Существуют ли в природе центростремительные силы кратко
Обновлено: 04.07.2024
Центробежные и центростремительные силы встречаются в нашей обыденной жизни повсеместно и почти ежедневно.
При резком повороте автомобиля центробежная сила прижимает нас к стенке автомобиля. При выходе автомобиля из поворота, стенка автомобиля, выполняющая роль центростремительной силы, возвращают нас в прежнее положение. Попавший в нас камешек из-под колеса грузовика напоминает нам, что есть некоторая сила, которая привела этот камешек в движение. Обычно это мы относим на счет центробежных сил. При вращении ведерка с водой на веревочке в вертикальной плоскости мы видим, что вода не выливается из ведра даже тогда, когда оно находится вверх дном. Ведь что-то ее держит в ведерке, несмотря на то, что на ее действует сила гравитации. Мы полагаем, что это центробежная сила. Знаем, что Луну притягивает гравитация Земли, но Луна все никак не приближается к Земле и никак не упадет на нее. По-видимому, в этом повинна центробежная сила. Расплавленные кусочки металла отрываются от заточного вращающегося камня в виде красивой струи под действием тех же сил. Как видим явлений, в которых наблюдается действие центробежных сил великое множество.
Точно также мы наблюдаем множество центростремительных сил. Веревочка, которая удерживает ведерко с водой при вращении, внешнее кольцо шарикоподшипника удерживает от разлета шарики или ролики, удержание планет и звезд на орбитах – все это примеры действия центростремительных сил.
Считается что центробежная и центростремительная силы антиподы, если одна сила пытается двигать тело в одном направлении, то другая будет обязательно действовать в противоположном направлении, стремясь компенсировать действия первой. Но на данном этапе понимания этих сил мы видим между ними огромную разницу.
Дело в том, что при наблюдении центростремительной силы мы всегда можем указать физический носитель данной силы. Например, если видим какое-нибудь тело, лежащее на вращающемся круге, и оно никуда не движется, то говорим, что силы трения компенсируют центробежную силу. Силы трения и представляют центростремительную силу. Как только скорость вращения увеличится центробежная сила, по нашим представлениям, превысит силу трения, то есть центростремительную силу, и тело соскользнет с вращающегося круга. В данном случае сцепление между атомами круга и тела и является физическим носителем данной силы.
Между вращающимся ведерком и рукой центростремительную силу представляет цепочка атомов в виде веревки. Физическим представителем, представляющим центростремительную силу для шарика в шарикоподшипнике, является внешнее кольцо. Гравитация удерживает на орбитах планеты.
А что является носителем центробежной силы, если таковой существует? В БСЭ даются такие определения этой силы.
“Центробежная сила, сила, с которой движущаяся материальная точка действует на тело (связь), стесняющее свободу движения точки и вынуждающее её двигаться криволинейно.
При применении к решению задач динамики Д'Аламбера принципа термину "Ц. с." придают иногда др. смысл и называют Ц. с. составляющую силы инерции материальной точки, направленную по главной нормали к траектории. Изредка Ц. с. называют также нормальную составляющую переносной силы инерции при составлении уравнений относительного движения” .
Как видим, есть попытки связать центробежную силу с силами инерции и это абсолютно верно. Но поскольку в современной науке нет четкого понятия, что представляют силы инерции , что является физическим носителем инерции, то и формулировка центробежной силы туманна и расплывчата.
Действительно, мы силу инерции всегда представляем, как пассивную силу. Когда на тело действует некоторая сила, то тело благодаря инерции сопротивляется этой силе, никогда не превышая своих полномочий. Какая сила на тело воздействует, ровно с такой силой тело отвечает на данное воздействие. Ни больше, ни меньше.
Сила инерции может сохранять импульс движения при движении тела по инерции. Конечно, видя камень, летящий из-под колеса автомобиля, можно сказать, что он летит по инерции, как пуля, выпущенная из винтовки. Пуля получила импульс движения от пороха, сжатого воздуха или чего-нибудь другого. А камень от чего получил импульс? Можно сказать, что от колеса, но это не совсем верно.
Положите на плоскость без трения (лед) шарик и попытайтесь его двигать вращающейся палочкой, как стрелкой часов. Если между палочкой и шариком будет минимальное трение, то мы увидим, что шарик начнет двигаться не только в сторону, но и вдоль палочки. Повернув палочку на 3600, при определенной длине палочки, можно будет увидеть смещение шарика по палочке. С другой стороны, мы видим, что сила воздействия палочки на шарик проходит все время через его центр, и поэтому никак не может двигать шарик от центра вращения палочки. Напротив, нам кажется, что мы шарик “подгребаем” к центру вращения палочки. Так мы пытаемся подкатить к себе мячик, яблоко или какой-нибудь другой круглый предмет палкой. Но какая-то сила все время стремится отодвинуть эти предметы от нас. Как мы увидим ниже это и есть центробежная сила.
Конечно, можно построить центробежную силу в том понятии, какое мы интуитивно вкладываем в это явление – “силу двигающую тело от центра”. Например, такая модель показана на рисунке 1.
Рассмотрим колесо, в котором вместо спицы расположена конструкция из двух пружин А и Б с телом С , прикрепленном между пружинами. Пружина Б закреплена в центре колеса, а пружина А шарнирно прикреплена к ободу. Пружины изначально напряжены на сжатие, то есть растянуты. Точкой равновесия напряжений пружин является точка 1 , в которой покоится наше тело, пока колесо не вращается. Если отсоединим тело от пружины А , то тело начнет двигаться под действием пружины Б к центру колеса. Данная сила выступает в роли центростремительной силы. Если тело отсоединим от пружины Б , то тело под действием пружины А будет двигаться от центра колеса, причем строго от центра колеса. Такая сила нам представляется как центробежная сила.
Закрутим колесо с некоторой скоростью. Когда скорость установится, тело выйдет из точки 1 и остановится, например, в точке 2 и будет двигаться по траектории с . Если оборвать связь тела с пружиной Б , то опыт покажет, что тело будет двигаться по вектору 2i . При увеличении скорости вращения напряжение в пружине А будет становиться все меньше и меньше. Составляющая скорости тела от напряжения пружины А (направление 2к ) будет становиться все меньше и вектор 2i будет все больше прижиматься к вектору 2j . И когда напряжение в пружине А станет равным нулю, данные векторы будут совпадать.
Когда пружина А тянула тело к ободу нам было понятно, что в растянутой пружине как-то напряглись ковалентные связи между атомами металла и затем при сжатии пружина тянула тело к краю колеса. Но какие физические процессы создали некоторый добавок силы к силе пружины, что совместно они передвинули тело из точки 1 в точку 2 при вращении колеса? В пределах молекулярной или атомарной точек зрения на этот вопрос ответа нет. А с точки зрения квантовой физики этот вопрос решаем.
Нет. Это - математическая абстракция для приведения неинерциальной системы к инерциальной.
Сила - результат одного из четырех взаимодействий: сильного, слабого, электромагнитного или гравитационного.
Для центростремительной силы - какое?
Мы постоянно добавляем новый функционал в основной интерфейс проекта. К сожалению, старые браузеры не в состоянии качественно работать с современными программными продуктами. Для корректной работы используйте последние версии браузеров Chrome, Mozilla Firefox, Opera, Microsoft Edge или установите браузер Atom.
1. Вспомним классический опыт, в котором грузчик вращается на нити по окружности с неподвижной осью вращения в центре окружности. Чем больше скорость вращения грузика, тем сильнее натягивается нить. На первый взгляд действительно кажется, что натяжение нити, говорит о том, что на грузик действует сила, направленная к оси вращения (к центру траектории). Но представим себе, что нить в какой-то момент времени обрывается и куда будет двигаться грузик? Правильно, он будет двигаться в сторону от окружности по касательной к ней, но только не к центру окружности. Спрашивается, где же эта центростремительная сила? Еще раз отметим, что и в этом, и других подобных опытах сила, направленная к центру, представляет собой совокупность сил деформации – силы деформации оси, силы деформации нити и силы деформации самого грузика в месте закрепления нити (Рис.1). В соответствии с 3-им законом И. Ньютона сила деформации возникает из-за действия на нить центробежной силы (силы инерции), действующей на вращающийся грузик, которая равна силе деформации и противоположна ей по направлению.
2.Второй опыт, который иногда в разных модификациях демонстрируют в видеороликах интернета, представляет собой колесо со спицами (Например, велосипедное колесо), на которых закреплены грузики с возможностью свободного перемещения вдоль спиц, Рис.3. Грузики на нескольких спицах расположены на разных расстояниях от центра колеса и, соответственно, от обода колеса. Колесо начинает вращаться и, при определенной скорости вращения колеса, грузики начнут друг за другом двигаться от центра к ободу колеса. Первым начнет двигаться грузик, дальше других отстоящий от центра. При достаточно больших оборотах все грузики окажутся прижатыми к ободу колеса, Рис.4. И чем больше скорость вращения колеса, тем больше давление будет на обод колеса, тем больше будет сила инерции. Ни один из грузиков не будет двигаться к центру колеса в результате действия на грузики не существующей центростремительной силы.
3.Приведу еще один опыт, наглядно демонстрирующий отсутствие центростремительной силы. Это когда грузик закреплен вместо нити на пружине. При вращении вокруг неподвижной оси пружина будет растягиваться, показывая стремление грузика двигаться от центра, от оси. И чем больше будет угловая скорость вращения, тем дальше грузик будет удаляться от оси и, тем больше растягивать пружину. Пружину растягивает центробежная сила (сила инерции), равная и противоположная по направлению силе деформации пружины, которая направлена к центру окружности, к оси закрепления пружины.
Аналогичная картина происходит и при движении трамвая на поворотах рельсовой дороги. При этом, сила инерции вызывает деформацию рельсов и чем больше скорость трамвая, тем больше деформация рельсов и, тем больше сила инерции. Ни в одном из этих опытов мы не наблюдаем действие центростремительной силы. Да и как можно наблюдать то, чего на самом деле нет.
Центробежная сила (сила инерции) равна и противоположна по направлению силе деформации, и пропорциональна скорости движения материального тела по криволинейной траектории. Но если центробежная сила и сила деформации равны и действуют в противоположных направлениях, т. е. ни одна из этих сил не действует на тело в направлении его движения, то что же вызывает движение тела по окружности? Значит, кроме этих двух сил, существует еще одна (третья) сила, которая и вызывает движение тела по окружности, криволинейной траектории. Но об этом в следующей публикации.
Кроме того, у автора отрезок w на рис.6, являющийся стороной параллелограмма, представлен как ɷ -изменение скорости.
Еще несколько слов о применении 2-го закона И. Ньютона к движению тел по криволинейной траектории. Как применять второй закон И. Ньютона к криволинейному движению и что в этом случае является ускорением? Мы привыкли применять 2-ой закон, не задумываясь над тем, применим ли он для движения тел по криволинейным траекториям? Опыты показывают, что этот закон применим для движения материальных тел по прямой линии, когда тело массой М ускоряется под действием постоянной внешней силы. Например, когда тело падает на Землю, то оно падает с ускорением свободного падения равным 9,8 м/с 2 под действием силы тяготения. Все тела падают на Землю с одинаковым ускорением независимо от массы тел. В этом случае тело движется по прямой и 2-ой закон И. Ньютона применим к прямолинейному движению. А криволинейное движение, как определить, что здесь является ускорением? О каком ускорении мы говорим, если скорость движения, например, по окружности постоянна и ее величина не изменяется? На эти и подобные вопросы мне кажется должна ответить академическая наука.
Примечание. Предложения в тексте статьи, отмеченные жирным шрифтом, взяты из оригинала упоминаемого учебника.
1. В статье приведены, часто демонстрируемые в публикациях, опыты, результаты которых подтверждают отсутствие центростремительной силы.
2.Показана несостоятельность вывода, применяемого в учебниках по физике, о существовании центростремительного ускорения.
3.В целом показано, что в природе не существует ни центростремительной силы, ни центростремительного ускорения, ни центробежной силы.
Второй закон Ньютона
В буквальном смысле эти силы выглядят как определённым способом ориентированные по отношению к центру — некой точке, равноудалённой от всех точек траектории движущегося тела. В двумерном пространстве (на плоскости) такой траекторией является окружность, а в трехмерном — тоже окружность, образованная пересечением сферической поверхности плоскостью, в общем случае не проходящей через её центр.
Все остальные траектории любого вида центром в этом смысле не обладают, и потому применительно к движущемуся по не круговым траекториям телу использование представления о центростремительной и центробежной силах не оправдано и ведёт к многочисленным недомолвкам и недоразумениям.
Центростремительная сила — сила, действующая со стороны неких связей, ограничивающих свободу движения тела, и вызывающая его поворот вокруг центра поворота. Природа связей может быть любой, если они обладают свойством увеличивать потенциальную энергию системы тело-связь при удлинении последней.
Реально существующей является лишь сила реакции связи. Центростремительная, равно как и центробежная сила, как самостоятельная сила, не существует и представляет собой лишь результат формального разложения реальной силы на две составляющие.
В случае установившегося движения тела (вращения) центростремительная сила совпадает с силой, представляющей собой реакцию связи , она направлена перпендикулярно к вектору его скорости, работы не совершает, кинетическая энергия движения тела не изменяется и такое движение может продолжаться неограниченно долго.
В случае неустановившегося движения по кривой (например при раскрутке пращи), траектория движения тела представляет собой спираль и центростремительная сила, по определению нормальная по касательной к траектории, направлена в сторону мгновенного центра вращения и представляет собой результат формального разложения реальной силы реакции связи на две. При этом работу совершает тангенциальная составляющая силы реакции связи, ведущая к изменению кинетической энергии тела (при разгоне) или уменьшению её (при торможении). Это периодически имеет место в Мировом пространстве при движении небесных дел по кеплеровским эллиптическим орбитам вокруг общего центра тяготения
Центробе́жная си́ла — сила, действующая со стороны испытывающего поворот тела на вызывающие этот поворот связи, равная по модулю центростремительной силе и всегда направленная в противоположную ей сторону (Третий закон Ньютона). Применяемый не к связям, а, наоборот, к поворачиваемому телу, как объекту своего воздействия, термин Центробежная сила (букв. Сила, приложенная к поворачивающемуся или вращающемуся материальному телу, заставляющего его бежать от мгновенного центра поворота), есть эвфемизм, основанный на ложном толковании первого закона (принципа Ньютона) [1] в форме :
Всякое тело сопротивляется изменению своего состояния покоя или равномерного прямолинейного движения под действием внешней силы
Всякое тело стремится сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока не подействует внешняя сила.
Отголоском этой традиции и является представление о некоей силе, как о материальном факторе, реализующем это сопротивление или стремление. О существовании такой силы уместно было бы говорить, если бы, например, вопреки действующим силам, движущееся тело сохраняло бы свою скорость, но это не так. [3]
Первый закон Ньютона, нередко называемый принципом и потому допускающим различия в словесной формы его выражения, сводится к утверждению, что природа вещей такова, что скорость движения материальной точки, как по величине, так и по направлению в некоторой системе отсчёта (сам Нютон связывал её с эфиром, заполняющим всё пространство) [4] , остаётся постоянной, но начинает изменяться тотчас, как возникает на то причина, называемая силой.
Рассматриваемое тело с массой (точнее — инертной массой) m приобретает отличающееся от нуля ускорение a в тот же момент t = 0 , когда начинает действовать на него сила F . (Второй закон Ньютона :) Однако для достижения отличающейся от нуля скорости v требуется некоторое время t в соответствие с определением импульса силы : t = mv / F .Или, иначе, скорость тела не изменяется сама по себе, без причины, но она начинает изменяться тотчас, как на него начинает действовать сила. [5]
Использование термина Центробежная сила правомочно тогда, когда точкой её приложения является не испытывающее поворот тело, а ограничивающее его движение связи. В этом смысле Центробежная сила представляет собой один из членов в формулировке Третьего закона Ньютона, антагониста Центростремительной силе, вызывающей поворот рассматриваемого тела и к нему приложенной. Обе эти силы равны по величине и противоположны по направлению, но приложены к разным телам и потому не компенсируют друг друга, а вызывают реально ощутимый эффект — изменение направление движения тела (материальной точки).
Оставаясь в инерциальной системе отсчёта, рассмотрим два небесных тела, например, компонента двойной звезды с массами одного порядка величины M1 и M2 , находящихся на расстоянии R друг от друга. В принятой модели эти звёзды рассматриваются как материальные точки и R есть расстояние между их центрами масс. В роли связи между этими телами выступает сила Всемирного тяготения FG:GM1M2 / R 2 , где G - гравитационная постоянная. Это — единственная здесь действующая сила, она вызывает ускоренное движение тел навстречу друг другу.
Однако, в том случае, если каждое из этих тел совершает вращение вокруг общего центра масс с линейными скоростями v1 = ω1 R1 и v2 = ω2 R2 , то подобная динамическая система будет неограниченное время сохранять свою конфигурацию, если угловые скорости вращения этих тел будут равны: ω1 = ω2 = ω , а расстояния от центра вращения (центра масс) будут соотноситься, как: M1 / M2 = R2 / R1 , причём R2 + R1 = R , что непоcредственно следует из равенства действующих сил: F1 = M1a1 и F2 = M2a2 , где ускорения равняются соответственно: a1 = ω 2 R1 и a2 = ω 2 R2 [6]
Центростремительные силы, вызывающие движение тел по круговым траекториям равны (по модулю): F1 = F2 = FG . При этом первая из них является центростремительной, а вторая — центробежной и наоборот: каждая из сил в соответствие с Третьим законом является и той, и другой.
Поэтому, строго говоря, использование каждого из обсуждаемых терминов излишне, поскольку они не обозначают никаких новых сил, являясь синонимами единственной силы — силы Всемирного тяготения. То же самое справедливо и отношении действия любой из упомянутых выше связей.
Однако, по мере изменения соотношения между рассматриваемыми массами, то есть всё более значительного расхождения в движении обладающих этими массами тел, разница в результатах действия каждой из рассматриваемых тел для наблюдателя становится всё более значительной.
В ряде случаев наблюдатель отождествляет себя с одним из принимающих участие тел и потому оно становится для него неподвижным. В этом случае при столь большом нарушении симметрии в отношении к наблюдаемой картине, одна из этих сил оказывается неинтересной, поскольку практически не вызывает движения.
Переписывая Второй закон в виде F − ma = 0 и заменяя второй член слева на некую силу Fi = − ma , получаем новую запись Второго закона: F + Fi = 0 .Здесь обе силы действуют на одно и то же тело, причём их сумма равна нулю, из чего следует, что данное тело в системе отсчёта, связанной с этим телом, покоится, хотя сама система вместе с ним движется ускоренно. Эта сила Fi , ничем не отличается по своему происхождению от силы F (о чём говорит знак равенства в канонической записи закона). Существует предложение называть её Ньютоновской силой инерции. Никакого отношения к центробежной силе эта сила не имеет. [5]
| Существует ли центростремительная сила? (Прочитано 3189 раз) |
 « Главная ‹ Раздел Наверх этой страницы |
Агентство научно-технической информации Научно-техническая библиотека SciTecLibrary. Свид. ФС77-20137 от 23.11.2004.
Читайте также: