Ошибка Ньютона
Начать придется с того, что законы Ньютона неверны и дают ошибочное представление о движении тел в пространстве. Суть ошибки заключается во введении неверного понятия «силы противодействия».
Законы Ньютона базируются на парадигме «причиной возникновения ненулевого ускорения в инерциальной системе отсчета является некоторое внешнее силовое воздействие». Если считать это определением «силы», то нужно отметить, что возникающее ускорение направлено по направлению приложенной силы. В этом случае третий закон Ньютона, утверждающий «сила действия равна силе противодействия» явным образом противоречит исходной парадигме, так как «сила противодействия» направлена против направления ускорения объекта и не соответствует определению «сила». Кроме того, равенство «сил», действующих на объект обязывает объект двигаться равномерно и прямолинейно (первый закон Ньютона), но парадоксальным образом, при ускорении объекта силы также уравновешены, откуда вытекает несовместимость третьего закона Ньютона не только с первым законом, но и с законом сохранения энергии.
Путаница понятий начинается с самого определения «силовое воздействие». Дело в том, что «силовое воздействие» возможно только к неподвижному, закрепленному в пространстве объекту. «Приложить силу» к объекту, не имеющему опоры, физически невозможно, одновременно придется приложить ускорение.
Как указано в любом учебнике физики и теоретической механики, воздействие невозможно без объекта, оказывающего это воздействие, то есть, как минимум, требуется два объекта – пассивный (объект А) и активный (объект В). Объект В оказывает силовое действие на объект А. Если объекты существуют автономно, то «силовое воздействие» является следствием характеристик объектов А и В, которые существовали еще до момента «силового воздействия».
При отсутствии неуравновешенных сил, действующих на объект (тело, материальную точку), объект движется в пространстве прямолинейно и равномерно. Принцип относительности движения позволяет подобрать для такого объекта инерциальную систему отсчета (ИСО), в которой этот объект неподвижен и, соответственно, имеет нулевую кинетическую энергию.
Предположим, объект А находится в ИСО, где его скорость равна нулю. Для того, чтобы сам факт «силового воздействия» со стороны объекта В мог состояться, необходимо два момента – между объектами А и В установлена связь и объект В должен обладать движением в ИСО объекта А. Если оба объекта неподвижны, установление связи не приводит к факту «силового воздействия».
Характеристикой объекта А является его масса. Характеристикой объекта В является располагаемый запас энергии. В случае, если объект В обладает автономным источником энергии, характеристикой объекта В является мощность источника энергии объекта В. В наиболее простом случае, считая мощность источника энергии безграничной, можно считать характеристикой объекта В его ускорение в ИСО объекта А.
Итак, объект А характеризуется массой, объект В – ускорением в ИСО объекта А, и только после установления связи между объектами А и В возникает «силовое воздействие» объекта В на объект А. Обратим внимание, что объект В имеет ускорение в ИСО объекта А изначально, то есть – есть связь, нет связи между объектами, ускорение объекта В принадлежит объекту В, это его характеристика, не зависящая от объекта А.
С точки зрения Ньютона ускорение объекта А происходит под действием силы, приложенной со стороны объекта В, при этом сам объект В отсутствует и его характеристики неизвестны. Ньютон посчитал, что знания о величине силы натяжения связи достаточно.
Предположим, что нам известна масса объекта А и сила натяжения связи F, на основании чего мы рассчитали ускорение объекта А и сделали вывод о наличии этого ускорения у объекта В. Имеем ли мы право сделать вывод о том, что у объекта А возникло ускорение под действием силы натяжения связи F? Нет. Ускорение объекта А имеется, поскольку это ускорение имеет объект В, а объекты связаны.
Из автономности объектов А,В прямо следует, что возможен случай воздействия объекта В на другой объект – например, объект С, масса которого в два раза меньше массы объекта А. Тогда, в соответствии со 2 законом Ньютона, сила натяжения связи будет в два раза меньше, а ускорение объекта С будет равным ускорению объекта В. Из этого прямо следует, что на объект А воздействует не сила натяжения связи F, а ускорение объекта В. «Приложить» можно только независимую величину. Независимая величина не может быть связана с массой самого объекта.
Для большей наглядности проведем простейший эксперимент. Возьмем детский автомобильчик весом примерно сто грамм, гирьку в один килограмм, капроновую нитку и блок – Рис.1.
Закрепим блок на краю стола, свяжем ниткой автомобильчик, гирьку и отпустим гирьку. Автомобильчик бодро побежит к краю стола с ускорением чуть меньше ускорения свободного падения – 9, 81 м/сек;. Но, даже если мы увеличим гирю до 16 кг, мы не увеличим ускорение автомобиля выше ускорения свободного падения. Если бы ускорение автомобильчика определяла приложенная сила, а не ускорение источника движения, увеличение веса гири до 16 кг привело бы к росту ускорения в 16 раз.
Итак, уже в самой формулировке «к объекту приложена сила» имеется фатальная ошибка. К объекту приложена не сила, к объекту приложено ускорение. Из этого факта прямо следует, что величина натяжения связи между объектами (так называемая «приложенная сила») является не причиной ускорения объекта, а следствием уже имеющегося ускорения у воздействующего объекта (объект В) и отсутствия этого ускорения у пассивного объекта (объект А) до воздействия связи.
Если объект А движется с ускорением под действием объекта В, кинетическая энергия объекта А растет. Это означает, что при анализе нужно опираться на закон сохранения энергии. Одновременно, так как задействованы ускорение и сила, необходимо применять второй закон Ньютона.
2 закон Ньютона
Что такое 2 закон Ньютона? Это один из вариантов записи закона сохранения энергии, причем записанный некорректно. Почему некорректно?
Сила равна произведению массы тела на ускорение тела.
F = m*a
где F – сила, приложенная к объекту извне
m – масса объекта
а – возникающее ускорение объекта
Ускорение объекта равно разности скорости в двух точках замера, деленной на период времени между замерами. Именно это определение использовал сам Ньютон.
a = (V2 – V1)/t
где а – ускорение объекта
V1– скорость в первой точке замера
V2 – скорость во второй точке замера
t – период времени между замерами
Таким образом, сам Ньютон использовал такую запись второго закона:
F = m*(V2 – V1)/t
Что некорректно в этой записи? В этой записи сила F присутствует, как мгновенное значение силы (определенное в одной точке), а ускорение – как разность скорости в двух точках. Можно уточнить, что между этими точками сила равна постоянной величине.
F = const
Если сила не менялась, то движение объекта – равноускоренное. Путь, пройденный объектом при равноускоренном движении
S = V1*t + a*t^2/2 = V1*t + [(V2 – V1)/t]*t^2/2
Для простоты подставим нулевое первоначальное значение скорости – ускорение начато от состояния покоя
V1 = 0
S = V1*t + [(V2 – V1)/t]*t^2/2 = 0*t + [(V2 – 0)/t]*t^2/2 = V2*t/2
Умножим и левую, и правую часть второго закона Ньютона на пройденный путь S
F*S = m*(V2-V1)/t*S = m*[(V2 – 0)/t]* V2*t/2 = m*V2^2/2
Отбросим индекс 2 при скорости V, так как это и есть конечная скорость объекта, в результате подстановок получим классическую формулу закона сохранения энергии – безотносительно ко времени разгона (период времени в результате сокращения исчез), работа внешней силы равна приросту кинетической энергии объекта.
F*S = m*V^2/2
А = Е
Получается, что 2 закон Ньютона равносилен закону сохранения энергии. Но очень важно отметить обстоятельство, присутствующее в законе сохранения энергии, но отсутствующее во 2 законе Ньютона – работа внешней силы и прирост энергии тела существуют только на отрезке пути. Нет пути (путь равен нулю) – нет и работы силы и прироста энергии тела. Во втором законе Ньютона нет пути, есть только сила, ускорение и масса объекта, но этого НЕДОСТАТОЧНО для понимания процесса.
Почему недостаточно? Потому что само понятие «ускорение» подразумевает увеличение пути, пройденного объектом за отрезок времени и в точке (одиночном измерении) не существует. То есть, прямой вопрос, который можно было задать сэру Исааку Ньютону – откуда взялось ускорение объекта в точке измерения? Из двух точек измерения? Тогда надо указывать пройденный путь. Если путь указан, это закон сохранения энергии, а не второй закон Ньютона, простите, сэр.
Вернемся к закону сохранения энергии и выразим через этот закон величину силы, действующую на объект извне
F*S = Е
F = Е/S
Сила, действующая на объект извне, равна частному от деления прироста кинетической энергии объекта на пройденный путь, или приросту энергии на единицу пути. Согласно Ньютону, эта же сила равна произведению массы объекта на его ускорение. Автоматически, произведение массы на ускорение объекта равно приросту кинетической энергии на единицу длины пути.
F = Е/S
F = m*a
m*a = Е/S
Последнее уравнение – это и есть «сила инерции», она же «сила противодействия», которая не является силой.
3 закон Ньютона
Третий закон Ньютона утверждает, что силы возникают только попарно и «сила действия всегда равна силе противодействия».
Как было показано, 2 закон Ньютона фактически дублирует закон сохранения энергии, работа силы на участке пути равна приросту кинетической энергии тела
F*S = m*V^2/2
Левая часть уравнения – это работа источника энергии, правая – это приобретенная кинетическая энергия объекта. Сила, фигурирующая в левой части уравнения, явно приложена ИЗВНЕ к данному объекту и является источником приращения кинетической энергии объекта. Получается, что в законе сохранения энергии сила, действующая на объект ИЗВНЕ, не уравновешена, так как совершает работу.
3 закон Ньютона утверждает обратное – что сила, действующая на объект извне, уравновешена всегда. При этом возникает парадокс, так как при равенстве сил, действующих на объект, он обязан двигаться равномерно и прямолинейно согласно 1 закону Ньютона, а он двигается с ускорением, но причина ускорения непонятна, так как дисбаланс сил отсутствует. То есть – по факту, три закона Ньютона друг другу противоречат. Второй закон дублирует закон сохранения энергии, а третий противоречит первому закону Ньютона и закону сохранения энергии. В чем ошибка Ньютона?
Ошибка – в том, что неточно определен используемый термин «сила». Силой является только фактор, который может самостоятельно привести к движению какой-то объект. «Сила инерции», если считать ее «силой противодействия», самостоятельно привести объект в движение не может. «Сила инерции» направлена против направления ускорения объекта и, таким образом, противоречит исходному определению «силы». В этом случае, чем является «сила инерции»?
«Сила инерции» является РЕАКЦИЕЙ МАССЫ НА ПОДВЕДЕННОЕ ИЗВНЕ УСКОРЕНИЕ. И уже в ответ на реакцию массы со стороны воздействующего объекта возникает сила натяжения связи. Фактически, Ньютон прав – «сила действия равна силе противодействия», объект находится в равновесии, но упущен самый важный момент, проясняющий ситуацию – что ускорение при этом не «возникает под действием силы», а уже имеется у воздействующего объекта и подводится к пассивному объекту.
Суммируя изложенное, можно констатировать.
Представления Ньютона о движении объектов частично ошибочны и требуют корректировки.
Ускорение пассивного объекта возникает не под действием силы натяжения связи, а под действием ускорения воздействующего объекта.
Сила натяжения связи пропорциональна произведению массы пассивного объекта на ускорение воздействующего объекта.
Сила натяжения связи между объектами равна реакции массы объекта на подведенное извне ускорение.
Матвеев А.Л.
г. Рубцовск 2019 г.
79130812353@ya.ru
При перепечатке материалов ссылка на автора публикации обязательна.