Инерция, силы инерции и инерцоиды (Игорь Кулага) / Проза.ру

            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.

            * * *

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.

      * * *

В качестве наглядного подтверждения справедливости приведенных выше рассуждений может служить движение так называемых инерцоидов - механизмов перемещающихся в пространстве за счет действия сил инерции. Дискуссия о возможности "безопорного движения", нарушающего закон сохранения импульса, была весьма активной в прошлом веке, да и в этом веке была уже осуществлена попытка проверить работу таких механизмов в космическом пространстве. В мае 2008 года Роскосмосом был выведен на орбиту малый космический аппарат «Юбилейный» с инерцоидом на борту, который не смог изменить орбиту аппарата.
В реальности движение инерцоидов вполне возможно и при этом без всяких нарушений законов сохранения. Примером тому является работающий инерцоид в виде качелей, запатентованных еще в 1993 году и показанных на приведенной выше фотографии. Данный механизм более 10 лет экспонировался в Политехническом музее вплоть до его закрытия и покататься на нем смогла не одна тысяча посетителей.
Теоретические аспекты работы как этого инерцоида, так и всех прочих изложены в статье "Парадоксальные качели" журнала "Наука и жизнь", №3, 1999 г.
https://www.nkj.ru/archive/articles/8798/
Ссылка на видео работающего прототипа..........
https://www.youtube.com/watch?v=eipQVmcE-C4