть воспринимаемое субъектом прямолинейное и равномерное движение с постоянной скоростью не всегда является признаком инерциальной системы.
Для примера такой неинерциальной системы отсчёта представим колодец с водой. Я могу на верёвке поднимать из колодца ведро воды, равномерно подтягивая верёвку руками, и ведро будет двигаться вверх равномерно и прямолинейно, иллюстрируя взгляды Аристотеля на возможность равномерного движения под действием постоянно прилагаемой силы. Но мне легче крутить ручку вала барабана с наматывающейся на него верёвкой, и ведро воды также с постоянной скоростью поднимается из колодца.
Сила тяжести (вес) ведра и сила натяжения верёвки уравновешены, а на ведро на этой же линии действует дополнительно третья сила – не «Ньютонова», а «Аристотелева», постоянно прилагаемая. Движение ведра прямолинейное и равномерное, но происходит это не за счёт постоянной скорости, полученной ведром после ускорения и прекращения действия силы, а за счёт равномерного вращения ручки вала. Я прикладываю к ручке свою силу, которая является тангенциальной и направлена по касательной к окружности, которую описывает ручка (допустим для упрощения, что эта окружность равна окружности барабана). В этот же миг центростремительная сила, направленная к оси вала, вследствие жесткости металла, из которого изготовлена ручка, изменяет направление приложенной мною силы.
Система из двух прилагаемых к ручке сил – тангенциальной (моей) и центростремительной (жёсткости ручки) – не является инерциальной, потому к ней неприменимы законы Ньютона. Каждый миг равнодействующая двух сил – центростремительной и тангенциальной – направляет ручку на траекторию окружности радиуса R, в итоге ручка движется по кругу с постоянной линейной скоростью «v», которая соответствует скорости изменения направления, то есть угловой скорости w=v/R. От скорости зависит время оборота ручки и барабана T=2пR/v=2п/w, где «п» – число «пи». Таким образом, постоянная скорость изменения направления, обеспечивающая круговое движение ручки и барабана с верёвкой, на которой висит ведро, напрямую зависит от величины прилагаемой мною силы (тангенциальной). Только надо всегда и обязательно учитывать, что, производя воздействие на ручку, я прикладываю всё-таки не силу, а силы, потому что постоянно изменяю направления и точки приложения моего воздействия. Соответственно, центростремительная сила также не является одной силой, а представляет собой силы, прилагаемые последовательно к разным точкам окружности и всегда направленные к центру (оси) вращения, а значит, и равнодействующая сила есть последовательность сил, приложенных к разным точкам окружности в направлении движения по окружности.
В инерциальной системе отсчёта приложенная к телу сила в течение даже кратчайшего интервала времени изменяет скорость его перемещения по прямой, и от этой силы напрямую зависит величина изменения скорости. В неинерциальной системе любую силу необходимо рассматривать не только с учётом кратчайшего времени действия, но и на кратчайшем расстоянии действия, потому что постоянно меняется направление. То есть, чтобы изучить последовательность действий сил в неинерциальной системе, надо представить её множеством инерциальных систем, в которых последовательно перемещается физическое тело.
Любая неинерциальная система представляет собой определённое сочетание инерциальных систем отсчёта.
Практически все неинерциальные системы являют собой инерциальные и вращательные системы в различных комбинациях. Поэтому при их рассмотрении необходимо учитывать особенности вращательных систем. Они заключаются в «принудительности» или «самостоятельности» вращения физического тела вокруг центра и принадлежности тела к вращательной системе.
«Принудительность» вращения имеет ограничения в том, что тело 1 не может принудить вращаться вокруг себя тело 2, которое больше тела 1 по массе, а если массы тел равны, то оба тела будут вращаться вокруг общего центра тяжести. «Самостоятельность» вращения этих ограничений не имеет, так как тело в этом случае самостоятельно движется вокруг центра или оси вращения не под действием приложенной силы, а вследствие затраты собственной внутренней энергии.
Принадлежность тела к вращательной системе определяется наличием связи, которая при вращении обнаруживает себя возникновением центростремительной силы, направляющей тело к центру (оси) вращения. Важно то, во-первых, что центростремительная сила возникает одновременно с приложением силы тангенциальной, и её нет в отсутствие вращения, и, во-вторых, что во вращательной системе не действует третий закон Ньютона, поэтому никакая сила, противоположная центростремительной, к телу во время его движения вокруг центра не приложена. Если же тело, попавшее в систему вращения, не принадлежит системе и не имеет связи с центром, то действия центростремительной силы оно не испытывает и, при воздействии на него элементов системы, стремится покинуть вращательную систему. Это стремление часто принимается за действие мифической центробежной силы, направленной от центра вращения.
Рассмотрим принудительное движение тела по окружности, без учёта сил трения, причём тело жёстко связано с центром системы, типа «лошадки» на карусели. Представим окружность как вписанный в неё правильный многоугольник со стороной «h», длина которой на несколько порядков меньше длины радиуса R этой окружности. Тогда количество К прямолинейных отрезков длиной «h», на которых меняется направление движения тела по окружности, определяется отношением длины окружности к длине дуги L, соответствующей стороне многоугольника (К=2пR/L). Угол «фи», на который будет каждый раз изменяться направление приложения силы, определяется точным количеством сторон многоугольника (ф=2п/К=L/R, где «ф» – угол «фи»). На каждом прямолинейном участке движения тела действует своя сила, отличающаяся по направлению от предыдущей и последующей, то есть движение по окружности представляется как непрерывная последовательность множества К прямолинейных движений в инерциальных системах, в каждой из которых мы можем применить законы Ньютона. Время работы силы на каждом участке определяется длиной отрезка и скоростью движения тела (T/К=L/v), причём скорость «v» в данном выражении отражает среднюю линейную скорость движения тела за один оборот, но не конкретную скорость движения на участке длиной «h», так как на каждом участке происходит ускорение.
В начале вращения под действием «принудительной» тангенциальной силы и мгновенно возникающей собственной центростремительной силы на протяжении отрезка «h» скорость движения тела изменится от 0 до «v1», то есть при массе тела «m» ускорение ему обеспечит равнодействующая сила F1=mv1^2/2h. В результате изменения направления движения на угол «ф» под действием следующей равнодействующей силы, на новом прямолинейном участке длиной «h» скорость движения тела будет равна не 0, так как инерция тела не даёт ему резко остановиться, и не собственному значению «v1», а значению меньшему – «v0», которое определяется с точки зрения нового направления как проекция предыдущей приобретённой скорости на новый путь движения тела – на очередную сторону многоугольника (v0=v1*cos ф). Теперь, чтобы скорость движения тела достигла предыдущего значения «v1», достаточно приложить к телу небольшую дополнительную силу F0=mv1^2(1-cos^2ф)/2h= mv1^2*sin^2ф/2h, направленную по ходу движения вдоль стороны многоугольника. И в дальнейшем движении тела по окружности, чтобы тело сохраняло постоянную среднюю скорость вращения «v», при каждом повороте достаточно прикладывать эту силу.
Средняя линейная скорость тела на окружности аналогична средней скорости на каждом отрезке (v=v1(1+cos ф)/2), время полного оборота при этом составляет T=4пR/v1(1+cos ф), а «постоянное периодическое» ускорение в процессе движения тела по окружности становится известно из постоянной величины «добавки к равнодействующей силе» (а=F0/m =v1^2(1-cos^2ф)/2h =2v^2(1-cos ф)/h(1+cos ф)).
Если не прикладывать сил для поддержания вращения, то есть рассмотреть принудительное движение лишь как первоначальный толчок тела и последующее свободное его движение по окружности как по инерции, то, когда тело поворачивает каждый раз на угол «ф», линейная скорость его движения каждый раз уменьшается с точки зрения нового направления, как проекция предыдущей скорости, в «cos ф» раз. То есть при отсутствии поддерживающих вращение сил в неинерциальных системах движение тел постепенно замедляется и, в итоге, останавливается.
Вращение по окружности, не поддерживаемое внешними силами, со временем затухает, превращая неинерциальную систему в инерциальную.
Законы Ньютона уже более трёх веков являются нашими знаниями. Мы знаем, что, пока на физическое тело не станет воздействовать другое тело или внешняя среда, оно находится в покое или равномерно прямолинейно движется (Первый закон), то есть самостоятельно изменять свой покой или движение тело не может. Мы также знаем, что каждое физическое тело, воспринимая воздействие на себя другого тела (Второй закон), как следствие, само воздействует на другое тело (Третий закон), а затем, если продолжает движение, воздействует и на иные тела (Второй и Третий законы). Также мы знаем, что физические тела «живой» природы могут самостоятельно двигаться, изменять направление и скорость своего движения и воздействовать на иные тела, то есть «живые» отличаются от «неживых» тел «самостоятельностью движения» без непосредственного предшествующего воздействия на них.
«Живая» материя способна двигаться без внешнего воздействия.
Когда поезд резко тормозит, чемоданы с полок падают. По какой причине? Правильно, по инерции. Но в реальном мире причин не существует, просто поезд остановился, а чемоданы едут дальше. То есть без всякого внешнего воздействия на них чемоданы проявляют «самостоятельность движения». Но это же не означает, что чемоданы являются «живой» материей?
Когда в закрытой банке соединяются два вещества (например, карбид и вода), банка неожиданно взрывается, хотя никто её не трогает. Из-за чего? Из-за изменения давления. В реальном мире причин нет, в нём происходит обычное явление – выделяющемуся газу необходимо больше пространства для существования, ведь его плотность намного меньше плотности воды, и он просто расширяет «свою территорию». То есть без всякого внешнего воздействия банка проявляет «самостоятельность движения». Но это же не означает, что банка с веществами является «живой» материей! Зато можно предположить, что именно благодаря определённому сочетанию Инерции и Давления «живая» материя может возникать в мире. Но не только благодаря этому!
Что общего у чемодана и закупоренной банки? То, что они занимают ограниченное пространство. Если бы вместо чемодана на полке лежал песок, он тоже бы посыпался при резком торможении поезда, но не весь, не одновременно и не в одном направлении, а рассыпался бы, заняв больше места, чем занимал изначально. Если бы вещества находились в незакрытой банке, газ от реакции также бы выделялся, но места в пространстве ему бы хватало, и банка бы не шевелилась, когда из неё выливается бурлящая жидкость. Можно говорить о том, что «самостоятельность» движения тела обязательно связана с ограниченностью занимаемого им пространства, то есть с наличием некой Оболочки. И значит, «живая» материя закономерно может возникать благодаря определённому сочетанию Инерции и Давления в пространстве, ограниченном Оболочкой.
Когда мы всего лишь раз тронем неподвижный маятник, он начинает качаться и потом долго не останавливается. Почему? Верно, из-за нарушения устойчивого состояния покоя. Но в реальном мире нет покоя – ведь мы с неподвижным маятником одинаково движемся вокруг земной оси. Мы просто в его неподвижную систему отсчёта своим внешним прикосновением чуть-чуть добавили энергии – дали ему лишнюю способность к движению, и он дальше сам тратит и приобретает эту способность в поле действия сил тяжести. А значит, и «живая» материя, благодаря определённому сочетанию инерции и давления закономерно возникающая в пространстве, ограниченном оболочкой, может неоднократно тратить и приобретать способность к движению (энергию) – то есть ЖИТЬ – именно благодаря постоянно действующим силам притяжения!
Возникновение «живой» материи есть закономерное следствие одновременного сочетания таких факторов, как инерция, давление, гравитация и наличие оболочки у физического тела.