A tehetetlenségi erő (a tehetetlenségi erő is ) egy többértékű fogalom, amelyet a mechanika három különböző fizikai mennyiségre vonatkozóan használ . Az egyiket - a " d'Alembert -féle tehetetlenségi erőt" - bevezetik az inerciális vonatkoztatási keretekbe , hogy formális lehetőséget kapjunk a dinamika egyenletek egyszerűbb statikaegyenletek formájában történő felírására . Egy másik - " Euleri tehetetlenségi erő" - a testek mozgásának vizsgálatakor nem tehetetlenségi vonatkoztatási rendszerben [1] [2] . Végül a harmadik - " Newtoni tehetetlenségi erő" - az ellenerő, amelyet Newton harmadik törvényével összefüggésben tekintünk [3] .
Mindhárom mennyiségben közös a vektor jellege és az erő dimenziója . Ezenkívül az első két mennyiséget egyesíti a mozgásegyenletekben való felhasználásuk lehetősége, amelyek formailag egybeesnek Newton második törvényének [1] [4] [5] egyenletével , valamint a tömeggel való arányosságuk. testek [6] [4] [5] .
Az orosz nyelvű "tehetetlenségi erő" kifejezés a francia fr kifejezésből származik. erő d'tehetetlenség . A kifejezést három különböző vektorfizikai mennyiség leírására használják, amelyek erő dimenzióval rendelkeznek:
Az "euleri", "dalamberi" és "newtoni" definícióit A. Yu. Ishlinsky akadémikus [7] [8] javasolta . A szakirodalomban használatosak, bár még nem terjedtek el széles körben. Kik vagyunk mi a jövőben ? ragaszkodunk ehhez a terminológiához, mivel így tömörebbé és áttekinthetőbbé tehetjük az előadást.
Az Euler-féle tehetetlenségi erő általános esetben több különböző eredetű komponensből áll, amelyek külön elnevezést is kapnak ("hordozható", "Coriolis" stb.). Erről részletesebben az alábbi, vonatkozó szakaszban lesz szó.
Más nyelveken a tehetetlenségi erők elnevezései világosabban jelzik különleges tulajdonságaikat: a németben azt. Scheinkraft [9] ("imaginary", "paparent", "visible", "false", "fictitious" force), angolul angolul. pseudo force [10] ("pseudo-force") vagy angolul. fiktív erő ("fiktív erő"). Az angolban ritkábban használt " d' Alembert force " ( angolul d'Alembert force [11] ) és az "inertial force" ( angolul inertial force [12] ) elnevezések. Az orosz nyelvű szakirodalomban hasonló jellemzőket használnak az Euler- és d’Alembert-erőkkel kapcsolatban is, ezeket az erőket „fiktívnek” [13] , „látszatosnak” [14] , „képzeletnek” [8] vagy „pszeudo -erőknek” nevezik. erők” [15] .
Ugyanakkor az irodalomban olykor kiemelik a tehetetlenségi erők valóságát [16] [17] , szembeállítva e kifejezés jelentését a fiktívság kifejezés jelentésével . Ugyanakkor a különböző szerzők eltérő jelentést adnak ezeknek a szavaknak, és a tehetetlenségi erők valódiak vagy fiktívak, nem az alapvető tulajdonságaik megértésének különbségei miatt, hanem a választott definíciók függvényében. Egyes szerzők sikertelennek tartják ezt a terminológiahasználatot, és azt javasolják, hogy az oktatási folyamatban egyszerűen kerüljék el [18] [19] .
Bár a terminológiáról szóló vita még nem ért véget, a fennálló nézeteltérések nem befolyásolják a mozgásegyenletek matematikai megfogalmazását tehetetlenségi erők bevonásával, és nem vezetnek félreértésekhez az egyenletek gyakorlati alkalmazása során.
A klasszikus mechanikában az erőkre és tulajdonságaikra vonatkozó elképzelések Newton törvényein alapulnak, és elválaszthatatlanul kapcsolódnak az „ inerciális vonatkoztatási rendszer” fogalmához . Bár az Euler és d'Alembert tehetetlenségi erők neve tartalmazza az erő szót , ezek a fizikai mennyiségek nem a mechanikában elfogadott értelemben vett erők [20] [15] .
Valójában az erőnek nevezett fizikai mennyiséget Newton második törvénye veszi figyelembe, míg magát a törvényt csak inerciális vonatkoztatási rendszerekre fogalmazza meg [21] . Ennek megfelelően az erő fogalma csak az ilyen vonatkoztatási rendszerekre definiálható [22] .
Newton második törvényének egyenlete, amely egy anyagi pont gyorsulását és tömegét a rá ható erővel hozza összefüggésbe , a következőképpen írható fel:
Az egyenletből egyenesen következik, hogy a testek gyorsulásának csak az erők az okai, és fordítva: a testet kiegyenlítetlen erők hatása szükségszerűen okozza a gyorsulását.
Newton harmadik törvénye kiegészíti és továbbfejleszti a második törvényben az erőkről mondottakat.
Az összes Newton-törvény tartalmát figyelembe véve arra a következtetésre jutunk, hogy a klasszikus mechanikában említett erők elidegeníthetetlen tulajdonságokkal rendelkeznek:
A klasszikus mechanikában semmilyen más erőt nem vezetnek be vagy használnak [22] [27] . Az önállóan, egymásra ható testek nélkül keletkezett erők létezésének lehetőségét a mechanika nem engedi meg [26] [28] .
Egyes szerzők a "tehetetlenségi erő" kifejezést a Newton harmadik törvényéből származó reakcióerőre utalják . A koncepciót Newton vezette be a „ Matematical Principles of Natural Philosophy ” [29] című művében: „Az anyag veleszületett ereje a benne rejlő ellenállási képesség, amely szerint bármely egyedi test, miután magára van hagyva, fenntartja saját állapotát. nyugalom vagy egyenletes egyenes vonalú mozgás. Az anyag tehetetlenségéből adódik, hogy minden testet csak nehezen lehet kihozni nyugalmából vagy mozgásából. Ezért a veleszületett erőt nagyon érthetően tehetetlenségi erőnek nevezhetnénk. Ez az erő csak akkor jelenik meg a testben, ha egy másik, rá ható erő állapotváltozást idéz elő. Ennek az erőnek a megnyilvánulása kétféleképpen is felfogható - ellenállásnak és nyomásnak egyaránt, és a tényleges „tehetetlenségi erő” kifejezést Euler szerint először Kepler használta ilyen értelemben ( 29). , hivatkozva E. L. Nicolaira).
Ennek az ellenerőnek a megjelölésére (amely a gyorsító testre a gyorsított test oldaláról hat [29] ) egyes szerzők a "newtoni tehetetlenségi erő" kifejezés használatát javasolják, hogy elkerüljék a nem tehetetlenségi számításoknál használt fiktív erőkkel való összetévesztést. referenciakeretek és a d'Alembert-elv alkalmazásakor.
Newton misztikus és teológiai nézeteinek [30] visszhangja az a terminológia, amelyet a tehetetlenségi erő leírásakor használt: „az anyag veleszületett ereje”, „ellenállás”. Ez a megközelítés a newtoni tehetetlenségi erő leírásához, bár a modern mindennapi életben megmaradt[ hol? ] azonban nem kívánatos, mivel asszociációkat ébreszt a test bizonyos képességével, hogy ellenálljon a változásoknak, hogy akaraterővel megőrizze a mozgás paramétereit . Maxwell megjegyezte, hogy éppúgy mondhatjuk, hogy a kávé nem válik édeskéssé, hiszen nem magától válik édessé, hanem csak cukor hozzáadása után [29] .
Egy anyagi pont mozgásegyenlete a tehetetlenségi koordináta-rendszerben (ISO), amely Newton 2. törvényének egyenlete
nem inerciális vonatkoztatási rendszerben (NFR) négy további tagot szerez az erő dimenziójával – az úgynevezett „tehetetlenségi erőket” [31] , amelyeket néha „euleri”-nek is neveznek:
ahol:
A mozgásegyenletben négy további tagot általában különálló tehetetlenségi erőnek tekintenek, amelyek saját elnevezést kaptak:
Az első három erőt, amelyek nem kapcsolódnak egy pont mozgásához, egyesíti a "tehetetlenségi erők átvitele" [32] .
Bizonyos esetekben célszerű nem inerciális vonatkoztatási rendszert használni a számításokhoz, például:
Nem inerciális vonatkoztatási rendszerekben a Newton-törvények szabványos megfogalmazásai nem alkalmazhatók. Tehát amikor egy autó felgyorsul, az autó karosszériájához kapcsolódó koordinátarendszerben, a benne lévő laza tárgyak felgyorsulnak, anélkül, hogy közvetlenül rájuk hatna; és amikor a test a pályán mozog, a testhez tartozó nem inerciális koordinátarendszerben a test nyugalomban van, bár hat rá egy kiegyensúlyozatlan gravitációs erő, amely centripetálisként működik abban a tehetetlenségi koordinátarendszerben, amelyben a pálya forgása megtörtént. megfigyelt.
Annak érdekében, hogy ezekben az esetekben a Newton-törvények szokásos megfogalmazásait és a hozzájuk kapcsolódó mozgásegyenleteket alkalmazzuk minden egyes vizsgált testre, célszerűnek bizonyul bevezetni egy fiktív erőt - a tehetetlenségi erőt -, amely arányos ennek a testnek a tömege és a koordinátarendszer gyorsulásának nagysága, és ennek a gyorsulásnak a vektorával ellentétes.
Ennek a fiktív erőnek a felhasználásával lehetővé válik a ténylegesen megfigyelt hatások rövid leírása nem inerciális vonatkoztatási rendszerben (gyorsuló autóban): „miért nyomja az utas az üléstámlát, amikor az autó gyorsul? ” - "a tehetetlenségi erő hat az utas testére." Az úttal társított tehetetlenségi koordinátarendszerben nincs szükség tehetetlenségi erőre a történések magyarázatához: az utas teste gyorsul (a gépkocsival együtt), és ezt a gyorsulást az az erő hozza létre, amellyel az ülés az ülésre hat. utas .
Inerciális vonatkoztatási rendszerben (a Földön kívüli megfigyelő) a Föld felszínén található test centripetális gyorsulást tapasztal , amely nagyságrendileg egybeesik a Föld felszínén lévő pontok napi forgása által okozott gyorsulásával . Ezt a gyorsulást Newton második törvényének megfelelően a testre ható centripetális erő határozza meg (zöld vektor). Ez utóbbi a Föld középpontja felé ható gravitációs vonzás erejéből (piros vektor) és a támasz reakcióerejéből (fekete vektor) tevődik össze [35] . Így a Newton második törvényének a vizsgált testre vonatkozó egyenlete inerciális vonatkoztatási rendszer esetén a vagy alakú , ami megegyezik, .
A Földdel együtt forgó megfigyelő számára a test mozdulatlan, bár pontosan ugyanazok az erők hatnak rá, mint az előző esetben: gravitációs erő és támaszreakció . Itt nincs ellentmondás, hiszen egy nem inerciális vonatkoztatási rendszerben, ami a forgó Föld, tilos Newton második törvényét a megszokott formában alkalmazni. Ugyanakkor nem inerciális vonatkoztatási rendszerben lehetőség van tehetetlenségi erők figyelembe vételére. Ebben az esetben az egyetlen tehetetlenségi erő a centrifugális erő (kék vektor), amely egyenlő a test tömegének és gyorsulásának a tehetetlenségi vonatkoztatási rendszerben mínusz előjellel felvett szorzatával, azaz . Ennek az erőnek a bevezetése után a test fent megadott mozgásegyenlete átalakul a test egyensúlyi egyenletévé, amelynek alakja .
A gravitációs erők és a centrifugális tehetetlenségi erő összegét gravitációs erőnek (sárga vektor) nevezzük [ 36] . Ezt szem előtt tartva az utolsó egyenlet alakba írható, és vitatható, hogy a gravitációs erő és a támasz reakcióerejének hatásai kompenzálják egymást. Azt is megjegyezzük, hogy a centrifugális erő relatív értéke kicsi: az egyenlítőn, ahol ez az érték maximális, a gravitációhoz való hozzájárulása ~0,3% [37] . Ennek megfelelően a vektorok sugáriránytól való eltérései is kicsik .
A klasszikus fizikában a tehetetlenségi erők két különböző helyzetben lépnek fel, attól függően, hogy a megfigyelés milyen vonatkoztatási rendszerben történik [29] . Ez a kapcsolatra kifejtett erő, ha inerciális vonatkoztatási rendszerben figyeljük meg, vagy a vizsgált testre ható erő, ha nem inerciális vonatkoztatási rendszerben figyeljük meg. Mindkét erő képes dolgozni. Kivételt képez a Coriolis-erő, amely nem működik, mivel mindig a sebességvektorra merőlegesen irányul. Ugyanakkor a Coriolis-erő megváltoztathatja a test pályáját, és ezáltal hozzájárulhat más erők (például a súrlódási erő) általi munkavégzéshez. Példa erre a Baer-effektus .
Ezenkívül bizonyos esetekben tanácsos a Coriolis-erőt két komponensre osztani, amelyek mindegyike működik. Az ezen komponensek által termelt teljes munka nullával egyenlő, de egy ilyen ábrázolás hasznos lehet a vizsgált rendszer energia-újraelosztási folyamatainak elemzéséhez [38] .
Elméleti megfontolásból, amikor a mozgás dinamikus problémáját mesterségesen a statika problémájára redukálják, egy harmadik típusú erőt vezetnek be, az úgynevezett d'Alembert-erőket, amelyek nem végeznek munkát azon testek mozdulatlansága miatt, amelyekre ezek az erők vonatkoznak. törvény.
A gravitációs és tehetetlenségi erők egyenértékűségének elve szerint lokálisan lehetetlen megkülönböztetni, hogy egy adott testre melyik erő hat - a gravitációs erő vagy a tehetetlenségi erő. Ebben az értelemben az általános relativitáselméletben nincsenek globális vagy akár véges inerciális vonatkoztatási rendszerek.
D'Alembert elve szerint a természetben valóban hiányzó tehetetlenségi erőket veszik figyelembe, amelyeket semmilyen fizikai berendezéssel nem lehet mérni.
Ezeket az erőket a d'Alembert-elv alkalmazásán alapuló mesterséges matematikai technika alkalmazása érdekében vezették be Lagrange megfogalmazásában , ahol a tehetetlenségi erők bevezetésével történő mozgás problémája formálisan az egyensúly problémájára redukálódik [29] .