“Fizikaning hozirgi zamon ta’limidagi o’rni”. Samarqand 2019-yil 13-14 dekabr.
150
В неинерциальных системах инерциальным силам придают характер реальных сил,
способных компенсировать влияние других сил.
Хотя оговариваются о том, что не вводя
понятие инерциальных сил все происходящее в неинерциальных системах возможно понять,
рассматривая движения в инерциальных системах координат. Действительно, в случае
ускоряющегося лифта, движение тел внутри него рассматриваются без применения понятий
инерциальных сил на основе уравнений второго закона Ньютона с
применением принципа
суперпозиции сил. Но это движение относится к движению в вертикальном направлении, а при
движении в горизонтальном направлении детальное рассмотрение процессов в
неинерциальных системах в рамках инерциальных систем координат по сей день отсутствуют.
Настоящая работа посвящена рассмотрению данной проблемы. Для простоты рассмотрим
процессы, происходящие внутри замкнутой системы, когда на нее действует внешняя сила в
горизонтальном направлении. В качестве примера рассмотрим железнодорожный вагон. В
состоянии покоя на все тела, находящиеся внутри него, действует сила притяжения Земли,
которая компенсируется силами реакции. Поэтому вагон со
всеми телами внутри можно
рассматривать как замкнутую систему. Если зашторить окна вагона и вмонтировать в корпус
вагона камеру наблюдения, то можно последить за всеми процессами, происходящими внутри
замкнутой системы. Как только на вагон начнет
действовать внешняя сила, условия
замкнутости системы вагона нарушается. Начинается динамический режим переноса внешних
сил к различным телам внутри вагона. Если направить камеру на стол вагона, где на гладком
столе лежит шар и предмет параллелепипедной формы, то можно видеть, что как только на
вагон начинает действовать внешняя сила, придающая ему ускорение, шарик начинает
перемещаться в направлении, противоположном движению вагона. Здесь возникает
естественный вопрос может ли наблюдатель, находящийся в диспетчерском пункте, видя это
на мониторе однозначно ответить на следующие вопросы:
- начала ли действовать на
шар какая-либо сила;
- начала ли действовать на стол какая-либо сила, а на шар нет;
- начала ли действовать на оба предмета сила, вызывающая различные ускорения, но
действующая в одном и том же направлении.
Естественно наблюдатель на эти вопросы не может однозначно ответить. Но
несмотря на
это, учитывая этот факт, что шар двигается с ускорением против движения вагона
предпочтение отдается первому случаю, вводится понятие инерциальных сил. Ниже мы
рассмотрим, что же будет происходить на самом
деле внутри вагона с шаром, лежащим на
столе.
Как только к вагону с массой М начнет действовать внешняя сила
𝐹 , часть этой силы
мгновенно переносится к жестко связанным предметом внутри вагона пропорционально их
массам за счет возникающих сил трения и деформации. Вследствие
чего стол и камера
наблюдения ускоряются с одинаковым ускорением равным ускорению вагона. При этом стол
относительно камеры наблюдения находится в состоянии покоя. Коэффициент трения в точке
соприкосновения шара со столом крайне мал. Поэтому силами трения можно пренебречь. В
отсутствии сил трения внешняя сила к шару фактически не переносится и стол будет просто
скользить под шаром. Так как внешняя сила к шару не переносится, его масса фактически
выбывает из замкнутой системы вагона. При этом масса вагона в вертикальном и
горизонтальном направлении будут отличатся на величину массу шара. При неизменной
величине
𝐹
ускорение вагона уменьшится, как только шар прикоснется к какой-либо преграде
внутри вагона. Иными словами, в процессе динамического переноса силы в замкнутой системе
массы в случае горизонтального движения изменяется, а в случае вертикального движения не
меняется. Это условие и определяет применимость законов Ньютона в неинерциальной системе
в процессе вертикального движения даже в динамическом режиме.
Теперь рассмотрим движение предмета параллелепипедной формы, лежащей на столе
вагона, силы трения между соприкасающимися слоями стола и предмета способствуют
